医院蒸汽锅炉节能改造案例分析

张颖慧，黄 婷（上海现代建筑规划设计研究院有限公司，上海 200040）

0 引 言

2014年7月1日起实施的GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》规定了锅炉烟气中烟尘、二氧化硫和氮氧化物的最高允许排放浓度和烟气黑度的排放限值。但迄今为止，很多医院采用的燃油、燃气锅炉已使用年限长达15年以上，为达到排放限值而被迫增加运行及维护成本。

随着我国医疗技术的快速发展，医院改造及扩建项目日益增加。在我国提倡节能减排的前提下，燃油、燃气锅炉的局限性也逐渐展现在人们面前。燃油、燃气锅炉在步入设备寿命的后半期时，锅炉老化、热效率降低、运行费用明显增加、维保成本也逐年升高，同时运行存在较大的安全隐患。因此，通过改造热水机房、锅炉房的能源设备及热水系统，做到节能减排，对医院的循环经济起着举足轻重的作用。如何改造，既安全、节能，又经济、环保，尤为重要。本文通过分析实际工程的使用现状，对改造方案进行综合阐述，提供一些改造的路径和思路。

1 锅炉设备使用现状

某医院门急诊医技综合楼(南楼和北楼)的空调供暖及生活热水热源采用2台燃气蒸汽锅炉及1台燃油蒸汽锅炉。蒸汽锅炉使用板式汽水热交换器实现热交换，为南楼和北楼部分提供冬季的空调供暖，并在每年4月至11月补充医院部分生活热水需求。空调供暖部分采用蒸汽管网输送，管网压力0.3 MPa。具体设备，如表1所示。整个医院全年用电量2 306万kW·h，锅炉天然气用量701 629 m3。

表1 某医院锅炉设备表

2 当前存在的主要问题

现有空调供暖及生活热水采用的热源为燃气、燃油蒸汽锅炉。蒸汽锅炉为特种设备，其工作原理较为复杂，系统中储存着大量的热能，锅炉外壳不仅要承受高温、高压，还要承受冷凝水的侵蚀。锅炉老化，热效率降低，运行、维保成本升高，同时运行存在较大的安全隐患。

医院现有蒸汽管道敷设在5号楼21病区的走廊下。根据压力管道设计基本要求，压力管道不应敷设在有人员活动的场所下，故此蒸汽管道也存在较大的安全隐患。

当前供锅炉的燃气管道因房屋沉降，沉降量已达7 cm，若沉降量达到安全警戒线10 cm，燃气公司为避免燃气泄漏引起中毒及爆炸事故，将切断气源，造成整个医院无气可供，将影响医院的供暖及生活热水供应。

燃气锅炉房天然气泄漏除了员工违章操作引起和外力引起外，还有很多原因，如燃气管线的泄漏、锅炉本体的泄漏、燃烧器泄漏等。而燃油的运输、储存的危险性高，同样易出现事故，严重时还会造成人员伤亡。

另外，锅炉运行对工作人员的技能要求较高，必须由培训合格并取得特种设备作业人员证的持证人员操作，使用中必须严格遵守操作规程和“八项制度”“六项记录”。因此，医院的人工成本也相应增加。

3 空调供暖及生活热水系统改造

3.1 改造的思路与目标

将存在安全隐患的蒸汽锅炉废除，彻底消除不安全因素，并且用节能产品取代蒸汽锅炉，减少有害气体排放，做到既环保又经济，在承担社会责任的同时，取得一定的经济效益。

3.2 替换设备方案比选

常用的替代燃气、燃油蒸汽锅炉设备为风冷热泵、空气源热泵。风冷热泵、空气源热泵及燃气蒸汽锅炉3种设备在制热性能、相对运行费用、内部结构、系统安装等方面的对比，如表2所示。

表2 能源设备综合对比分析表

与其他2种设备相比，燃气蒸汽锅炉因相对运行费用较高、占用建筑面积、需接入燃气且有安全隐患、会产生高温烟气污染大气等缺点，应被取而代之。

风冷热泵与空气源热泵虽然均具备供热功能，但却是不同的产品。对于一套蒸汽压缩式机组而言，由于制冷、制热的工况功能完全不一样，在这套机组设计的时候，必须有一个标准的工况和功能，在这个标准下，再兼顾到其他工况和功能的应用。要么是制冷工况，要么是制热工况，功能的差异必然导致设计理念的差异。对于风冷热泵而言，系统所有的元器件都是以满足制冷性能为先，再兼顾制热性能；而对于空气源热泵机组来说，系统所有的元器件都是先满足制热性能，再兼顾制冷性能。因此，从设备本身的设计原理来说，用于制热时，空气源热泵比风冷热泵更具优势。

3.3 空调供暖及生活热水系统改造方案

3.3.1 空调供暖能源机组改造

现大楼空调热源全部由蒸汽锅炉提供，为减少蒸汽的消耗及输送管道的消耗，现改造选用制热量为120 kW的54台空气源热泵热水机组，进行空调冬季热水的制取。根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，总建筑面积51 704 m2，单位面积热负荷65 W/m2，所需总热负荷为3 360.8 kW。选择54台空气源热泵机组KFXRS-120II替代原锅炉系统，为医院门急诊医技综合楼提供冬季供暖。机组额定工况下制热量6 480 kW，－2.2 ℃室外环境温度工况下机组制热量5 184 kW，－7 ℃室外环境温度工况下机组制热量3 560 kW，完全能够满足现有医院门急诊医技综合楼在冬季极端气温条件下的采暖需求。

采暖系统改造原理，如图1所示。空调空气源热泵机组屋顶平面布置，如图2所示。

图1 采暖改造系统原理图

图2 空调空气源热泵机组屋顶平面布置图

3.3.2 生活热水能源机组改造

医院目前的床位数1 234张，员工人数1 851人，按此配置来计算生活热水用量，每天需要278 t热水（55 ℃）。在冷水温度5 ℃时，日耗热量为16 216.7 kW·h。选用12台额定制热量为120 kW的空气源热泵热水机组，在5 ℃最冷工况下机组的制热量为23 040 kW·h，在－7 ℃气温下机组的制热量17 280 kW·h，完全能够满足病人及医务人员在冬季极端气温条件下的热水需求。

生活热水系统改造原理，如图3所示。生活热水空气源热泵机组屋面平面布置，如图4所示。

图3 生活热水系统改造原理图

图4 生活热水空气源热泵机组屋面平面布置图

3.3.3 空气源热泵热水机组震动及噪声控制

由于医院使用热水的高峰期集中在晚上，空气源热泵机组放置于室外屋顶，如果有较大的震动及噪声会通过空气传递至周围建筑和房间内，给病人及工作人员的休息和睡眠带来严重的困扰。因此，如何做好对空气源热泵设备的减震及降噪措施至关重要。

（1）运行震动的控制措施。在钢结构平台与混凝土柱子之间设置橡胶减震器，同时在设备基础下再设置减震装置（如图5所示）。2道减震措施降低混凝土材料的固有频率，消除混凝土的固体传声。

图5 钢结构平台减震措施安装

（2）噪声的控制措施。1号楼屋面设置的空气源热泵热水机组因离周边建筑距离较远，且高于附近居民建筑，按噪声向上传播的原理，对周边建筑无影响；3号楼裙房屋面设置的空气源热泵热水机组，虽然只有12台机组，噪声不大，但因上面有病房，届时将设置隔音板，将噪声降至最低限度，减少对病房的影响。

4 经济效益与环保效益分析

4.1 用电量计算

医院目前可用的配电系统主要有位于1号楼的2号变压器（主要提供冷冻机房制冷，单台总容 2 000 kV·A）及位于3号楼的5号和6号变压器（主要用于3号楼的新晃风冷热泵＋5号楼屋顶的双效风冷热泵＋3号楼照明及医疗设备等）。

所采用的空气源热水机组，其每台额定消耗功率为28.8 kW，采暖部分采用54台，热水部分采用12台，共计66台，总输入功率为1 900.8 kW。

目前医院剩余电容量约为1 500 kW，但用于制冷的3台1 758 kW的特灵机组，冬季冷水机组不运行，处于关闭状态，可借其用电量。冬天空气源热泵热水机组采暖，夏天特灵机组制冷，完全满足使用要求。主要利用位于1号楼的2号变压器配电容量，少部分可利用3号楼的5号变压器的配电容量。具体分配，如表3所示。

表3 配电分配表

选择空气源热泵热水机组代替锅炉制热，现有的用电量满足要求，无须新增电量。

4.2 天然气、柴油、空气能热水器成本计算

（1）天然气热水器成本。天然气的热转换率为70%，每立方天然气的最大热量Q＝35 615×70%＝24 930 kJ，则每吨热水的耗天然气量为：167 600÷24 930＝6.72 m³。天然气的价格为4.4元/m³（各地价格略有差异），则每吨热水费用为：6.72×4.4＝29.57元。

（2）柴油热水器成本。柴油的热转换率为70%，每千克柴油产生的最大热量Q＝42 738 ×70%＝29 917 kJ，则每吨热水所耗的柴油量为：167 600 ÷29 917＝5.6 kg。0号柴油为8元/kg（各地价格略有差异），则每吨热水费用为：5.6×8＝44.8元。

（3）空气能热水器成本。空气能热水器全年平均热效率是电热水器的3倍，每千瓦时电产生的热量Q＝3 603×95%×3＝10 268 kJ，则每吨热水的耗电量为：167 600÷10 268＝16.32 kW·h。根据商业用电（峰时段与谷时段)平均电价为0.558元/kW·h，则每吨热水费用为：16.32×0.558＝9.11元。

对比分析可知：理论上空气源热泵热水机组的经常费是天然气的1/3，是柴油的1/5。

4.3 经济效益分析

（1）直接经济效益。原锅炉2 0 1 5 年全年耗气量701 629 m³，总费用308万元；改造后超低温空气源热泵全年耗电量184万kW·h，总费用160万元，节约能源费用148万元。超低温空气源热泵系统智能化管理，可节省8个人力成本，节省费用120万元。原锅炉系统的维护费用每年120万元，可完全节省。节约费用表，如表4所示。设备生命周期内（按15年计算），医院可节约费用累计将达到5 820万元。医院锅炉供热系统节约费用率达到了48%，投资回收期约3.0～3.3a。

表4 空气源设备机组节约费用统计表

（2）间接经济效益。原锅炉房面积约420 m2，层高约8 m，有条件增加钢结构隔建成2层约800 m2室内空间，重新开发利用。

4.4 环保效益分析

空气源热泵机组创造约300 t标准煤/a的节能量，降低碳排放757 t/a，减少氮氧化物减排量2.19 t/a，减少二氧化硫排放量2.53 t/a。

5 结 语

在医院蒸汽锅炉节能改造中，用空气源热泵热水机组代替原有蒸汽锅炉，无安全风险，模块式机组根据不同季节、不同负荷，自动调整热泵热水机组运行的台数，智能调节，节能环保；用电与天然气的综合能耗比为1∶3.4，能大大降低日常运行费用，且引入智能管理平台，可实现无人管理，大大提高设备利用率，年产生直接经济效益可观，投资回收期短。这样的改造方案既彻底排除了安全隐患，又能取得经济、环保、节能、社会等综合效益。