大型综合医院暖通空调系统绿色低碳新技术

1、综合医院建筑能耗现状
在工程建设领域，大型综合医院作为用能大户，建筑节能工作往往被忽视。究其原因，能耗费用在医院日常运营支出中的占比并不高。全国100家综合医院能耗统计数据表明，三级医院平均能源支出占医院总支出的 2.82%，各类医院的平均值为 2.09%。调查数据还揭示大型综合医院单位用能水平显著高于同地区的商业办公建筑，其中单位建筑面积空调能耗约为商业办公类建筑的 1.6-2.0 倍。
目前，长三角地区三级医院建筑能耗水平已经超过发达国家同等规模医院，其中英国医院建筑目前的平均水平为245KWh/m².a，英国现行节能标准要求新建医院的能耗水平不得超过 170KWh/m².a。并且随着医院业务需求和服务标准的提高，综合医院年均能耗水平上升的趋势还未根本改变。在可以预见的将来，如果不采取强有力的干预措施，医院的能耗水平还将继续攀升。加快建筑领域绿色低碳转型，实现建筑领域碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的系统性社会变革。节能是实现建筑领域绿色低碳目标的关键手段。可见，以往高投入、高消耗、高排放的粗放式的医院建设模式在新形势下将难以为继。考虑到综合医院的建设和用能的复杂性，扭转能耗上升趋势实现建筑碳达峰的任务十分艰巨。因此，新建医院应该未雨绸缪及早规划合理建筑节能方案和应用适用的绿色低碳措施，实现绿色低碳措施的同步规划、同步设计、同步建设、同步验收。
2、综合医院的用能特点
综合医院用能种类繁多，冷、热、电、水、蒸汽、天然气、医用气体。其中，采暖、通风、空气调节和供热能耗占有很大份额。各种统计均显示暖通空调和蒸汽动力系统的能耗在医用建筑总能耗中所占份额最大，位于杭州的某省级三甲医院的暖通空调能耗占医院总能耗的53%。发达国家的情形与此类似，日本医院典型暖通空调能耗占比值 51.7%，美国为67%。
3、新技术赋能医院建筑低碳新路径
实现节能减排，除了提高机电设备能效水平外，更要看到数字化、网络化、智能化为建筑节能注入的新动能、新机遇。人工智能与信息技术赋能建筑机电系统带来设备系统范式的转换和系统构架的变革。面向未来的医院机电系统将来不再是一个个孤立运行设备的组合。应用物联网和人工智能技术在整个医院院区尺度内全局协同和优化设备运行已经初见成效，并有了具体的实践。建筑信息模型（BIM）为医院物业设施管理和物业维保业务联动提供大量基础信息。新技术带来新思路、新措施，不仅给医院建设管理者新的启示，也为改善医院设备系统运营水平和节能带来全新的机遇。为适应上述新技术的发展，医院也应及时变革原有的后勤管理体系，打破内部班组、科室壁垒，探索与数据流相适应的全业务联动机制。医院能源供应形式的低碳化、用能管理的数字化将成为未来的长期趋势。医院建设者在规划医院的用能和能源供应方案时应该摒弃单一、静态思维，采取多元并举、基于权衡分析的全年能耗决策策略。把用能侧（如：医疗设备、空调冷源、热源、蒸汽、卫生热水、照明、电梯等）与能源供应侧（如：分布式能源、冷热电三联供、太阳能光伏光热及其他可资利用的再生能源系统）关联成一个院区级综合能源解决方案，实现创新驱动的高效、绿色、智慧的新系统。
4、新型高效能冷源的选择
（1）选用什么样的制冷主机？
医院约30-70% 的用能分布在门急诊部门，同时 25-40% 左右的分布在住院部。由于门急诊部门、医技部门和后勤办公部门的工作时间不一，医院暖通空调系统极少能达到设计预期的满负荷状态，即使是最炎热和最寒冷的极端天气也是如此。制冷供热主机装机容量偏大，大马拉小车的现象在医院普遍存在。实践证明，对医院冷热源主机系统配置方案实施优化，可带来巨大的初投资节省效益和运行效能提升。医院建筑常用的制冷主机形式有电制冷压缩式水冷冷水机组、风冷热泵冷热水机组、变频多联空调、溴化锂吸收式冷水机组等。
（2）水冷冷水机组的能效优势是什么？电力驱动的压缩式水冷冷水机组应该是大型综合性医院首选的供冷方式。压缩式水冷冷水机组使用冷却水通过冷却塔散热，相比其它制冷方式能源效率优势十分明显。通常单机容量越大，其节能优势越是明显。水冷冷水机组有多种不同的压缩机形式，其中离心压缩式和螺杆压缩式因单压缩机机制冷容量大、性价比高和可靠性好而受到普遍欢迎。除了冷却塔散热，江水、湖水、海水、地下水都是潜在的冷水机组散热源也是潜在的供热源。但是是否适用于具体项目，需要根据项目场址的自然资源条件做地质水文调查和需求分析，经技术经济比较后确定。在严重缺水地区，水冷冷水机组的应用受到一定的局限，因为冷却塔会耗费相当容量的水资源。缺水地区可以考虑风冷热泵作为替代方式。
（3）冷水机组是否需要变频驱动？
家用空调变频驱动已经成为主流，商用多联空调基本上都是变频机的天下。那么水冷冷水机组是否也应该考虑变频驱动呢？答案是肯定的。从节能效果看，冷水机组采用变频驱动后可以获得更高的能效，见图2，尤其是春秋季，变频机组的性能还会更加明显提升，这种能效特性对长江以南供冷季长的综合医院或内区较多的特大型医院建筑来说特别有吸引力。

从投资回报率看，冷水机组采用变频所追加的投资有限，其回收周期通常在3年左右。离心式水冷冷水机组采用变频驱动可降低压缩机叶轮喘振的风险，这也是设计师倾向于选用变频冷水机组的一个重要原因。离心式冷水机组的喘振会危及制冷主机的设备安全。定频离心式水冷冷水机组在制冷负荷下降到 30-40% 以下时即可能出现喘振。当应用变频驱动后，喘振点降低到 10-15%，基本化解喘振风险。
（4）医院使用变频驱动的动力设备应注意什么事项？
医院采用变频驱动的冷水机组需要注意大功率变频器谐波干扰对周边敏感医疗设备、仪器和植入心脏起搏器等敏感病人的影响。驱动冷水机组的工业级变频器会产生大量电磁干扰，电磁干扰通过电力电缆传导和空间辐射两种形式扩散。为了防止谐波干扰影响医疗设备的正常工作或危害病人安全需要对变频设备的总谐波畸变率THD 提出要求。通常变频冷水机组出厂 THD≤15%，如果采用变频主机或变频泵的制冷机房贴邻敏感医疗场合，则需要添加谐波柜抑制电源的谐波分量，使得电源 THD≤5%。
以往，医院多采用自建锅炉蒸汽供热。有集中供热的地区冬季采用热网集中供热，没有集中供热季的仍然自建锅炉蒸汽供热。医院供热主要用于采暖、供应室高温灭菌、洗衣房洗涤及消毒、制剂、餐饮、空调加湿、空调送风再热等，同时有卫生热水的需求。传统的做法是统一用蒸汽锅炉产汽，通过管道输送到用汽点。这一设计最大的问题是能源效率低，蒸汽容易跑冒滴漏，控制粗放，造成不必要的损耗。同时蒸汽系统部件易损，维修工作量大。
2020 年新版《锅炉房设计标 GB 50041-2020》指出：“供采暖、通风、空气调节和生活用热的锅炉房宜采用热水作为锅炉供热介质；以生产用汽为主的锅炉房应采用蒸汽作为锅炉供热介质”。从目前医院建设的趋势看，集中热水锅炉 +零散用汽点分设小型蒸汽锅炉或蒸汽发生器的解决方案最受欢迎。用零散汽点包括洗衣房、中心供应室、洁净手术部、厨房等，能源为燃气或电力。用汽点分设的蒸汽发生设备使用灵活、响应快、投资和管理成本低、无特殊消防和安全监察要求，从根本上避免了蒸汽锅炉年检年审、消防及专业操作工人持证上岗问题。
1）超低氮真空热水锅炉
工作原理：该类锅炉内部密闭腔通过抽气后形成一个真空腔，燃烧烟气加热真空腔中的热媒水使之在负压下沸腾产生水蒸汽。蒸汽在热水换热器管外凝结，将管内冷水加热升温后输出热水。真空腔的水蒸汽凝结后形成水滴流回炉膛被加热重新汽化，完成整个炉内循环。真空热水锅炉近年来应用越来越广泛，其极佳的安全性、承压供热的特点非常适合作为医院集中供热的热源。由于炉体是负压容器，其建设无需报审技术质量监督部门，使用也无需年检年审。真空热水锅炉相对蒸汽锅炉或承压热水锅炉，其技术优势为：负压运行无炉膛爆炸危险，升温快，启停热损失低，热效率高；通过内部换热，实现了供热系统的承压运行，又避免了换热器散热损失与二次换热水泵功耗。与“蒸汽锅炉＋换热器”的间接供热系统相比，投资与占地面积均有较大节省，适合地下室安装；整装成套设备，锅炉本体寿命长。新一代超低氮真空热水锅炉采用新型燃烧核心在全预混燃烧的基础上，通过利用相变锅炉热媒水冷却火焰的方式，大大降低了火焰温度，有效抑制了 NOX 的合成，实现了氮氧化物超低排放。采用水冷预混燃烧的燃气真空热水锅炉的总氮氧化物排放量 NOX: <20mg/m³。
2）模块化锅炉
模块化锅炉有紧凑的炉体设计，可以极大地降低锅炉安装所需的场地，为医院集中供热提供了新的解决方案，可以利用屋顶、室外空闲场地作为锅炉的安装场地，适合于城区用地紧张的医院，尤其适合于医院既有建筑的改造和医院原址改扩建工程和锅炉房的扩容增容。模块化锅炉通常内置远程智能管理系统，用于模块调度，这为建设和管理带来极大的便利性。室外安装的锅炉可实现无人值守操作，设备可以全自动运行，在手机或其他智能终端即可远程操作和监测设备运行情况，大大减少其他智能化子系统（如安防、办公自动化）之间传递信息和进行功能协调整合。有了 BAS，医院后勤管理部门可以方便的实现设备定时开机关机、空调室内温度控制、运行容量调节等远程操作或其他程序控制。
大型综合性医院，体量往往超过 20 万平方米，设备系统复杂而庞大，需要决策的运行参数众多，如何实现全局性、预见性的高效能运行控制，面临新挑战。BAS 兴起于 20 世纪 90 年代，系统构架和功能基于当时计算机算力和网络传输能力。时至今日，BAS 的局限性日益凸显，应对新需求传统的 BAS 方式显然捉襟见肘。应对这种挑战，现代医院建设应该超越 BAS 在功能和构架上的局限，积极引入以人工智能、大数据、云服务为主导技术的新一代空调运行管理系统。新的系统为集中式空调系统量身定制，利用大数据和云计算实现全链路智能运维控制。
医院建筑需要采集哪些数据、控制哪些设备、调节哪些参数？
人工智能、大数据、云服务为我们提供了全新的视角，在大数据中发现系统运维中存在的问题、在数据中挖掘节能潜力正是新兴技术赋能的结果。基于全链路智能控制系统，通过对空调系统各个环节实时数据的采集，将生产侧（冷热源）、输配侧（管网）与消费侧（末端空调用热设备）关联起来，实现高维度的预测性决策和整体协调一致的联动控制，从而达到全局性的能源最优化。这类智能化的中央空调集成控制系统在商业开发项目中已经得到充分验证，实际使用案例已经超过3000余个。通过技术改造应用此类系统，实现了管理决策的可视化和云端托管，为项目带来可观的节能效益、经济效益（空调节能率通常在25%以上）。
（5）其它节能设计措施有哪些？
1）供冷有没有免费的午餐？
医院在春秋两季也会有少量的供冷需求，经常出现的情况是供暖季刚刚结束，部分科室的供冷就提上日程。这时室外还十分凉爽，能不能不启动制冷主机也为医院供冷呢？答案是肯定的，除了加大新风供应来引入室外凉爽空气外，启动闲置的冷却塔也可以为医院“免费”供冷。冷却塔可以为医院提供低于室外大气温度 5℃左右的冷冻水。在早春和晚秋时节、以及夜间室外气温低的地区，通过特殊的管道设计，可以实现冷却塔免费供冷。这种供冷方式既节省制冷费用，又符合绿色低碳的要求。与冷水机组系统结合时，免费供冷技术还有利于规避制冷压缩机负荷下降时的喘振风险。浙江大学附属第一医院余杭院区设计时采用冷却塔免费供冷方案，在每年的 3-4 月期间为整个院区“免费”供冷，供冷时间长达一个月，深秋季节也可不开制冷主机免费供冷。项目建成后实际运行经济效益和社会效益十分明显，受到医院管理方的欢迎。
2）大温差空调水系统和风系统
随着医院规模的扩大，中央空调供冷、供热时的水泵风机能耗占比显著上升，一些医院反映尽管采购了高效制冷主机和锅炉，系统的能耗仍然处在高位，究其原因是泵和风机的动力消耗过高，甚至达到整个系统的40%-50%。常规中央空调系统的冷冻水和冷却水的供、回水设计温差通常为 5℃，大温差系统是指冷冻水或者冷却水温差大于5℃的空调水系统。大温差技术可减少系统流量，节约介质输送动力消耗，并可有效降低管路系统的初投资。实践表明，采用水侧大温差和送风侧大温差后，单位空调面积的管道造价节可降低25-30 元。供热系统同样可以采用大温差，可以类似地减少水泵的动力消耗。在建的浙江大学医学院附属第二医院柯桥未来医学中心定位为集医疗、教学、科研于一体的大型研究型三级甲等综合医院，工程总建筑面积50万平方米，设计床位 2000 床。其空调冷冻水风供回水温度为 6/13℃（采用 7℃大温差），冷却水采用常规温差。已建成投入实际运营的浙江大学医学院附属第一医院余杭院区，总建筑面积约为 306511 平方米，地上建筑面积约为 178824 平方米，地下建筑面积约为 127687 平方米。其空调冷冻水的供回水温度 6/14℃（采用 8℃大温差），冷却侧供回水温度 32/40℃（采用 8℃大温差）。仅这一项技术措施即可节省投资400万元，运行费用的节省也十分可观。
3）通风的需求侧管理
引入新风可以改善室内空气品质，但这并不意味着新风换气量越大就越好。在空调季节和采暖季节引入新风会显著增加空调和采暖能耗，还影响室内空气湿度控制效果。以长三角地区为例，用于新风处理的能耗通常占医院空调总能耗的 35-40%，全年用于新风处理的费用相当可观。与其在医院建成后再去节能改造，还不如尽早规划节能措施。新风、排风热回收或采取新风需求侧管理是节能效果显著的措施。医院建筑中主要功能房间中人员密度较高且随时间显著变化，这些区域可以考虑设置室内空气品质监控系统。室内空气污染物浓度检测与通风系统联动调节通风量，这样的系统称为通风需求侧管理。
新风、排风的需求侧管理还适用于室内污染物浓度波动幅度大的区域，例如病理科。实施新风需求侧管理首先要确定目标区域首要空气污染物是什么，确定其许可的上限值和目标值，通过实时监测该污染物浓度来调控所需新风换气量。调节方式可以是通断控制也可以通过变频调节流量。具体来说，对于门诊大厅、输液大厅、配药等候区人员密度波动大的区域可以采用二氧化碳浓度探测联动调节新风量的大小。在地下机动车停车库可以设置一氧化碳浓度传感器，按需启动通风风机。检验科、病理科可以采用挥发性有机物 VOCs 或甲醛、二甲苯传感器控制排风。即使是负压病房也可以根据不同的感染控制要求实施新风量的需求侧管理。现在，集成化的空气品质控制器已经非常廉价，基于二氧化碳的通风的需求侧管理也非常简便易行，可实现高度自动化的通风控制，能很好地兼顾空气品质和医院建筑运行能耗。