大型医院综合楼空调能耗分析和冷热源选择要点

吴丹芸

中国中元国际工程有限公司

近十年随着我国对医疗设施的大力发展，以及现代医学技术的快速更新，人们对健康保障要求提高，各一线及二线城市的医院建设规模越来越大，新用地建设的医院其规模大多超过 10 万 m2，甚至超过 20 万、30 万m2的综合医疗建筑群体也屡见不鲜，即使在一线城市市中心的三甲医院改扩建工程也一般都做到接近10 万m2。然而医疗建筑是能耗“大户”，这点已经被广泛认知，据资料统计，医院的能耗一般是常规公共建筑的1.6～2.0 倍，医院空调能耗占医院总能耗的 50%～60%，所以如何选择空调冷热源形式，合理设计能源输送系统，并有效的运行维护将有着更为重要的现实意义。

1 医院空调能耗影响因素

影响医院空调能耗的因素有很多，作为暖通设计工程师可能更多想到的是空调负荷计算时需要计算的部分，如围护结构、人员设备照明、新风负荷等，但是医疗建筑作为特殊的公共建筑更需要考虑实际运行状况对能耗的影响，主要包括：门诊量和住院量、室内工况设计点、冷源主机运行能效、输配系统能耗等。

1）建筑围护结构

建筑围护结构传热性能参数是影响空调负荷最直接的因素，进而直接影响空调系统能耗的大小。从 2009 年执行 《公共建筑节能设计标准》 后经过这么多年的工程实践，外墙和屋面的保温做法已经基本成熟，只需要注意避免冷桥的能耗损失，这部分的能耗占比并不大。而对于外窗，由于医院比较注重自然采光通风，以及就诊人员的感受，通常外窗面积较大，因此相 比较于外墙此部分能耗在围护结构中占比较大。

2）人员、设备、照明

医院建筑中人员主要包括病人、医护人员、陪护家属等，尤其以上午和下午门诊及探视时段的人员密度大，流动性大。如门诊大厅及候诊区域，挂号交费取药人流集中，且很多为陪护人员，普遍心情焦虑步幅加快，在计算人员负荷时按照轻型劳动与中度劳动之间的劳动强度取值[1]。不同于常规公共建筑，医院的医疗设备种类繁多，主要为检查诊断、治疗、实验、数据存储等几类用途，主要集中在放射科、放疗科、核医学、病理科、检验科、内镜中心、信息中心等区域的大型医疗设备、检查流水线、数据存储等，其发热量都较大，且为常年稳定热源，此部分耗能在全年空调能耗中占比较大，不可忽视。医院建筑中有大量没有外窗的内区房间、医疗主街电梯厅等精装区域、大型医疗设备检查治疗区等都需要白天也开启照明设施，此部分照明负荷也是常年稳定能耗。

3）新风负荷

医院建筑的新风需求较大，主要作用为稀释室内污染物，补充局部排风，以及调节空气流向，按照 《综合医院建筑设计规范》 GB51039 的要求各功能房间的新风换气次数大多高于2 次/h，尤其一线城市的大型综合医院由于室内人员密度大，建议门诊医技区房间的新风量提高到3 次/h。另外，由于医疗功能房间内湿度过高容易滋生细菌，建议新风处理到室内等含湿量线，这些因素都造成新风负荷远高于常规公共建筑，通常占空调负荷的40%～50%，这也是构成医院能耗高的一个重要因素。

4）门诊量、床位数

医院门诊量和床位使用率是影响空调运行能耗的一个重要因素。对于一线城市的大型综合三甲医院日门诊量充足，很多都是投入使用不久日门诊量和住院人数基本就饱和了，人流密度达到“双峰型”，即上午 9～11 点和下午 2～4 点就诊人员和探视人员量都达到峰值，这种情况与设计负荷曲线基本一致，能耗较大。而对于非一线城市的医院由于门诊量往往没有达到饱和，空调运行能耗可通过合理的运行模式来降低，比如在非高峰期时后勤人员可以通过提高供水水温（夏季）、关闭部分主机、净化空调切换至风冷机组供能等方式人为减小冷热源供应，从而达到了降低能耗的目的。

5）室内设计工况点的选择

室内设计工况点主要是温度和湿度的选择，不同工况点直接影响新风负荷。从表1、2 中可以看出对于夏季工况，室内相对湿度对于新风负荷的变化影响最大，对于冬季工况同样也是室内相对湿度直接影响到加湿量的大小，所以对于不同地区不同等级的医院，由于新风负荷占比较大，室内工况点需要结合医院使用情况慎重选择，减少不必要的能耗。

表1 不同室内工况点的夏季新风负荷

表2 不同室内工况点的冬季新风负荷

6）冷源主机能效

冷源主机的 COP 和 IPLV 是影响耗电量的一个主要因素，其中COP 更主要的反映在夏季最热月峰值负荷的时候，IPLV 是反应部分负荷时能效的一个指标，对于夏热冬冷以及夏热冬暖地区的大型医疗建筑，由于其供冷时间长冷源主机的能效选择需要更为注意。另外，冷冻水供回水温度和温差也直接影响冷机耗电量，据统计对于电制冷冷水机组：温差不变，供水温度下降1 ℃，耗电量增加约3%左右。供水温度不变，供回水温差增加1 ℃，耗电量增加较少。如果供水温度降低，温差增加，具体耗电量增加数值需要和设备厂家核实。

7）输配系统能耗

输配系统包括风机和水泵，主要体现在风机的单位风量耗功率和水泵的耗电输热（冷）比。对于风机的单位风量耗功率，需要减小风系统的阻力和提高风机效率，主要控制作用半径，风管风速，以及风机效率等。空调通风的作用半径不易过长，由于医院空调通风系统应按照功能科室划分，其输送半径不宜大于 100 m。主风管风速建议控制在6 m/s 左右，房间内支风管建议2 m/s 左右。施工时控制弯头转弯半径、支风管倒角连接、不使用高风速联箱等。风机效率应高于0.6，国内大多数风机厂家基本可做到。影响水泵耗电输热（冷）比的因素较多，包括流量、扬程、输送距离、效率等，其中提高水泵效率的节能效果比较明显，根据厂家数据，当水泵效率从0.65 提高到0.75 时，大多数水泵电耗下降可下降10%～15%。

8）运行管理问题

根据对多家医院的运行情况调研，很多二三线城市的医院自动化运行管理程度不高，甚至有的大型医院仍采用就地手动控制，供冷季，供热季和过渡季无法找到最佳运行模式，经常出现小温差大流量，空调过滤器没有及时清洗更换导致风机运转却送风不足等能源浪费的问题。大型医疗建筑冬夏季空调水量差异较大，在季节切换时很容易造成水力失衡的问题。过渡季内区发热量大，无法通过合理的空调水路切换达到合理又节能的降温。

2 医院空调系统运行特点

1）运行时间长

根据对医院运行状况的调研数据，选取寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的部分城市，列表比较空调运行时间。从表3 可看出由于本文前述的各种能耗因素，以及大量内区房间常年发热量稳定存在，大型医院综合楼的空调供冷时间都比较长。

表3 不同地区大型综合医院运行时间统计

2）空调季全天运行，空调水系统需要根据 24 h/ 10 h 运行区划分

对于大型医院综合楼，通常都包括门诊，医技和住院三大部分，在空调季住院部和急诊都需要全天 24 h 运行，而门诊和医技区大多只运行白天（10 h），为了降低空调运行能耗，空调水系统应将这两部分分开输送。

3）高峰低谷运行时段能耗差异较大

在夏季大型医院综合楼白天门诊及探视时段空调负荷较大，而在夜间仅有住院、急诊和重症监护等区域需要供应空调，往往这两部分负荷差异较大，根据工程经验，医院低谷运行时负荷占高峰负荷的 15%～20%。

4）净化空调特殊运行要求

大型综合医院通常都有较大的净化区域，主要有洁净手术部、中心供应灭菌后、静脉配液、生殖中心、净化实验室等，这些区域需要根据不同的空气净化等级设置净化空调系统。手术部和静脉配液等净化区域内部人员、设备、灯光发热量大。净化区为了保证内部净化等级，对于围护结构密闭性有严格要求导致热量散不出去。维持空气洁净等级要求的送风量较大，远远大于普通舒适性空调的风量。这些因素都导致净化区域需要全年内长时间供冷，而对于夏热冬暖地区和部分夏热冬冷地区甚至全年需要供冷。另外，由于净化空调冷负荷大，空气降温除湿要求高，送风精度要求高，导致制冷除湿后时需要较大再热量，常规做法多采用电再热，耗电量较大。综合这些因素都要求配置空调冷源时需充分考虑净化空调的需求，并结合其运行特点选择合理节能的空调形式。

3 医院空调系统冷热源选择要点

3.1 基本原则

每个医院空调系统冷热源的确定都需要考虑很多因素，归纳总结有以下几点：

1）建筑条件，地理位置，医院定位。

2）优先考虑技术稳定可靠，性能成熟的形式。

3）投资造价，运行能耗，维护管理。

3.2 几种常见冷热源形式选择注意事项

1）常规电制冷冷水机组+锅炉/市政换热

设计时需要充分考虑医疗建筑能耗特点，满足供冷，供热时的高峰和低谷负荷需求，要兼顾过渡季内区供冷需求，严寒和寒冷地区提前和延后供热的需求等，在选型配置时采用大小冷机/锅炉搭配、冷机变频等。

2）地源热泵+常规供能系统

由于医院能耗大，对于绿建要求高的医院可考虑利用可再生能源达到节能效果，如地源热泵和水源热泵系统。但是大型综合医院体量较大，红线内占地面积都较大，可敷设地埋管的面积有限，因此如果采用地源热泵系统大多数采用部分地源热泵+部分常规系统的复合冷热源方式。需要注意的是在确定方案前需要先调查工程用地状况，对浅层地热能资源进行勘察，并应进行岩土热响应试验，评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性，之后需要估算采用地源热泵系统的供能量占总能源需求量的比例，由于地源热泵系统 投资较高需要做经济技术比较，根据工程经验建议如果地源热泵比例低于30%就没有必要设置了。

3）水源热泵+常规供能系统

水源热泵与地源热泵系统类似，方案确定前需要先评估水源热泵系统的运行对当地地下水环境的影响，并勘探地下水深度、水量、水温、水质等情况，完成水资源论证报告后才能进行下一步的方案设计。

4）直燃型溴化锂机组系统

因为直燃型溴化锂机组的制冷能效不如电制冷机组高，所以笔者认为只有当工程用地的用电供应受限，或者燃气供应优惠较多的情况下才适合采用此种方式。使用时推荐采用一机多用的一体化机组，提高综合能效。选型配置时需要注意合理选择机组高压发生器，并且需满足医院内生活热水日负荷变化需求。

3.3 净化空调冷热源的几种配置方式

3.3.1 供冷（热）季采用集中冷（热）源+初冬季冬季末期设置风冷冷水机组

这种常规方式的优点是充分利用高效的集中冷源，减小风冷机组的投资和室外占地面积。但是在实际运行时大多会出现净化区冷水供应温度偏高，室内湿度过大的问题。造成这种情况的原因较多，比如系统输送距离长，保温未做好导致沿途能耗损失较大，水力失衡，过渡季内区供冷时无需低温冷冻水等原因，解决时如果采用降低冷冻水供水温度将造成极大的能源浪费。此时建议采用集中净化新风系统，在净化新风机组内增设深度除湿段，利用压缩机蒸发器再次降温除湿，此种方式耗电量较大，并且需要选择合适的室外机放置位置，或额外提供冷却水给冷凝器降温。建议净化新风机组智能化控制设置两种控制模式，即冷水盘管段与深度除湿段分别切换，便于根据冷冻水温和室内外工况进行切换，同时循环机组也应设置对应新风深度除湿工况时的冷水盘管和电再热工作模式。

3.3.2 单独设置风冷冷水机组作为净化区空调冷源

鉴于上述问题，在近两年的医疗建筑设计中出现了净化空调冷源单独设置的方案，净化区制冷时全部由风冷冷水机组提供冷冻水，这样可基本解决供水温度高除湿不够的问题，但是在机组选型时应该注意根据当地室外气候条件选择可低温制冷的机组，并且考虑可靠性和使用灵活性台数选择应大于等于两台并留有部分富裕量，另外应校核单台机组是否可满足手术部等净化区夜间最低负荷的使用需求。从节能角度出发，北方地区建议采用自然冷却型风冷冷水机组，大部分时间室外环境温度都较低，在过渡季可充分利用室外空气能量，使风冷机处于自然冷却状态，从而节省压缩机能耗。

3.3.3 采用多功能四管制机组作为净化空调冷热源

也可以采用多功能四管制机组作为净化空调冷热源，该机组通过内置辅助换热器，可实现全年同时制冷和制热，达到冷热平衡时的能效比可到8 以上。但是在设置时要注意尽量充分利用制冷时产生的热量，提高机组能效，建议可采用以下两种方式：

1）如果用于再热，需要核算总再热量后权衡是否所有净化机组都采用四管制机组。根据工程经验一般净化空调的再热总量占夏季制冷总量的30%～40%，所以建议不用全部采用四管制机组，可采用多台多种风冷机组搭配的方式。

2）如果热量用于生活热水预热一次水，建议设置水箱，储水量满足生活热水至少1 小时用量，以缓解生活热水负荷波动较大带来的影响。

4 总结

总而言之，如果想降低大型综合医院的能耗，需要对不同地区不同等级的医院做深入调查，并进一步分析研究，针对医院特点选择合理的能源形式并制定运行模式，才能降低医院的投资和运行成本，不断促进我国医院建设的良性循环和长远发展。