基于分散式布局医院供热系统节能实践研究

2022-07-21程子伟上海市中医医院上海200071

绿色建筑 2022年1期

程子伟（上海市中医医院，上海 200071）

上海交通大学医学院附属新华医院创建于 1958 年，从20 世纪 60 年代 1 万多平米的院区面积，发展到如今近约25 万 m2的规模。尤其近十年来，医院通过“就地重建或改建”方式，院区规模迅速扩大，功能不断增加。与此同时，医院供能方式基本没有进行大的调整，造成了医院既有供能系统与动态布局之间不相匹配的矛盾。医院采用集中供热方式，供应整个院区供热系统的采暖、生活热水、中心供应室和食堂。由于用户侧的负荷具有需求不同步、负荷率低等特征，在用户末端或系统的可调性受限的情况下，系统容易产生高能耗或低能效的问题。这也是节能技改的难点重点所在。

1 供热用能现状

2017 年，全院天然气用量为 305.2 万 m3，占全院总能耗的 22.3%。不同季节的燃气占全院总能耗的比重不同，2月份最高达到 39.0%。2017 年全院天然气碳（CO）排放量为 6 598 t。提高锅炉能效是目前医院最有效的减碳方式。

蒸汽密度小，所以本身产生的静压力小，适合超高层建筑。蒸汽不需任何外来压力，依靠本身压力克服系统阻力向前流动，适合远距离输送。新华医院实际应用及运行管理方面存在以下几点问题。

（1）系统能耗损失高。锅炉系统的蒸汽管道长约1 300 m，管网复杂、用能分布区域广、输送距离远、用能时间不一，系统易泄漏、锅炉连续排污、疏水器漏气、凝结水无回收率低等因素造成无效热损失较大[1]，通常占比 15%～20%。

（2）系统运行效率低。供暖季运行 2 台，锅炉系统平均负载率约为 3%；非供暖季仅运行 1 台，锅炉平均负载率为 19%。全年负载率较低，系统的季节和负荷适应性较差，出现“大马拉小车”现象。以夏季供热为例，由于此时热负荷减少，锅炉房基本上只有一个机组处于工作状态，在1 台机组工作时，机组的负荷率均处于 40% 以下。按照 GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规范要求，锅炉实际运行的负荷率宜≥50%。

（3）系统形式不合理。蒸汽的用能成本远高于热水使用成本；在低品位能源使用场合采用高能位能源的做法大大增加了燃气的消耗。新建的儿科综合楼 2020 年 8 月年竣工，新楼启用后，对比 2020 年 12 月与 2019 年锅炉燃气用量，发现上升了近 60%。初步分析是由于锅炉房与儿科综合楼距离最远，导致在能源输送方面造成了较大的浪费。

（4）系统潜在隐患较多。锅炉运行压力 1 MPa，蒸汽温度 184 ℃，高温高压，系统中安全阀、减压阀等泄压、减压元件较多，存在易损件，存在超压、泄漏、烫伤等潜在危险；锅炉排污、设备疏水、沿线蒸汽管道疏水引起的废热水排放，影响水泵、管道寿命[2]；系统中凝结水不能及时排净，“水击”效应明显，容易导致管道内壁腐蚀加剧。

2 解决方案分析

新华医院冷热源设计为冷机与蒸汽锅炉组合，其中高压蒸汽热媒是为灭菌而设定，使用场合主要是厨房及消毒供应中心，使用量不高，可改为就近安装蒸汽发生器。其特点是产汽快（180 s 左右），随用随开，噪声低、效率高，且蒸汽发生器不属于压力容器，所以与蒸汽锅炉相比更加安全[3]。由于医院变压器容量不足，不适合采用风冷热泵，最终采用用水锅炉的改造方式。热水锅炉从设备布局来说有 2 种方案，即集中式和分散式，以下就 2 种方案进行比较分析。

（1）方案 1：集中式供热。根据全院供暖及供生活热水的需求，拟选择 3 台 4 t 热水锅炉，供暖季开启 2 台，非供暖季开启 1 台；同时原“汽-水”换热器均更换成“水-水”板式换热器。根据运行记录分析，改造前蒸汽锅炉效率取 80%，蒸汽管道、疏水器、热交换器等综合热损失率取20%，则改造前蒸汽锅炉系统效率为 0.64。改造后锅炉热效率取 94%，则改造后节能量为标煤 961.9 t，单项技术节能率约为 31.9%。

该方案优点是锅炉房独立设置，设备初投资小、管理集中、运行人员投入少；缺点是热水传输路径长，热损耗高，热水管路需新增，而医院占地面积大，建筑结构复杂，施工难度大。

（2）方案 2：分散式供热。锅炉房分区域设置，以减少管网敷设对建筑的影响，较近的楼合并用一个锅炉房，可利用现有的 4 个换热站作为锅炉房设置点。改造可结合现有的管网输送路径分批进行，将原有 19 号楼、2 号楼、8 号楼、27 号楼等 4 个换热站区域陆续改造为热水锅炉机房，便于已有的空调水和生活热水管道连接。

该方案优点有：机组效率高，换热损失小，补水量小；输配效率高，热水传输路径短，管道不易泄露，布局灵活，散热损失小；管道设备维修成本低，随用随开，运行管理方便。缺点是设备初投资大，相比于集中式锅炉房由于锅炉房站点增多，运行人员成本相应有所增加。

综合比较上述 2 种方案，从可行性和运行稳定来说，选择方案 2 。

3 集中供热系统改造

2021 年，新华医院的锅炉改造工作正式启动。锅炉房和换热站是一个能量转换的场所，既是产能中心又是能耗大户[4]。改造工作首先从 19 号楼着手实施，主体思路是改变19 号楼的蒸汽热水供应方式，改蒸汽供热系统为热水供热系统。

3.1 设计方案

首先，将以往的集中蒸汽供应方式改造为分散型就近供应，切断蒸汽锅炉房对 19 号楼的蒸汽供应，在原 19 号楼地下 1 层容积式热交换器部位设置热水锅炉，供 19 号楼的生活热水和空调采暖。对 19 号楼地下 1 层容积式换热器进行重新布局：在机房的左半部分放置 2 台 3 t/h 的常压热水锅炉，在热水机房的右半部分设置 8 台水-水热交换器、4 组回水泵、4 台稳压罐和 3 台循环水泵。

3.2 设备选型

（1）拟增加热水锅炉选型见表 1。

表 1 新增锅炉设备清单

（2）拟更换换热设备选型见表 2。

表 2 生活热水和空调换热设备相关信息

4 节能效果

本次集中供热改造涉及建筑用热问题，因此对 19 号楼用热量进行计算分析。19 号楼全年需要供应生活热水，而采暖供应只在冬季进行，因此对 19 号楼的用能分 2 部分计算。

4.1 生活热水用能分析

对于医院建筑而言，生活热水需要全年供应，以满足病人对良好医院环境的追求。由于医院用水单位有 785 个，根据 GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》，故医院每天热水设计耗热量计算依据如式（1）所示。

式中：Qmd—平均日耗热量，kJ/d;

qmr—平均日热水用水定额，L/（床d），取85 L/（床d）；

C—水的比热，kJ/(kg·K)，取 4.187 kJ/(kg·K)；

tr1—水的温度，℃，取 60 ℃；

t1—冷水温度，℃，取 5 ℃；

ρr—热水密度，kg/L，取 0.98 kg/L；

no—用水单位个数；

bg—同类型卫生器具的同时使用百分数，取100%（b）。

把相关数值代入式（1），具体计算如下：

医院生活热水需要全年供应，故全年热水需要的热量为：

4.2 空调采暖热量分析

本次计算采用的热负荷为房间面积乘以每平方米的设计热负荷指标。根据《实用供热空调设计手册》，采用80 W/m2采暖热负荷。冬季，室外温度－4 ℃ 下，为达到室内温度 18 ℃ 的要求，供热系统向建筑物供给热量。采暖设计热负荷是指当室外温度为采暖室外计算温度，为了达到上述所要求的室内温度，供热系统在单位时间内向建筑物供给热量。冬季供暖时间一般为 3 个月，即 90 d。采暖供热量公式如式（2）所示。

式中：qf—单位建筑面积采暖热指标，W/m2；

F—建筑面积，m2。

实际采暖面积 31 556 m2。采暖需要热量计算如下。

实际每小时采暖所需热量：

整个采暖季需要的总热量为：

4.3 节能分析

通过对建筑耗热量的计算，可以得到整个大楼全年总热量：

此热量相当于消耗蒸汽量 9 920 t（252×104kJ 相当于蒸汽量 1 t）；相当于消耗标煤 853 t（标煤 1 t 相当于2.9×107kJ)；相当于消耗天然气量 74.4 万 m3（每吨蒸汽相当于消耗标准天然气 75 m3）；冷凝水排放热消耗损失 9 994 t×55 ℃×4.187 kJ/(kg·K)=2.3×109kJ(相当于节约标准天然气 6.8 万 m3)；蒸汽供给时的沿途管道损失，经测算一般沿途损失为 3% 左右，根据 19 号楼年标准天然气耗量（74.4 万 m3），可节省标准天然气 2.2 万 m3。

从以上分析可知，机房改造完成后可以节省标准天然气约 9 万 m3。因为采用的热水换热系统为闭式系统，不需要加入市政水，可以节水约 9 920 t。改造完成后节约费用如下。

（1）第一年可节约标准天然气 9 万 m3（燃气单价为 3.79 元/m³），可以节约天然气费用为：9 万 m3×3.79 元/m3＝34.1万元。

（2）第一年可节约市政水 9 920 t (自来水费用 4.86 元/t)，可以节约市政水费为：9 920×4.86 元/t＝4.8 万元。

从以上理论分析结果可知，如果把供热蒸汽锅炉改为热水供热锅炉，预计第一年可以节约 38.9 万元。