刘华斌 王羽珊

中南建筑设计院股份有限公司

近十年来医疗建筑迅速发展，新建医院不仅数量多，而且体量大，至2015 年全国医院数量超过27000家，近几年全国每年新增医院数量超过1000 家，单个医院建筑面积有的达到50 万m2左右。医院建筑是民用建筑的能耗大户，单位建筑面积综合能耗甚至达到150 kgce/(m2·a)[1]。而医院空调能耗约占整个建筑能耗的40%～60%，因此医院建筑空调系统的节能设计是建筑节能重要的环节之一。《绿色医院建筑评价标准》GB/T51153-2015 作为国家标准已在2016 年发布，设计者应根据标准要求结合项目所在地能源情况，在实现医院绿色、高效、优质可持续发展过程中积极探索，总结经验，从设计源头上做好医疗建筑的节能工作。本文根据普仁医院2017～2018 年实际运行数据分析该医院全年能耗指标，并比对夏热冬冷地区三省市相关能耗定额标准及部分类似医院的能耗数据，认为合理的空调冷热源系统是该院全年综合能耗较低的关键因素，文中并对该空调系统的经济性作了相关分析。

1 工程概况

武汉市普仁医院门诊和住院部大楼项目位于武汉市青山区，项目占地面积为1168 m2，建筑物地下室为汽车库，设备用房及部分医技用房，主楼主要功能为住院部及手术室，共20 层，建筑高度为76.20 m，裙楼为门诊楼，共五层，主要功能为门诊及部分医技用房，建筑高度21 m。大楼总建筑面积约50060 m2，其中地上建筑面积约42200 m2，属一类高层公共建筑。

本项目邻近长江，地下水丰富，回灌情况良好，经技术经济分析采用水源热泵空调系统具有较好的经济性，最终该项目采用“水源热泵+冰蓄冷”的空调冷热源方式，并采用热回收技术在大楼供冷季节“免费”提供医院住院部卫生热水，共设有四台水源热泵机组，额定工况制冷量1097 kW，其中两台为“供冷、供热及蓄冰”的三工况机组，两台带全热回收功能的热回收型水源热泵机组。

该项目已作为武汉市可再生能源建筑应用示范项目，示范工程技术类型为水源热泵系统，并已通过可再生能源建筑应用示范项目验收，获得政府节能项目支持基金100 多万元。

2 空调冷热源系统

2.1 室内设计参数

室内设计参数如表1 所示。

表1 室内设计参数

2.2 冷热负荷

夏季空调计算冷负荷为4740 kW，冬季空调计算热负荷为3260 kW，夏季空调设计日总冷负荷为58000 kWh。

2.3 冷热源及水系统

1）设计采用四台水源热泵机组利用地下水制冷制热，其中两台为三工况机组：制冷工况、制热工况、蓄冰工况，另两台为热回收机组，为医院提供卫生热水。热回收型水源热泵机组名义工况制冷量1100 kW，制热量1200 kW。三工况水源热泵机组名义工况制冷量1080 kW，制热量1170 kW，蓄冰工况制冷量700 kW。制冷工况供回水温度6/13℃，蓄冰工况供回水温度-6/-2.6 ℃，供冷时乙二醇溶液供回水温度4.5/9.5 ℃，选用二台蓄冷量为60000 kWh 的蓄冰罐，选用一台80 m3蓄热水箱储藏热回收机组制备的卫生热水，蓄冰罐及机组均设置在地下室内。

2）空调冷水设计供回水温度6/13 ℃，空调热水设计供回水温度47/40 ℃，空调水系统采用一级泵变流量系统。

3）在本项目非建筑物场地处共设置17 口能量井，各井孔径均为600 mm，管径均为325 mm，单井取水量100 m3/h，单井回灌量38 m3/h，抽灌比采用1:3 的比例进行配置，17 口能量井中包括：抽水井4 口、回灌井12 口、监测井1 口，小时最大抽水量400 m3/h。

3 能耗分析

3.1 国内部分三甲医院能耗现状

现有医疗建筑由于科室多，用能单位多，计量设备不够完善，并受统计源数据的准确性、统计方式等因素影响，导致医疗建筑能耗统计数据不够完善，系统性分析数据缺失，为了分析的准确性，本文收集了夏热冬冷地区及北京市三甲医院的几组能耗统计数据。根据文献[2]介绍，上海市11 家三甲医院2002～2007 单位面积年均能耗均超过200 kWh/(m2·a)。宁波地区25 家医院电耗 在74～142 kWh/(m2·a)，其中床位数在1200～1600 床医院的平均电耗在142 kWh/ (m2·a)，文献[5]统计了上海市3 家三甲医院的能耗，3 家医院建筑面积在8.2～10 万m2区间内，三家医院单位面积年均能耗分别为212.9 kWh/ (m2·a)、196.4 kWh/(m2·a)、203.7 kWh/(m2·a)。文献[6]对北京市21 家市属医院总能耗调研的数据，剔除疗养性质的医院,2012 年8 家三甲综合医院的总能耗各自分布在42～145 kgce/(m2·a)之间。文献[7]对武汉12 家医院2013 年的用能规模进行了统计，能耗分布在23～65.5 kgce/(m2·a)之间，三甲综合性医院能耗平均值约35 kgce/(m2·a)，三甲专业性医院能耗平均值约23 kgce/(m2·a)，文献[1]对浙江省30 家医院2007 年的用能规模进行了统计，三甲医院能耗平均值约63.36 kgce/(m2·a)，能耗范围在28.3～150 kgce/(m2·a)之间。根据上述文献调研数据，夏热冬冷地区几个城市的三甲医院年均综合能耗约在23～150 kgce/(m2·a)之间，部分医院综合能耗指标偏高，具有一定的节能潜力。

3.2 普仁医院能耗分析

3.2.1 全院能耗

普仁医院为一所三级甲等医院，医院总建筑面积约82000 m2，其中新建门诊和住院部大楼地上建筑面积42200 m2，地下室建筑面积7860 m2，原有医疗生产用房约31940 m2，新建门诊和住院部大楼采用集中空调，其它区域采用分体空调，用能场所有空调、照明、电梯、医疗设备、消毒等，全部采用电能，医院2015 年～2018 年全院逐月电耗详图1；图2、图3 是医院2017年～2018 年全院电耗与空调电耗对比图。

图1 2015-2018 年全院逐月耗电量

图2 2017 年全院耗电与空调耗电对比

图3 2018 年全院耗电与空调耗电对比

图2、图3 可以看出，医院电耗与空调系统电耗成正相关关系，空调系统耗电增加，整个医院能耗随之增加，且本项目空调电耗约占全院电耗41%，因此空调节能是医院建筑节能的主要因素。

2016 年、2017 年、2018 年全院电耗分别约954.4万kWh、928.7 万kWh、1069.1 kWh，2018 年电耗中因含二期医院建设施工用电，电耗有小幅增高，整个医院单位面积电耗指标小于130 W/(m2·a)，单位面积综合能耗指标小于16 kgce/(m2·a)，远低于三个气候相近省份的地方标准达标值，达到湖南省地方标准DB43T-612-2015 先进值要求，具体对比数据详表2。

1.3 采样时间和地点 2018年冬季、夏季各采样一次，生活垃圾样品采集于海岛垃圾转运站，生活污水采集于海岛污水处理厂。

表2 本项目单位面积综合能耗与类似地区标准对比表

3.2.2 新建住门诊院大楼冷热源能耗分析

2017 年，2018 年门诊和住院部大楼冷热源机房电耗分别约206.52 万kWh、224.19 万kWh，含空调及卫生热水两部分电耗，全年单位面积电耗指标分别为48.9 kWh/(m2·a)、53.1 kWh/(m2·a)，折合标准煤约6 kgce/(m2·a)，空调及卫生热水系统能耗值仅为“地方标准2”规定的医院全部能耗定额值的20%，而常规空调系统占比一般在40%以上。夏季制冷（含卫生热水）单位面积电耗指标分别为29.5 kWh/(m2·a)、28.8 kWh/(m2·a)，折合标准煤约3.6 kgce/(m2·a)，根据全年能耗计算结果，该医院空调系统能耗占整个建筑能耗41%，而本项目空调末端采用常规的AHU 和FCU+PAU 空调系统，节能的主要来源为医院空调系统的冷热源，图4 为2017-2018 年空调冷热源及卫生热水逐月耗电量，4、5、11 月份主要为卫生热水用电。图5、图6 为新建住院大楼2017 年及2018 年冷热源电耗，全楼空调电耗与全楼总电耗分析对比图，夏季冷源耗电量不超过大楼总耗电量30%。

图4 2017-2018 空调冷热源及卫生热水逐月耗电量

图5 2017 年空调电耗与大楼总电耗对比

图6 2018 年空调电耗与大楼总电耗对比

3.2.3 本医院能耗与三地标准及部分医院能耗对比

图7、图8 是本医院综合能耗与三地标准及部分医院对比图，图7 能耗指标为标准煤，图8 能耗指标为等效电。从图7 可以看出，按标准煤指标考核本项目能耗水平很低，体现了可再生能源及热泵系统有较好的节能环保效益；需要说明的是图中“标准3”电能折标煤的参考系数是按等价值0.3 换算，不是按当量值换算，是导致标“准能3”能耗定额偏高的原因。这也说明了一个问题，各地在编制能耗定额时宜统一换算单位以利于横向比较；从图8 可以看出，按等效电指标考核本项目能耗水平也较低，低于统计中上海几家医院的能耗水平，因本项目采用冰蓄冷系统，在蓄冷工况，主机效率下降较多，导致制冷主机实际电耗有所提高，但总体能耗还是维持在一个较低的水平。

图7 本项目与参照项目单位面积能耗（标准煤）对比

图8 本项目与参照项目单位面积能耗（等效电）对比

4 经济性分析

4.1 系统投资及预期效益

1）本工程采用水源热泵空调系统，供冷季节为5月～10 月，共130 天左右，按门诊运行10 小时，住院楼运行24 小时，按时间及负荷折算后夏季空调平均每天运行约14 小时，共计运行1820 小时，考虑0.65 的满负荷等当量系数，共计约1180 小时。武汉地区供暖季节为11 月～2 月，共100 天左右，冬季共计运行1400小时，考虑0.7 的满负荷等当量系数，共计约980 小时。冷热源部分经济分析数据详表3，卫生热经济分析数据详表4。

表3 冷热源部分经济性比较

表4 卫生热水部分经济性比较

2）系统投资：本项目水源热泵空调供暖系统总投资约1037 万元，与常规的“电制冷机组+锅炉”相比，增量成本237 万元。

3）年节省运行费用：本工程空调及卫生热水部分每年共节约147.41 万元的空调费用。

4）总体收益：水源热泵空调系统寿命期按25 年计，则在寿命期内的总收益为：147.41 万元/年×25 年=3685 万元。

5）静态投资回收期：2 年内回收水源热泵及冰蓄冷空调系统增值费用。

6）空调系统节能节费原因简析：Ⅰ、水源热泵机组能效比高，尤其是冬季制热能效比高于其他系统较多。采用该项技术年节省空调运行费用约67 万元，节费占比45.5%。Ⅱ、采用冰蓄冷系统，利用夜间低谷电价制冷，制冷综合电价不超过普通电价75%，采用该项技术年节省空调运行费用约38.15 万元，节费占比25.8%。Ⅲ、采用全热回收技术，供冷季回收机组冷凝热，“免费”提供卫生热水，其它季节采用高效能的水源热泵机组供应住院楼全部卫生热水，并可在夜间低谷电时蓄热，采用该项技术年节省卫生热水制备费用约42.26 万元，节费占比28.7%。

4.2 环境效益

该项目每年预计可节约545 吨标准煤，每年减排1346 吨二氧化碳，减排10.9 吨二氧化硫，减排11.2 吨一氧化碳，减排5.45 吨烟尘。

5 结语

本项目通过水源热泵技术，冰蓄冷技术及热回收技术的应用，从而使得建筑能耗降低10%左右，空调及卫生热水运行费用年节省140 多万元，项目静态投资回收期仅约1.7 年。项目实际能耗指标优于同类地区相关标准要求。

本文分析研究表明，可再生能源的应用，采用热泵型空调系统，是降低医院建筑能耗非常有效的手段之一。分析认为，建筑节能应从源头抓起，医院建筑空调系统、卫生热水的节能是建筑节能的关键因素。在关注建筑能耗的同时，也应关注在降低能耗采用的新技术过程中带来相关成本的增加，不要一味追求节能而给企业带来过多的经济负担，应根据项目周边的能源及资源条件，通过技术经济分析确定合理的节能方案，用较低的代价起得最好的节能效果。