醫(yī)院建筑能耗控制與熱能控制的研究

醫(yī)院建筑能耗控制與熱能控制的研究

0醫(yī)院冷熱源選擇、系統(tǒng)配置采用的方法是醫(yī)院能源之路或在用能上所能的現(xiàn)在，節(jié)能和減稅的重要性已經(jīng)眾所周知，是中國長期的一項重要國家戰(zhàn)略。醫(yī)院建筑節(jié)能將成為下一個關注的熱點,醫(yī)院建筑節(jié)能的前提是保證醫(yī)療需求與控制院內(nèi)感染。隨著醫(yī)療技術進步、診療設備發(fā)展,醫(yī)院建筑規(guī)模擴大,各科室環(huán)境的控制標準提高,在未來一段時間內(nèi),醫(yī)院建筑能耗絕對值仍可能有所上升。如果單純地降低能耗、提高能源使用效率是不可能有效解決醫(yī)院節(jié)能問題的,必須從源頭治起,找出不合理耗能的癥結(jié)。即將頒布的《綜合醫(yī)院建筑技術規(guī)范》第7.1.9條明確規(guī)定:“醫(yī)院冷熱源選擇應根據(jù)醫(yī)院用能的特點、合理利用能源、提高能源利用率和節(jié)約能源。冷熱源設備及其系統(tǒng)應考慮到不同科室環(huán)境控制要求、運行的特點和減少環(huán)境負荷,應具有可靠性、安全性、經(jīng)濟性和方便維護、管理”。這涉及到兩個問題,一個是冷熱源選擇,另一個是系統(tǒng)配置。解決這兩個問題的依據(jù)是醫(yī)院的用能特點。那么我國醫(yī)院及其用能有什么特點呢?筆者在2007年對“十五”期間上海申康醫(yī)院發(fā)展中心所轄14家市級三級甲等醫(yī)院(16個院區(qū))近5年來的新、改、擴建醫(yī)療建筑從設計、建造到運行管理的全過程進行了系統(tǒng)的調(diào)查統(tǒng)計、實地測試和分析診斷,運用醫(yī)療建筑綜合評價體系對統(tǒng)計總體和主體醫(yī)療建筑進行了綜合評價。國內(nèi)醫(yī)院的面積大、人數(shù)多(就診人數(shù)、手術人數(shù)、看望陪同人員等)、人流路線混雜(主因是病患自我服務),是世界上無論哪個國家都難以比擬的,加大了醫(yī)療環(huán)境控制的難度。近年來醫(yī)院建設由單體建筑組合群趨向于向大體量的綜合樓發(fā)展,趨向于采用全空調(diào)環(huán)境、先進的醫(yī)療設備與設施系統(tǒng)。如將醫(yī)療環(huán)境控制分類,一類是量大面廣的一般科室,如普通病房等,只需季節(jié)性舒適空調(diào);另一類是數(shù)量相對較少的有無菌控制要求的關鍵科室(部),如手術室等,需全年空調(diào),特別是濕度控制是保障無菌環(huán)境的關鍵因素。醫(yī)院能耗中院內(nèi)環(huán)境控制(空調(diào)、通風)與供熱(熱水、蒸汽)耗能占有最大份額。近年來空調(diào)能耗占總能耗的比例從32%提高到39%,而熱水能耗占總能耗比例提高得更多,從15%提高到30%,有的醫(yī)院不得不靠計費洗浴來控制熱水消耗。熱水耗量與醫(yī)護人員感染控制和患者康復有著密切的關系。單純抑制需求,不是醫(yī)院節(jié)能之路?？偠灾?兩類不同控制要求的科室和日益增多的熱水耗量,是醫(yī)院用能的最顯著特點。1傳統(tǒng)冷源和節(jié)能1.1冷熱源、低熱模型目前醫(yī)院傳統(tǒng)冷熱源及其配置與醫(yī)院用能特點不符。醫(yī)院傳統(tǒng)冷熱源大多為冷水機組(多為壓縮式)與鍋爐(多為蒸汽)組合,并由冷熱源集中供給大樓中各功能空間所需的冷媒與熱媒。這種集中式冷源、熱源供給系統(tǒng)的媒介與溫度是根據(jù)要求最高的空間的控制參數(shù)設定的,常常采用7℃冷水冷媒和高壓蒸汽熱媒,對于要求較低的空間則可采用調(diào)質(zhì)(如將蒸汽變?yōu)椴煌瑴囟鹊臒崴?或調(diào)量(如改變冷水流量)等措施進行運行調(diào)節(jié),使得醫(yī)院建筑各功能空間得到有效的控制。這種傳統(tǒng)冷熱源及其配置理念其實來自于公共建筑。公共建筑各功能空間均為舒適性空調(diào),差異不大,而醫(yī)院卻有兩類不同控制要求的科室。醫(yī)院傳統(tǒng)集中熱源的配置源自燃煤鍋爐的概念。過去,在我國燃料結(jié)構(gòu)中以燃煤為主,為提高燃燒和除塵效率,要求盡可能地使用大型鍋爐。因為燃煤鍋爐越大,其效率越高、節(jié)能效果越顯著,產(chǎn)生的污染也就相對越小,也容易消除。而且蒸汽熱值高、壓力大、輸送距離遠,在院內(nèi)設置龐大高壓蒸汽供熱網(wǎng),用戶側(cè)就地安裝汽水換熱器成為傳統(tǒng)設計。多年來醫(yī)院這種傳統(tǒng)冷熱源及其配置似乎行之有效,從來沒有受到過挑戰(zhàn)。1.2空調(diào)系統(tǒng)運行條件與供熱系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)在這次大規(guī)模調(diào)研中發(fā)現(xiàn),這種傳統(tǒng)冷熱源及其配置正是醫(yī)院節(jié)能的癥結(jié)所在,龐大的集中供冷、供熱系統(tǒng)限制了節(jié)能運行。在供冷系統(tǒng)運行中往往會出現(xiàn)如下一些問題:1)為了保證關鍵科室濕度控制要求,在空調(diào)供冷工況下必須始終供給7℃(甚至更低)的冷水。過去為了保證關鍵科室溫、濕度要求常常采用傳統(tǒng)的一次回風再加熱,如今為了節(jié)能又不得不采用二次回風。由于這些科室熱濕比較小,使得空調(diào)機組所需控制的機器露點溫度更低。2)空調(diào)期間隨室外氣溫下降,為保證絕大多數(shù)一般科室的空調(diào)要求與節(jié)能需要,常常提高集中供給冷水的水溫,客觀上造成關鍵科室濕度超標。3)大型醫(yī)院的關鍵科室(部)常常會處于空調(diào)內(nèi)區(qū),當全年空調(diào)水系統(tǒng)轉(zhuǎn)為供熱工況時,關鍵科室(部)或部分房間仍需供冷。即使完全關閉供熱水系統(tǒng),房間溫度仍偏高。為此需采用四管制空調(diào)水系統(tǒng),但不符合空調(diào)節(jié)能要求,現(xiàn)又不得不采用兩管制系統(tǒng)。4)根據(jù)調(diào)查,大多數(shù)醫(yī)院由于種種原因在供冷季節(jié)系統(tǒng)實際運行中,無法保證7℃供水溫度,關鍵科室溫、濕度難以保證。尤其是采用溴化鋰吸收式冷源的場合。同樣,在供熱系統(tǒng)運行中也出現(xiàn)如下一些問題:1)醫(yī)院常年供熱的部門有的需要蒸汽、有的需要熱水。負荷很大、對供熱的要求不一,系統(tǒng)整合難度較大。這些部門位置分散、相隔較遠,難以有效進行冷凝水熱回收。2)供熱系統(tǒng)需敷設龐大蒸汽管網(wǎng),供熱平衡性差,調(diào)節(jié)困難,對負荷擾動的反應滯后;使用靈活性較差,需要以較大的代價來滿足個別部門的特殊要求,很多情況下甚至無法滿足這些特殊要求。3)熱媒輸送過程中動力損失和熱力損失較大,普遍存在滴、冒、漏現(xiàn)象,這部分能耗不容忽視。不但需要大量的初投資和維護費用,也給醫(yī)院帶來噪聲、視覺和環(huán)境污染,不利于病人的生理和心理健康。1.3冷熱源分置及節(jié)能技術由于環(huán)保的要求,現(xiàn)代醫(yī)院基本不再用燃煤鍋爐,改為燃氣、燃油鍋爐,特別是燃氣鍋爐,其容量大小與燃燒效率和污染控制關系不太大,因此沒有必要再采用集中鍋爐或蒸汽供熱網(wǎng)的傳統(tǒng)設計。目前醫(yī)院一次性物品種類與使用量大大增加,真正用于消毒的蒸汽量已很小,由于對消毒蒸汽品質(zhì)的要求提高,往往就地產(chǎn)生蒸汽。而醫(yī)院熱水用量卻日益增加,且供熱點分散,完全可采用分散式供熱系統(tǒng)?，F(xiàn)代醫(yī)院用能特點是供冷量、供熱量大,冷熱源供給介質(zhì)主要是冷水和熱水(水溫不高)。用戶側(cè)分散且有兩類不同控制要求、差異大。由于醫(yī)院建筑傳統(tǒng)冷源、熱源分置,一方面制冷機組產(chǎn)生非常可觀的廢熱量,另一方面又使用大量能源提供蒸汽。而且集中式供冷、供熱系統(tǒng)對于兩類不同控制要求的科室,難以提高系統(tǒng)能源利用效率。盡管人們千方百計提高制冷機組和鍋爐的效率,并回收廢熱,取得了矚目的成就,但是并沒有解決醫(yī)院能耗的根本問題。因此醫(yī)院節(jié)能的關鍵應是冷熱源的合理匹配、提高能源利用效率,而不是抑制需求,尤其不能降低環(huán)境控制質(zhì)量,否則后患無窮。目前醫(yī)院設施系統(tǒng)的設計理念是院內(nèi)各種功能科室(部)分別設計。以各種功能科室(部)特定空間為控制目標,由冷源、熱源向控制目標輸入適量的冷、熱媒(如空氣、冷熱水、蒸汽等)來實現(xiàn),同時也產(chǎn)生廢熱、廢水、廢氣(見圖1)。冷媒主要供夏季醫(yī)療科室空調(diào)使用,熱媒主要為蒸汽和熱水,用于消毒、生活熱水、醫(yī)療供熱、冬季供暖和食堂炊飲等。在冷源供冷和熱源產(chǎn)熱的同時,消耗了電或氣等能源,并相應產(chǎn)生廢熱(冷),以排風、冷凝水或生活污水的形式排放到外環(huán)境中。傳統(tǒng)節(jié)能的理念又是各個專業(yè)(建筑、動力、暖通、給排水等)從各自角度提出的節(jié)能措施,無法形成綜合措施。即使采用最先進的技術、使用最高效的設備,再提高系統(tǒng)用能效率,最終降低的能耗、減少的廢熱排放還是有限的。這就是目前醫(yī)院節(jié)能的癥結(jié)。2形式與設施系統(tǒng)的設計理念如上所述要達到真正節(jié)能這一目的,必須治本,必須改變傳統(tǒng)冷熱源形式與設施系統(tǒng)的設計理念。如從可持續(xù)發(fā)展的定義出發(fā),認為節(jié)能問題不是簡單地提高效率,抑制需求,降低能耗,而是合理利用能量,降低的僅僅是不可再生能源消耗,同時將對環(huán)境的影響降低到最小。2.1冷熱源一體機如何改變傳統(tǒng)冷熱源?設想有兩股自來水,如果能源源不斷地將一股水的熱量移到另一股水去,則一股水變?yōu)槔渌?另一股水則成為熱水,供給整幢大樓,同時成為整幢大樓的冷源、熱源,所耗的電量僅僅是兩股水之間的熱能搬運能量,沒有廢熱排出(見圖2)。由于這一裝置將冷熱源組合在一起,稱之為冷熱源一體機。這不再是傳統(tǒng)的冷源、熱源概念,不專門消耗能量,而是各自產(chǎn)生冷量或熱量,所消耗的能量只是轉(zhuǎn)移熱能。冷熱源一體機兩端同時供熱、供冷,實現(xiàn)四管制水系統(tǒng)十分方便。冷熱源一體機不同于熱泵,熱泵有一個服務對象,當季節(jié)轉(zhuǎn)換服務對象需求變化時,需要設置四通閥進行轉(zhuǎn)換,但總是一側(cè)向服務對象供熱或供冷,另一側(cè)向室外排出廢熱,而冷熱源一體機沒有四通轉(zhuǎn)換閥,兩側(cè)同時為對象服務,沒有廢熱排出。冷熱源一體機也不同于熱回收機組,全年從兩端同時制冷和供熱,因為沒有廢熱產(chǎn)生,也就不存在熱回收。熱回收機組與室外溫度有關,冷熱源一體機全年都能用。類似冷熱源一體機理念的產(chǎn)品已有不少。當然任何一項技術都有其優(yōu)勢,也有其制約條件。冷熱源一體機的最大制約條件是兩側(cè)水溫不可能很低或很高,或兩側(cè)水溫差不能很大。如果一側(cè)產(chǎn)生7℃的冷水,另一側(cè)產(chǎn)生55℃的熱水,正是它較為理想的運行范圍,完全適合空調(diào)使用。冷熱源一體機完全能滿足空調(diào)需要產(chǎn)生7℃的冷水,而且同時可提供大量55℃的生活熱水,完全消除了因燒鍋爐所產(chǎn)生的大量煙氣排放。冷熱源一體機的另一個制約條件是兩端制冷量和供熱量必須是匹配的。如果不平衡,不平衡一端必須向外排熱(冷)以保持兩端平衡。因此冷熱源一體機使用的關鍵是在綜合考慮室內(nèi)外環(huán)境的“最佳能量調(diào)節(jié)”的運行原則下,在任何不同運行工況下簡便、高效、自動地保持兩端的平衡。2.2冷熱源一體機是節(jié)能減排的重要方式冷熱源一體機完全改變了傳統(tǒng)設計理念,將原先以特定空間為控制目標,轉(zhuǎn)變成整幢大樓為控制目標。綜合規(guī)劃整幢大樓的能源(冷、熱媒)供給,使之冷熱量平衡(見圖2),減少廢熱(冷)排放,從而將不可再生能源消耗降到最低,這也許是今后冷熱源設計的新理念。因此不僅僅要求從暖通空調(diào)專業(yè)自身的角度,而是從所有需熱、需冷的各專業(yè)角度出發(fā),計算向大樓各種功能科室(部)輸入的總冷量與總熱量,并設法夏天多用熱(或減少用冷),冬季多用冷(或減少用熱),創(chuàng)造條件均衡冷量與熱量。這種理念對醫(yī)院建筑特別適合。現(xiàn)代醫(yī)院建筑全年用水量大,即使在夏季也需消耗大量熱水,是對這種理念的最大支撐。加大空調(diào)系統(tǒng)的熱水用量也是一條途徑,如推薦四管制空調(diào)系統(tǒng)和一次回風再加熱處理方式。這對醫(yī)院關鍵科室更為適宜,因為醫(yī)療科室熱濕比小,關鍵科室往往處于內(nèi)區(qū),一次回風再加熱處理方式不僅控制可靠而且提高機器露點,消耗多余的熱水,并提升室內(nèi)環(huán)境控制質(zhì)量。這些措施原先被節(jié)能相關規(guī)范定義為耗能的措施,現(xiàn)在卻因冷熱源一體機成為節(jié)能減排的控制模式。在冬季室內(nèi)有供暖熱負荷,同時有需供熱水的場所,像中心供應室、餐廚等場所,冬季熱負荷與夏季冷負荷相比往往要小,病房需用大量熱水(如洗澡)是短時的,這時可以暫停供暖,利用建筑本體蓄熱維持室內(nèi)溫度,用完熱水后再恢復供暖,這樣不僅節(jié)能而且提高了設備利用率,降低了造價,更關鍵的是降低了用熱量。除濕后再加熱方式對沿海地區(qū)過渡季節(jié)空調(diào)也尤為重要。我國東南部過渡季節(jié)甚至初冬(因為濕度高,氣溫也偏高)的濕度控制一直是個大問題,利用冷熱源一體機有助于采用一次回風再加熱空調(diào)系統(tǒng),加大冷水的耗量,提高室內(nèi)控制質(zhì)量。濕度控制必將是今后提高室內(nèi)空氣質(zhì)量的關鍵。這樣不僅充分利用了冷熱能量,也減少了因兩端不平衡而排放廢熱,既節(jié)能又環(huán)保,實現(xiàn)了醫(yī)院建筑與自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一。冷熱源一體機是以整幢大樓保持冷熱量平衡為目標,可實施綜合考慮室內(nèi)外環(huán)境的最佳能量調(diào)節(jié)策略。根據(jù)設計項目的具體情況,選擇不同容量的冷熱源一體機組合方式,或選擇單冷冷水機組與冷熱源一體機組合方式,或選擇分散式熱源與冷熱源一體機組合方式等,進行調(diào)節(jié)。依據(jù)不同氣候狀態(tài)下不同冷熱源的能量利用效率,實施最佳能量調(diào)節(jié)(也可實施供冷優(yōu)先控制或供熱優(yōu)先控制),盡可能減少排放量,但不禁止任何場合下向室外排放廢熱。如在冬季,室外氣溫合適,冷熱源一體機利用空氣源供熱仍是合算的,可以向外排冷,保持平衡。只有在嚴寒或供熱量不足時,才采用分散式熱源(如燃氣小鍋爐)作補充。2.3醫(yī)院內(nèi)部集中冷源設計如上所述,必須改變?nèi)杭泄├涔岬膫鹘y(tǒng)模式,將有濕度控制的關鍵科室與一般科室分成兩個系統(tǒng)。單獨確保關鍵科室供給7℃冷水(甚至更低),以便控制關鍵科室醫(yī)療環(huán)境,提高系統(tǒng)能源利用效率。在新建醫(yī)院設計時就做好系統(tǒng)分區(qū),在平面布局上將關鍵科室適當集中,與一般科室分離。再根據(jù)不同功能科室的室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù),如溫濕度控制要求、無菌水平、潔凈度級別、換氣次數(shù)等,以及運行時間,將系統(tǒng)合理分區(qū)。如關鍵科室較大或者較為獨立,在設計時可為其設置獨立系統(tǒng)或者配置獨立小型冷熱源(往往供過渡季節(jié)用)。在我國潔凈手術部的長期實踐中,證明獨立冷熱源對醫(yī)療環(huán)境控制、降低造價與運行能耗十分有效。對于一般科室,可根據(jù)不同氣候條件采用分階段調(diào)整冷水機組的設定溫度,適當提高供水溫度,一般情況下供水溫度不超過12℃。但是對于既有醫(yī)院建筑,采用系統(tǒng)分離的技術來改造原有系統(tǒng)花費的財力、物力、人力太大,花費時間太多。大多醫(yī)院要么統(tǒng)一供給7℃冷水,使能耗增大;要么不得不犧牲關鍵科室環(huán)境控制以維持系統(tǒng)原狀。為了使既有醫(yī)院關鍵科室原有空調(diào)機組能采用水溫較高的供冷系統(tǒng),又要保證其醫(yī)療環(huán)境控制,推薦使用新風預處理方法,即采用濕度優(yōu)先處理的機組或采用雙冷源雙盤管機組進行深度冷卻除濕,將關鍵科室新風預處理到更低的露點,消除新風濕負荷,甚至承擔室內(nèi)濕負荷。如關鍵科室已設置供過渡季節(jié)用的獨立冷源,新風機組內(nèi)也可設置兩級水冷盤管,第一級是水冷盤管利用大系統(tǒng)的冷水,第二級來源于為關鍵科室設置的獨立冷源。這一方案改造量最小,同樣可達到較好效果。在新建醫(yī)院應大力推廣分散式熱水鍋爐,特別是燃氣熱水鍋爐,既然燃氣有壓力,能靠自身壓力輸送到醫(yī)院任何科室,就沒有必