山东医院建筑供暖能耗的调研及分析

2018-01-08高子龙李永安

四川建筑 2017年6期

关键词：环境参数专科医院能耗

高子龙，李永安，宁宇

(山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101)

山东医院建筑供暖能耗的调研及分析

高子龙，李永安，宁宇

(山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101)

文章对山东地区78家医院的建筑能耗进行了实地调研，并针对供暖能耗数据进行了能耗数值差异性分析与多因素综合影响分析。发现供暖能耗存在差异性的主要原因为室内热环境参数的差异。揭示了供暖能耗与气候影响因素、采暖度日数之间综合作用的内在规律。

供暖能耗；差异性；设计参数；采暖度日数

随着经济的发展和人民健康水平的提高，医院建筑的体量发展非常迅速。医院建筑具有功能多、要求高、供暖空调系统使用时间长等特点，因此，医院建筑的能耗也大。据测算，山东地区医院建筑的能耗支出占到医院总支出的10 %左右。虽然影响医院建筑能耗的因素很多，但是就医院建筑供暖能耗而言，在不考虑一些社会与管理因素的前提下，气候条件与室内热环境参数是影响医院建筑能耗的两大主要因素。调研发现，同一地区各类型医院与不同地区同一类型医院在相同的建筑围护结构与采暖方式下，其供暖能耗存在明显的差异。为摸清差异的原因与供暖能耗和医院建筑之间的数学关系，笔者展开了相关研究。为使研究结果更具客观性，本文对其进行了定性与定量研究。

1 医院建筑供暖能耗差异性分析

医院建筑供暖能耗通常高于其他类型公共建筑，并且不同类型的医院建筑的供暖能耗更是参差不齐。以济南市为例[1]，调研医院建筑数量为39家，其中三级综合医院12家，三级专科医院10家，二级及以下综合医院9家，二级及以下专科医院8家。由调研数据可得，医院建筑的供暖能耗总体上要高于其他类型的公共建筑。同时，根据调研数据，看出供暖能耗随医院建筑类型及建筑规模的不同而不同，且差异显著。其中三级综合医院建筑的供暖能耗在11.76～13.56 kgce/(m2a)之间，三级专科医院建筑的供暖能耗为9.78～11.19 kgce/(m2a)，二级及以下综合医院建筑的供暖能耗在8.12～9.32 kgce/(m2a)之间，二级及以下专科医院建筑的供暖能耗为7.51～8.23 kgce/(m2a)。针对采取市政热力或锅炉房供热的医院建筑在围护结构、运行管理等方面差异并不大，尤其是同地区建筑，但是它们之间的能耗差距还是很大，纠其根源是不同类型与不同功能的医院建筑对室内热环境参数的要求不同。当然这并不是唯一的影响因素，也可能包括一些使用习惯以及医院的知名度与服务性等社会因素。但就室内热环境参数，笔者对我国现行各类型医院建筑设计规范[2-6]中的要求做了详细研究，简化为表1所示。

表1 不同类型医院建筑室内热环境设计参数比较

从表1中可以发现，医院建筑的采暖设计参数可以有很大的跨度，且综合医院设计参数与专科医院设计参数差异性很大。针对诊室，最低可为18℃，最高可到24℃；针对病房，最低可为20℃，最高可为24℃。经验告诉我们，采暖室内设计温度提高1℃，供暖能耗约增加5 %。表面上，温度的跨度在几度范围中，实则对能耗的影响却很显著。这说明，室内热环境参数对供暖能耗的影响程度很大。进一步对综合医院建筑各类病房进行研究，其相应室内热环境参数[4]如表2所示。从表2中发现，综合医院采暖设计参数因病房类型而不同，高则可达26℃，最低为20℃。如果拿综合医院产科病房的上限26℃来跟专科医院做比较，发现高于专科医院病房6℃。这说明，医院建筑供暖能耗必将高于其他公共建筑，且综合医院建筑能耗必将高于专科医院，也因此，可以解释综合医院费用高于专科医院的事实。但不足的是，我国相关医院建筑设计规范还较少，覆盖面并不全面。比如我国并未有医院分级详细设计说明，所以并不能看出三级、二级、一级等医院在采暖设计参数上的差别。但是根据行业人士的经验与阅历，在三级甲等与二级甲等甚至更低等医院之间，其要求的室内热环境是有所差异的。事实上，级别越高的医院对采暖的设计温度要求也越高，同样其医疗费用也越高。

表2 综合医院建筑各类病房室内热环境设计参数

综上陈述，有关医院建筑采用锅炉房或市政供热方式的采暖能耗有所差异的本质原因在于其所要求的热环境不同。级别越高的医院其所要求的热环境也越高，级别越低其要求也越低；相应的医疗费用也遵循该规律。

2 供暖能耗多因素量化分析

为了更好地反映影响供暖能耗的多因素综合效应，本文针对山东省地区计算采暖区的室外平均温度t、采暖度日数HDD18与供暖能耗Q三者的关系开展了研究。

2.1 针对t和HDD18进行研究

依据规范[7]，整理出一组山东省多个地区的t与HDD18数据表(表3)。为保证数据处理时保证单值效果，笔者对规范所提供的数据进行了非单值效果下取平均处理，这样，可以利用数学软件Mathematica将二者的关系用一条曲线拟合出来(图1)。对该拟合进行相关性分析，可得相关系数R=0.95，R2=0.908，这说明该曲线的拟合程度很好，满足拟合要求。从图1中也可以看出，随着温度的升高，采暖度日数总体呈减少趋势，这说明曲线的走势是符合实际条件的。不妨进一步对其做F检验(取置信度99 %)。利用软件可得F=7.03，F0.01(7，5)=10.45，F0.05(7，5)=4.88，即F0.05(7，5)

HDD18=1.29×107-1.288×107et+1.28×107t+6612112.7t2+1842575.4t3+835111.5t4-51549.4t5+58308.578t6

图1 t与HDD18的拟合曲线

2.2 对t与q，HDD18与q进行研究

同样根据相关资料[7-8]得出表4、表5。其中供暖能耗Q在这里取规范中三级综合医院能耗限额约束值。q为经过去掉各地级市经济权重系数后的折合能耗约束值。即认为各地级市经济先进水平一致。关于经济权重系数是根据各地级市先进值除以先进值平均值而得。通过权重系数，可以在一定程度上还原假设不受地区发展水平限制下的折合能耗q，同时利用q能更好地反应医院建筑的真实能耗。这里选择了已知具体数据的六个地级市进行数据表格制作。同时，分别给出二者拟合曲线，如图2、图3所示，在图中也给出了拟合相关系数平方值。虽然图2中R2比较小，但是从图中来看，各点与曲线的吻合程度还是不错的。如果对其进行四次方拟合，得到的结果R2=1，但是结合实际数据的走势，其发展趋势与实际不符，故最终采用三次方拟合，即图2。在忽略了经济先进性的影响后，能耗值应该符合随温度的增加呈减少的趋势，所以三次方曲线是符合要求的。针对图3，如果采用四次方拟合，同样也会得到R2=1的结果，但是其趋势与实际不符，故采用三次方进行拟合。而且图3本身R2已经足够接近1，说明拟合程度非常好，而且其发展趋势也符合实际情况。

表3 t与HDD18数据

表4 t与q数据

表5 HDD18与q数据

图2 t与q的拟合曲线

图3 HDD18与q的拟合曲线

通过对t、HDD18、q三者关系二维数学关系的拟合，发现，三者之间是一个互相影响的关系。仅仅利用二维数据对能耗的发展趋势研究不具备很强的操作性。故综合三者进行三维空间拟合十分必要。首先给出三者数据关系表6，其次对此进行拟合分析，得图4和图5，其中图4为采用三次拟合条件下的图形。当采用更高次进行拟合的时候发现，曲面几乎不再发生变化，故认为三次拟合已收敛，拟合曲面已最佳。曲面方程为：

q=104.3-0.04554HDD18-0.0000162HDD182+7.2×10-9HDD183+18.356t-13.3t2+3.1t3

表6 t、HDD18与q数据

图4 拟合曲面与空间点分布

(a)耗热量分布 (b)耗热量密度分布图5 耗热量分布与密度分布

观察图5(a)可得，在控制供暖能耗一定时，t是随着HDD18的增加是先增加后减少的，而且能耗越小，t的波动就越小，说明采暖度日数的改变越依赖于采暖天数。反之，能耗越大，说明HDD18的大小越依赖于室外平均温度t。在控制t一定时，q是随着HDD18的增加先减少后增加，而且t越小，q变化越快，说明低温对能耗的影响很大。反之，t越大，q变化越慢，说明高环温下能耗波动下，这一点提示我们在此种地区，供热能耗不是节能重点。在控制HDD18一定时，q是随t的增加而增加的，在HDD18处于中间值时，q的增加较缓慢，在HDD18处于端点及端点附近时，q随t的变化速率很大，这一点说明，各地在采暖季应合理安排采暖天数，不能过长，也不能过短，应当尽可能取中间值。观察图5(b)，相近颜色之间过渡越不明显，则由此构成的区域中能耗值越接近。如果将其等价为一均值，则该均值出现的频率越高，说明实际生活中同一地区同类建筑中大部分建筑都处在这样一个能耗水平，这就验证了对医院建筑能耗研究时四大分类的正确性。针对三级综合医院，根据图5(b)可知山东省该类建筑供暖能耗限额大致位于9.5～10.5 kgce/(m2a)之间。如果q采用真实调研数据进行分析，那么同样可以预测实际能耗的范围。

综上，将三维拟合曲面与二维拟合曲线进行对比后发现，三维拟合比二维拟合更具有操作性，更能体现数据的真实含义，更能揭示一些规律。