夏热冬冷地区医院高效机房改造方案

曾思景，汤振博

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 420000）

0 引言

2021 年10 月28 日国务院印发了《2030 年前碳达峰行动方案》，明确提出了实施城市节能降碳工程，开展建筑、交通、照明、供热等基础设施节能升级改造，推进先进绿色建筑技术示范应用，推动城市综合能效提升。推动既有设施绿色升级改造，积极推广使用高效制冷、先进通风、余热利用、智能化用能控制等技术，提高设施能效水平。

2009—2015 年我国民用建筑能耗年均增速为6.3%，而公共建筑能耗占比逐年增加，由17.6%增加至26.6%[1]。根据2020 年上海市公共建筑能耗监测平台能耗数据分析，医疗卫生建筑和商场建筑的用电强度明显高于其他类型的公共建筑，空调用电占比最好的建筑也为医疗卫生建筑[2]。因此通过对传统的医疗卫生建筑的能源系统进行分析，提出经济合理的能源供应方案，明确高效制冷机房设计方案，并对其进行全年能耗评估很有意义。

1 医院概况

1.1 建筑概况

该医院位于长沙市，一所集预防、保健、医疗、康复、科研和教学为一体三级甲等医院。医院包含住院楼、综合楼（含副楼进修楼），开设病床600 张，总建筑面积约3.9 万m2。

1.2 空调及生活热水现状

医院的空调系统冷热源机组及生活热水热源统一设置在综合楼地下机房内。综合楼面积23370m2，现状采用分体水环热泵系统，室内机总制冷量2280kW，夏季利用冷却塔散热，冬季由热水锅炉供热，供热量1.1MW。

住院楼面积15714m2，夏季由1 台螺杆式地源热泵机组、1 台模块式地源热泵机组及4 组单冷模块式水冷机供冷，总制冷量1732kW，热泵机组供热量539kW，热水锅炉供热量0.7MW；原设计方案冬季采用地源热泵进行供暖，由于季节性阀门切换，对于运行班组要求较高，实际运行时，冬季停用地源热泵，采用热水锅炉供热。由于系统运行10 年来，长期夏季向土壤排热，土壤温度升高，经过实测，夏季地埋侧冷却水出水温度为34℃。

综合楼及住院楼生活热水采用热水锅炉，供热量1.4MW。主要设备参数如表1 所示。

表1 主要设备参数

1.3 能源消耗现状

医院2018—2020 年用电量及天然气消耗量如表2所示。2018—2020 年逐月用电量如图1 所示。医院2018—2020 年逐月用电量总体上呈现夏冬季高、春秋季低的趋势，主要原因为医院夏季空调、冬季采暖用电量高。数据变化趋势符合夏热冬冷地区医院类公共建筑的用能特征。2020 年受到疫情的影响，年总用电略低于2019 年。耗电量及生物质燃料消耗量按照综合能耗计算通则[3]折算，3 年平均用能强度按照等量折算为28.24kgce/（m2·a）。

图1 2018—2020 年逐月用电量

表2 2018—2020 年用电量及天然气消耗量

1.4 能源系统存在的问题

（1）冷热源。①运行管理复杂，故障率高。目前住院楼冷源机组有3 种类型，6 台机组，管路连接复杂，占用机房面积，目前有1 台单冷模块式水冷机已坏待修。②设备老旧，效率低。空调主机备额定COP，较低运行12 年，效率衰减严重，模块机实测COP 为2.9，螺杆机实测COP 为3.3。

（2）循环水泵。①水泵设置不合理。住院楼冷冻水循环泵、地源侧循环泵与制冷机组流量不匹配，水泵缺少变频控制，无法根据负荷变化进行合理的运行调节，为定频水泵长期处于低效运行。②设备老旧比较严重。水泵运行时间超10 年，老化严重，能效衰减严重。

（3）冷却塔。设备老旧比较严重。冷却塔使用年期超10 年，填料损坏严重，效率低，实测供回水温差不足2℃。

（4）控制系统。医院冷站主机、水泵等均由人工进行启停及运行控制，系统无法根据负荷变化，实现主机、水泵的自动加机或减机运行，不利于系统节能运行及提升管理效率。由于缺乏自动控制系统，内科楼冬季舍弃高效的地源热泵机组，采用热水锅炉供暖，一方面系统能耗高，另一方面影响夏季制冷效率。

冷站的运行参数经设定后未做调整，没有根据末端负荷需求变化情况、室外环境温度变化情况，合理的调整供回水温度设定参数，存在较大的用冷浪费情况。

2 改造方案

2.1 负荷分析

由于住院楼和综合楼为独立的空调系统，且综合楼为水环热泵系统，对其进行改造难度较大且对医院的运行有较大影响，因此本次方案主要针对内科楼机房系统进行改造。

由于缺乏建筑围护结构设计资料，参考类似工程，住院楼冷指标取65W/m2，热指标取35W/m2，则内科楼冷负荷为1021kW，热负荷为550kW。内科楼兼有住院楼的功能，运行时间与宾馆类似，其逐时冷负荷系数参考宾馆类型建筑取值[4]，根据医院运行记录，医院的供冷期取4 月28 日至10 月18 日，采暖期取11 月19 日至次年3 月18 日，全年负荷计算结果如图2 所示。

图2 住院楼全年负荷预测

2.2 改造方案

（1）冷热源系统改造方案。考虑到现有土壤蓄热比较严重，地源热泵机组制冷效率较低。因此本次方案新增一台制冷量1055kW 的高效变频螺杆水冷机组，夏季供冷。

为充分利用土壤蓄热，新增一台制热量367kW 螺杆地源热泵机组，保留现状制热量400kW 螺杆地源热泵机组联合运行，总装机容量767kW。现阶段以地源热泵机组供暖为主，待土壤温度回落后，调整运行系统控制策略，保持土壤温度稳定在当地正常区间内。

综合楼、住院楼各新增2 台制热量为90kW，1 台制热量为40kW 的高效风冷热泵机组，联合1400kW 生活热水锅炉产生生活热水。

（2）管网改造方案。现有机房管路拆除，对机房管网进行重新设计。在以下方面进行了优化：①水泵入口采用低阻力角通式自动反冲洗过滤器代替Y 型过滤器。②水泵出口，采用低阻力偏心球形止回阀。③采用顺水三通、顺水弯头，45°弯头替代90°弯头。④提高水泵基础，水泵中心线与机组中心线在同一高度。

（3）控制系统。增加冷热源机房设群控系统，循环水泵采用变频水泵，冷却塔风机采用变频风机。

3 改造效果

改造后的内科大楼空调系统与2023 年8 月投入运行，系统稳定运行一周后，机房制冷系统EER 维持在5.0 以上，达到高效制冷机房标准。机房制冷系统EER实测值如图3 所示。

图3 机房制冷系统EER 实测值

空调系统最大负荷为1054kW 与前期方案阶段负荷测算保持一致。通过对逐时负荷进行统计得到，医院住院楼冷负荷时变化系数。住院楼冷负荷时变化系数如表3 所示。

表3 住院楼冷负荷时变化系数

4 结语

通过对医院空调系统的诊断，分析了空调系统在冷热源、水系统、控制系统存在的问题。提出了高效机房的设计方案。根据改造后的实测数据，验证了改造方案的实施效果，同时通过对医院住院楼冷负荷进行实时监测，得到了医院时变化曲线，为其他夏热冬冷地区医疗类建筑的冷热源选择提供了依据。