医院能源站全生命周期节能改造与运维托管实践探究

任 祺 洪诗婕 朱永松

同济大学附属第十人民医院

0 引言

“碳达峰”和“碳中和”作为国家“十四五”八项重点任务之一，各行业都在为实现“双碳”的目标努力，如何利用绿色的发展理念，开展持续有效的节能减排工作是各领域都亟待解决的问题之一。医院建筑的属性与其它公共建筑不同，医院建筑使用的能源类型复杂，具有能耗高等特点[1]，且不同类型的医院能耗情况差异较大[2]，影响医院单位建筑面积能耗的因素也有所不同[3,4]，从单位建筑面积能耗来看，大型三甲综合医院的能耗水平最高[5]。因此，医院后勤管理部门的重点工作都包含有节能降耗[6]，医院开展节能工作不仅是在积极响应国家各项要求，而且为医院全面发展起到很好的助推作用。

根据当前大型医院能耗现状调查结果，暖通空调系统的能耗在医院各组成能耗占比中位列前茅[7]。因此，充分整合相关资源，在全面梳理医院各系统用能水平及分布的基础上，有针对性地开展专业化、精细化的能源站改造及后期运营管理，是医院做好节能降耗工作的重点和关键。

1 能源站节能改造前用能状况分析

1.1 改造前医院主要用能系统

上海市第十人民医院（暨同济大学附属第十人民医院，以下简称“十院”）创建于1910 年，位于上海市静安区，是卫生部首批三级甲等综合医院。实际总建筑面积约17.1万m2，包括内科医技综合楼、外科医技综合楼、门急诊楼、口腔楼、中医楼、行政楼等十多栋主要单体建筑，院内建筑集中，其中内、外科医技综合楼建筑面积占医院总建筑面积74%。能源站改造前主要的用能系统包括中央空调系统和蒸汽锅炉系统。

1）中央空调系统

中央空调系统冷热源由3 台直燃型溴化锂吸收式冷水机组和1 台定频螺杆式冷水机组组成，供应范围为内、外科医技综合楼。供冷时，冷负荷低峰时段运行螺杆式冷水机组，高峰时段运行2台直燃型溴化锂吸收式冷热水机组，其它时段运行1 台直燃型溴化锂吸收式冷热水机组。依据冷源运行记录数据计算出制冷季最大供冷量约为5 275 kW，单位建筑面积供冷量为44.5 W/m2。采暖时，热负荷高峰时段运行2 台直燃型溴化锂吸收式冷热水机组，其它时段运行1 台直燃型溴化锂吸收式冷热水机组，机组设定出水温度约为40 ℃。调研发现现场仅二次泵配有变频装置，但实际发现也只起到软启动作用，其它循环泵及冷却塔均是工频运行。冷却塔四周封闭，散热效果较差，运行噪声大。

2）蒸汽锅炉系统

蒸汽锅炉系统由2 台燃气蒸汽锅炉组成，供应外科医技综合楼生活热水、中医楼生活热水、员工浴室热水、食堂热水、食堂蒸汽、供应室蒸汽。蒸汽锅炉系统全年365 天运行，每天开启时间为3:00-20:00，属于1 用1 备的情况，隔天交替运行。设置的自动启闭模式为工作压力低于0.5 MPa时自动开启，工作压力高于0.77 Mpa时自动关闭。

1.2 改造前医院用能水平

改造前，十院用能种类主要为电力和天然气，图1和图2分别给出了改造前医院逐月电和天然气的使用量，由图1可以看出医院用电总量为2 359.1万kWh，用电高峰在6-9 月，制冷季和采暖季的用电量要高于过渡季，图2 可以看出医院用天然气总量为185.4万m3，用天然气高峰在7-9月以及12月至来年3 月，制冷季和采暖季用天然气量明显高于过渡季，分析可知制冷季和采暖季用天然气量明显更高的原因是冬夏季采暖或制冷使用的是直燃型溴化锂机组。

图1 改造前医院逐月用电量

图2 改造前医院逐月用天然气量

电力折标煤系数取0.288 kgce/kWh，天然气折标煤系数取1.299 71 kgce/m3，最终计算能源站改造前的能耗总折标煤量为9 203.9 tce，单位建筑面积综合能耗指标为57.4 kgce/(m2·a)。图3 给出了改造前蒸汽锅炉逐月用天然气量及其折标煤量，可以看出蒸汽锅炉用天然气总量为50.7 万m3，折合成标煤为659.0 tce，占总能耗折标煤量的7.2%，观察发现夏季天然气用量较冬季要少，这可能是因为夏季室外温度高，生活热水需求热量减少，以及蒸汽在输配过程中热损失减少。总体来说，逐月天然气用量较为平稳。

图3 改造前医院蒸汽锅炉逐月用天然气量及其折标煤量

2 能源站节能改造项目实施情况

医院采用合同能源管理方式对能源站实施高效节能改造，实施过程分为需求梳理调研、前期策划论证、工程项目管理三个阶段。在需求梳理调研阶段，首先对建筑基本信息和能耗数据进行梳理分析，再对室内环境及主要用能设备进行现场测试，找到空调冷热源系统、生活热水系统、蒸汽系统等主要用能系统可能存在的节能潜力，在充分分析现状的情况下设计了针对十院能源站的综合节能改造方案。在前期策划论证阶段，委托上海市质量监督检验技术研究院、上海市建筑科学研究院以及上海市计量院等专业评估机构对系统效率、节能量验证方法等进行评估校验，同时还组织专家论证会对改造方案进行讨论，双重评估保证了改造方案的专业性和可靠性，机构和专家一致认为方案合理可行、预期节能量测算依据充分，并建议后期由节能服务公司提供运营托管服务来保证节能效果。在工程项目管理阶段，结合BIM技术辅助空间规划和管线综合的设计与施工，实现建筑空间的充分利用，减少不必要的空间浪费，并严格落实安全质量管理，重点加强对材料和焊缝等工程质量的检验与监督。

改造方案包括集中冷源系统、集中热源系统、空调水系统、生活热水系统和蒸汽系统，表1为改造新增设备的主要性能参数及台数。

表1 改造新增主要设备性能参数

2.1 集中冷源改造

采用2台磁悬浮离心式冷水机组与2台变频螺杆式冷水机组代替原有的3台直燃型溴化锂冷热水机组（制冷），原有的1 台定频螺杆式冷水机组保留作为备用机组。磁悬浮离心式冷水机组具有超高能效、超低噪音、超低启动电流、低尺寸重量、超长使用寿命以及少维护的优点，并且在部分负荷下机组能效（IPLV）要高于其它形式的冷水机组。

2.2 集中热源改造

采用2 台超低氮真空热水机组（其中1 台是冷凝锅炉）代替原有的3 台直燃型溴化锂冷热水机组（采暖）。超低氮冷凝真空热水机组运用双级冷凝（空气预热+烟气冷凝）换热技术，既吸收显热又吸收潜热，大大提高了机组换热效率。该机组不仅供热效率高并且满足最近NOx排放的环保要求，同时属于免检产品并且操作简单，可以降低医院的管理成本。

2.3 空调水系统改造

采用高效水泵替换原有的老旧水泵，原有冷却塔被超低静音型高效冷却塔替代，二次泵、冷却泵、冷却塔风机变频运行，优化系统整体运行策略。超低静音型高效冷却塔通过放大塔形和采用机翼型低转速的专用风机叶片的方式来减少噪音污染，利用独特的结构设计来有效增大水膜面积，增大换热面积的同时也降低滴水的噪声。

2.4 生活热水系统改造

采用9台空气源热泵机组加蓄热水箱替换原有的蒸汽锅炉系统来提供院区的生活热水，利用夜间谷电的特点来运行空气源热泵机组，再利用蓄热水箱储存热水以供白天使用。十院采用直热式和循环式结合的新型加热方式来减少循环加热时间。一般地，空气源热泵机组热效率可达3.0以上，依据近年来电价与燃料价格情况，预估空气源热泵机组运行费用较蒸汽锅炉可节约50%以上。

2.5 蒸汽系统改造

采用2台高效蒸汽发生器替换原有的蒸汽锅炉系统（供蒸汽），全变频运行。高效蒸汽发生器平均排烟温度仅110 ℃，设计热效率达92%以上。机组可以极速产蒸汽，从开机到正常供应蒸汽只需3 min，是常规蒸汽锅炉启动速度的10倍，节省了启动能耗。

改造方案除了上述带来的节能效益外，还通过合理的规划布局，腾空建筑空间约1 000 m2，供医院应急消毒供应中心、病史室等功能用房使用，腾出原消毒供应中心空间改为5 间手术室，缓解了医疗业务用房紧缺现状，实现医疗建筑空间规划最优化、效益最大化。

3 能源站节能改造后运营管理

从建筑设施全生命周期的角度来看，运营阶段能耗在建筑总能耗中占比最大。因医院建筑具有能耗高、耗能设备数量及种类多、耗能系统复杂等特性，所以在实施节能改造后开展高质量的能源运营管理，对降低建筑全生命周期的能耗水平尤为重要。能源运营管理质量与效益主要取决于能源运营管理模式和专业化管理水平。

3.1 能源运营管理模式的选择

现有的医院能源运营管理模式包括医院自行管理、物业外包、节能服务公司托管三种。表2比较了这三种能源运营管理模式的优缺点，图4 直观展示了三种能源运营管理模式在团队建设与凝聚力、专业能力等七个方面的特征表现，可以看出节能服务公司具有专业的技术人才、优良的运营管理团队、丰富的工程经验，能为医院提供科学化、精细化、智能化的专业运营管理服务，既保障节能效果，又解决了医院后勤能源运营技术水平较低、成本难以控制、衔接与协调耗时耗力等问题，可以全方位提升医院后勤保障水平，因此针对医院建筑用能的特殊性，对比三种能源运营管理模式可知节能服务公司托管模式更适合医院。十院将采用合同能源管理方式实施改造的能源站交由原节能服务公司托管，以期实现能源设施管理的专业化、设备使用寿命与节能效益的最大化。

图4 三种能源运营管理模式比较

表2 不同能源运营管理模式的优缺点

3.2 专业化运营管理的探索

当前，国内医院后勤管理内容主要包括动力运维、物资供应、物业管理、餐饮服务等，涉及专业化能源管理内容的并不常见，原因与医院后勤专业化人才缺乏、管理水平不高有关。医院能源管理往往比较粗放，很难平衡好环境舒适度与节能管理的关系，从而影响了医护人员和患者的体验。与此同时，很多节能技改项目由于后勤运行、维护及调适水平不高而导致实施后节能效益不持续，设备使用寿命也难以得到保证。为此，十院探索将能源站交由专业节能服务公司管理，以期实现最优的设备运维管理、最佳的环境舒适度和最大的节能效益。

1）建立基于合作监督关系的运营管理组织

委托专业节能服务公司运营托管，不代表医院撒手不管，为确保达到预期节能效益并有所提升，医院必须与节能服务公司共同努力，方能达到理想目标。为此，医院成立了节能工作领导小组（由后勤副院长担任组长，相关职能部门处长担任组员）、节能工作小组（由后勤保障处处长担任组长，相关能源管理岗位负责人担任组员），以及由节能服务公司与后勤动力保障部门共同组建的能源站运营班组。日常运维交由节能服务公司派驻的项目经理全权负责，同时节能工作小组每月对能源站运行与能耗情况进行评估，确保设备运行完好和节能效益的实现。

2）定期实施能源站运营绩效考核

建立月度会议、季度考核、年度考核制度，每月后勤保障处组织召开能源站节能运行管理分析、评估及持续改进会议，每季度医院节能工作小组对能源站运营班组服务情况进行检查考核，考核结果与节能效益支付挂钩，每年度节能服务公司项目部向院方提交节能效益分析、设备运行维护、故障维修分析、人员培训情况总结报告，考核结果与托管服务合同续签挂钩。

3）建立专业化外包服务管理制度体系

通过建立设备运行维保管理制度、运营节能降耗管理制度、中央空调设备运行管理制度、蒸汽发生器应急措施、设备事故管理制度、维修材料出入库规定等三十余项管理制度，以及系统化、科学化地培训和管理运行操作人员等，提升能源站运营管理效率。通过管理制度体系的保障来进一步加强医院和运营公司的用能行为管理。

4）实现精细化的设备管理

专业节能服务公司对设备有更深入的了解，会全方位分析不同维度的影响因素对系统的影响，如冷机换热器结垢对能耗的影响、中央空调制冷控制逻辑及耗电设备参数、水泵开启台数和频率对能耗的影响、生活热水系统控制逻辑及耗电设备参数等，通过专业化分析实现对设备的精细化管理。

5）建立智能化能源管理平台

为了提高运营管理水平，本项目中还引入了可视化管理、EDS系统、能源站智控平台、TPM看板等管理手段（如图5、6所示）。能源站远程管理平台可实现冷热源系统远程监控、能耗分项计量统计、能耗查询（电、天然气、冷／热量、蒸汽量）、能耗对比分析、能源站能效管理等，还可利用监控平台对系统控制逻辑参数进行设定、分类实时显示计量仪表数据、能源设备台账调取等，在提高效率的同时，还大大提高了医院后勤智能化管理水平。

图6 智能化能源管理平台

4 能源站全生命周期改造与运维托管实践成效

图7给出了十院能源站改造完成后运维托管第一年的用能数据分析，图中展示制冷、采暖、生活热水以及蒸汽系统逐月实际运行能耗折标煤量及占比情况。

图7 用能系统逐月能耗折标煤量

分析可知在能源站运维托管一年后，全年能耗折标煤量为1 296.2 tce，而改造前仅3 台直燃型溴化锂机组和2台蒸汽锅炉的全年能耗折标煤量已有2 301.8 tce，对比十院能源站改造前后能耗，显示改造及运营效果优良。

改造后，制冷系统、采暖系统、生活热水系统、蒸汽系统全年能耗折标煤量分别为341.9 tce、514.7 tce、157.1 tce、282.6 tce，分别占能源站全年能耗折标煤量的26.4%、39.7%、12.1%、21.8%，可以看出空调系统能耗为能源站的主要能耗，应在今后运营中予以重点关注并实现精细化调控。

图8 给出了运行一年后能源站制冷、采暖以及生活热水系统逐月能效比的情况。制冷系统逐月能效比均在5.0 以上，全制冷季系统平均能效比为5.6；采暖系统逐月能效比均在0.8 以上，全采暖季系统平均能效比为0.87；生活热水系统逐月能效比在2~4之间波动，冬季系统平均能效比为2.5，夏季系统平均能效比为3.6，过渡季节系统平均能效比为3.0，全年系统平均能效比为3.1。

图8 用能系统逐月能效比

通过各用能系统能效比数据分析可知节能服务公司托管下十院能源站运行良好，实现了高效节能，改造后实际运行第一年节约费用约350万元，节约1 441 tce，综合节标煤率达15.7%，运行第二年节约费用约407 万元，节约1 625 tce，综合节标煤率达17.7%，达到“上海市公共建筑能效提升重点城市示范项目”的标准。项目于2020 年获得了全国“蓝天杯高效机房优秀工程—卓越节能技术奖”，并由于近年医院后勤持续推动包括能源站节能改造在内的节能管理系列工作，医院能耗水平始终位于全国和上海市同级同类医院前列，2019年国家公立医院绩效考核能耗指标获得满分，2020年被国管局、国家发改委、财政部授予“公共机构能效领跑者”称号。

5 总结与体会

通过实践发现，采用合同能源管理（EMC）方式对能源站实施高效节能改造，并基于全生命周期的理念进行专业化运维托管，节能成效显著，该模式可为其他医院的节能改造与专业运维管理模式提供思路，有助于提升医院节能管理的社会化、专业化、精细化水平。但在实践过程中还应充分考虑医院组织管理特点、实施环节控制、环境舒适需求与节能效益相平衡等实际情况，在改造前期准备阶段和后期运维阶段中值得关注的有以下5 点。

1）通过合同能源管理方式进行的节能改造项目，涉及的技术、经济、管理等专业知识较多，过程中会有不同的部门、不同的技术或管理背景人员介入，需要沟通的事项和协调的部门也较多，因此医院后勤部门需加强与节能技术服务公司、医院内部各部门和医院领导之间的有效沟通，避免出现因对节能知识了解不全面、对后勤现状缺乏认识和对EMC 财务核算方式不理解等因素而导致的节能改造项目流产以及运营托管过程中的争议。

2）要实现全生命周期的节能改造与运营管理目标，除了要有专业的节能服务公司与项目团队外，必须在实施前明确医院的改造需求、现场情况、效益目标和运营管理标准，通过各方专业机构或力量获得准确的能耗计量和基准测算结果，并结合医院实际对改造与运维方案进行科学论证，明晰实施效益与风险因素、提出合理化建议，确保项目的顺利实施。

3）在能源站运营管理中需关注系统运行数据采集的精准度，定期对往期运行数据进行充分的分析与研究，深入探寻不同功能建筑、不同业务时段、不同季节天气负荷需求下的最佳运行策略，包括机组运行方式、开启台数及运行时长等，基于理论知识并结合机组特性、环境参数，灵活运用自控技术，降低人为操控行为产生的不必要能耗。

4）在确保节能的同时，还需充分考虑各机组的最佳运行模式，并且制订合理且严格的维护保养计划，尽可能延长机组的寿命，以保证机组长期处于高效稳定的运行状态，满足医院全年不间断的用能需求。

5）合同能源管理在众多行业的实践运用中被证实是行之有效、值得大力推广的节能改造模式，但国内对其开展的研究深度较浅，对该模式本身存在的一些弊端以及可能产生的风险分析还不够全面。如何发挥出合同能源管理及运维托管模式的最大优势，在保证医院环境舒适的前提下取得节能效益最大化，避免出现节能服务公司过度追求经济效益而背离节能改造初衷的情况，是值得双方重点关注的。因此院方应加强对能源系统日常运行管理的监督，完善机组开启运行操作规程，与运维管理人员共同探寻舒适与节能之间的最佳运行平衡点。