史佳成，謝 慧，梁 薇

（北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

0 引言

20世紀以來，我國公共建筑總面積增長近3倍，由相關統計表明，公共建筑能耗水平遠超一般建筑能耗，可達到后者的8～10倍。同時由于醫(yī)院建筑的特點，涵蓋多種醫(yī)療任務，大型醫(yī)療設備多，人流量大，空調使用時間長，使得醫(yī)院建筑能耗水平較高［1］。

在醫(yī)療建筑總能耗中，空調系統能耗占比達到一半左右，成為醫(yī)院建筑用能的重要組成［2］。相關研究表明，醫(yī)療建筑空調系統的能耗可達到一般公共建筑的2倍左右［3］。胡仰耆等［4］調研得到上海市11家三甲醫(yī)院單位面積能源消耗指標全部在 200 kW·h/（m2·a）以上。陳珊［5］對西安市醫(yī)療建筑進行調查研究得出該地區(qū)的醫(yī)療建筑的能耗指標為 200.1 kW·h/（m2·a），且空調系統的能耗占醫(yī)院總能耗的60%。

在醫(yī)院中，由于潔凈手術部的特殊用途，要求空調系統有嚴格的送風量、科學的氣流組織，并按手術要求嚴格控制室內溫度、濕度和壓力等相關參數，因此潔凈空調系統具有送風量大、阻力高，輸配系統能耗高等特點［6］。且手術室空調系統的冷負荷約為一般空調系統冷負荷的2～3倍，冷熱源消耗也相對較高。在設計階段時，設計人員往往按照設計標準的最高級別來進行設計選型，甚至在實際運行時，送風量可能已經超出標準范圍，也導致手術部空調系統能耗遠超其他空調系統［7］。

為此我國專門對手術部的相關技術要求做出了規(guī)定，在2002年及2013年先后出臺了兩版《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》。這兩版國家標準都對手術部的相關參數提出了明確的要求，但對風量的上限值并沒有嚴格限定。因此存在初期對手術部風量設計不合理的情況，造成一定的能源浪費。世界各國對于手術部的參數特別是風量都有相關標準，但不同國家對于手術室環(huán)境的控制理念及方式存在差異，導致風量等參數不同，能耗也存在差異。

基于以上背景，本文對北京市某醫(yī)院展開調研及相關測試，研究其手術部潔凈空調系統能耗大小及相關特點，建立手術部能耗模型，結合調研實測數據驗證模型。在該模型的基礎上，結合我國兩版《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》設置不同標準工況，對比分析我國標準工況下的能耗大小。同時綜合其他國家相關標準，將風量調整到不同規(guī)范所要求的限值，對比研究各國標準工況下的能耗大小，分析各國標準的能耗差異，研究不同標準的節(jié)能潛力。

1 能耗現狀及能耗分析

北京市某醫(yī)院是一所多功能三級綜合醫(yī)院，建筑面積159 609 m2，主要能源消耗為電、水、氣和集中供熱。近年來醫(yī)院業(yè)務量逐年增長，基礎設施逐步升級，大型耗能醫(yī)療設備逐漸增加，為保證醫(yī)院的正常運行，醫(yī)院的能耗水平持續(xù)上升。近兩年能耗統計數據顯示：2018年用電量1 606 萬 kW·h、 用 水 量 1.8×108kg、 用 氣 量11萬m3、集中供熱量4萬GJ。其中水電能耗成本最高，2018年醫(yī)院水電費達1 728.7萬元，占醫(yī)院所有能耗費用的90%以上。整理該醫(yī)院近4年能源消耗，數據見表1。

表1 能耗統計Tab.1 Statistical table of energy consumption

通過對該醫(yī)院能耗管理平臺的調研，結合能源賬單中的分項統計對該醫(yī)院醫(yī)技綜合樓進行電耗拆分。結果顯示，2018年該醫(yī)院綜合樓全年耗電818萬k·Wh，暖通空調系統耗電387萬k·Wh，約占全年能耗的47%，該醫(yī)院門診綜合樓2018年能耗占比如圖1所示。

圖1 大樓電耗占比Fig.1 Proportion of power consumption of a building

由圖1可知暖通空調系統電耗占整個大樓耗電量的49%，是耗電最大的分項，其次為醫(yī)療設備以及照明耗電。

對該樓5層的潔凈手術部區(qū)域進行能耗調研，結合其能源賬單得到該醫(yī)院5層手術部區(qū)域暖通空調系統2018年耗電83萬kW·h，能耗指標為 546 kW·h/（m2·a）。調研得知該潔凈手術部冷源為冷機制冷，熱源為市政熱水，因此該醫(yī)院空調系統能耗主要為電能和市政熱水。處于供冷季時，系統主要能源消耗為電。處于供暖季時，系統不僅需要耗電還需要消耗熱水來為手術室提供熱量。本研究只對潔凈手術室空調系統的耗電量進行了研究，因此并不含市政熱水等其它能源換算為等效電的電耗，對其能耗進行逐月拆分得到該手術部逐月能耗分項結果如圖2所示。

圖2 手術部空調系統逐月電耗分項Fig.2 Monthly power consumption breakdown of the air conditioning system of the surgical department

由圖2可知，該手術部空調系統夏季耗電量最高，過渡季最低。該手術部空調系統能耗拆分為3個部分，第1部分是冷源部分，冷源部分包含冷機冷卻塔及輸配系統能耗。夏季供冷季時，冷源電耗在暖通空調能耗占比最大。第2部分是熱源部分，該醫(yī)院熱源采用市政熱水，醫(yī)院配有熱力站，但本次能耗只統計電耗沒有將市政熱水消耗折算為電能，故冬季能耗較低。第3部分是機組部分，空調機組冬季耗電較高。手術部空調系統能耗占比情況如圖3所示。

圖3 手術部空調系統電耗占比Fig.3 Power consumption proportion of the air conditioning system of the surgical department

不同于一般民用的空調系統，潔凈空調系統中空調機組的耗電量較大，是該手術部空調系統耗電較大的部分。潔凈空調機組由于其特殊性，機組風量高，過濾阻力大，造成風機電耗大，再熱量也較大，同時機組采用電加濕的處理方式，也導致該手術部空調機組耗電大。針對機組耗電較大的現象，對該醫(yī)院手術部空調機組近4年逐月耗電進行統計分析，如圖4所示。

由圖4可知，潔凈空調機組的電耗在冬季比較高，高于夏季和過渡季，室外氣象條件的變化對機組電耗影響較大?？照{機組電耗趨勢原因分析：（1）冬季新風預熱增加耗電。（2）冬季機組采用電加濕模式電耗較大。（3）冬季手術部的設備開啟策略改變，空調系統預開時間延長。（4）該醫(yī)院手術部的冬季手術量高于夏季。

圖4 手術部空調機組逐月電耗電Fig.4 Monthly power consumption of the air conditioning unit of the surgical department

2 手術部模型的建立及校驗

結合實際情況利用能耗模擬軟件對該手術部進行建模并驗證模型，為之后的能耗對比分析提供依據。

2.1 手術部模型的建立

選擇建筑能耗動態(tài)模擬軟件EnergyPlus建立能耗模型，通過實際調研及相關測試，對該醫(yī)院手術部進行建模。該醫(yī)院五層潔凈手術部位于醫(yī)技綜合樓五層內區(qū)，占地面積約1 500 m2。包括9間手術室及相關走廊附房，其中5間Ⅰ級手術室，3間Ⅱ級手術室，1間Ⅲ級手術室。該手術部空調系統冷源由冷站內的制冷機組提供，熱源由換熱站的市政熱水提供。

由于手術部潔凈走廊以及清潔走廊的附屬房間較多，面積大小不均，但潔凈等級以及相關室內參數相差不大。為了研究的方便和變量的統一，使得研究更具有針對性，對潔凈手術部模型進行簡化，將附房與相應的走廊合并為一個區(qū)域進行研究。結合手術部實際調研情況及相關設計建設資料對模型參數進行設置。

該手術部模型及其分區(qū)示意如圖5所示。

圖5 手術部模型示意Fig.5 Schematic diagram of the surgical department model

2.2 手術部模型校驗方法

能耗模擬模型常用的驗證方法是利用實際能耗值進行比較，選擇逐時數據驗證的可靠性最高，但校驗時想獲取實際的逐時能耗存在困難，因此通常選擇更易獲得的逐月能耗和全年能耗作為驗證依據，通過真實逐月耗電量與模擬該月能耗值對比得到月偏差EERm，i、年偏差EERy和標準差變化系數 δm［8-10］，計算公式見式（1）～（5）。

式中 Mture，i——第 i月能耗實際值（1≤ i≤12）；

Mcacl，i——第 i月能耗 模擬計算值；

RMSE ——月能耗均方差；

將計算出的指標數值與表2［11］中的相應數值進行對比，若符合表中的偏差范圍，則可認為該模型可靠性較高，能夠反映建筑實際的能耗情況。

表2 可接受模擬偏差指標范圍Tab.2 Index range of acceptable simulation deviations

2.3 手術部模型實測校驗

對能耗模型進行驗證，通過實際調研并結合醫(yī)院運維部門的相關數據，對5層手術部進行能耗統計，以及未單獨監(jiān)測計量到的耗能項進行能耗拆分。結合上述方法分析整理2018年手術部空調系統實際運行電耗，并將模擬結果進行對比分析并逐月校驗，結果如圖6所示。

圖6 逐月能耗對比結果Fig.6 Comparison results of monthly power consumptions

通過對比分析，該模型年總能耗偏差較小，年偏差EERy為5%，計算得到的最大月偏差EERm，i出現在12月份為13%，標準差變化系數為7%。對比表3中各項指標，模擬結果符合M & V要求，同時也基本符合其他兩類指標要求。

同時對模型輸出的手術部溫濕度進行驗證，該手術部逐月平均溫濕度輸出結果如圖7所示。

圖7 溫濕度結果Fig.7 Temperature and humidity results

由圖7可知該手術部模型輸出的溫度基本在規(guī)范要求的21～25 ℃的區(qū)間內，相對濕度也基本滿足規(guī)范中30%～60%區(qū)間的要求。

誤差分析為：（1）實際氣象條件存在一定誤差；（2）空調系統運行時間及實際手術量等隨機參數存在一定誤差；（3）設備實際運行狀態(tài)存在一定誤差；（4）電表計量誤差。

綜上所述，盡管存在一定偏差，但模擬結果基本能夠反映真實的能耗狀況，且滿足誤差率相關要求，因此認為該模型及其輸出結果較可靠。

3 不同設計標準下手術部能耗分析

為研究該手術部的能耗現狀及我國《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》工況下的能耗，利用本文建立的手術部模型，其它參數保持不變，選擇我國于2002年頒布的GB 50333—2002《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》［12］及2013年頒布的GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》［13］設置工況進行模擬，分析新版標準與舊版標準的差異，探究兩版標準帶來的節(jié)能潛力。

為研究我國及世界其他國家潔凈手術部空調系統的能耗情況，選擇美國標準ASHRAE170［14］，美國退伍軍人事務部《外科設施設計導則》［15］，日本標準 HEAS-02［16］，英國標準 HTM01-03［17］以及西班牙標準UNE100713［18］對手術部的相關要求設定工況進行模擬，分析各國標準下的能耗水平及能耗差異。

以單位面積年耗電量作為評價能耗水平的對象進行研究。

3.1 國內標準能耗對比分析

根據GB 50333—2002中規(guī)定的各級別潔凈區(qū)域的風量上下限值分別設定工況1，工況2。由于GB 50333—2013只對各級別潔凈區(qū)域的風量下限做出規(guī)定，因此只設定風量下限值作為工況3，工況的設定值參考文獻中的相關要求［12-13］。分別模擬該手術部在以上幾種工況下運行的能耗結果，并與手術部能耗現狀進行對比分析，結果如圖8所示。

圖8 國家標準工況能耗對比Fig.8 Comparison of power consumptions under the national standard operating conditions

由圖8可知新標準下限能耗較低，低于舊標準上限，舊標準下限及該手術部能耗現狀。說明我國新頒布的GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》在保證手術部潔凈度等相關使用要求的情況下還降低了部分能耗。該醫(yī)院手術部空調系統能耗現狀指標約為550 kW·h/（m2·a），接近舊版標準的上限工況能耗，高于新舊兩版標準的下限工況能耗。由于該手術部于2013年建成，按照舊的標準設計建設，且該手術部在設計時，存在風量設置過大甚至超過標準上限值的情況，造成了不必要的能源浪費。

以該手術部能耗現狀作為基準，按照舊版標準風量的上限及下限工況運行分別可節(jié)能3%及9%。按照新版標準設定的風量下限運行，能耗指標約為460 kW·h/（m2·a），相較該手術部現狀可節(jié)能16%，年節(jié)電量可達到約13.5萬kW·h。同樣是風量下限值的工況，新版標準比舊版標準可降低10%的能耗。由于新版標準優(yōu)化了對送風量的要求，例如手術室及走廊等換氣次數均有下調，促進了手術部潔凈空調系統的節(jié)能降耗。結合我國實際情況，我國大部分醫(yī)院及其手術部建造時間較早，遵循當時的舊版國家標準進行建設。近年來隨著醫(yī)療體系的不斷升級，新建及改建手術部規(guī)模不斷增加，大量手術部有待升級改造，存在大量的節(jié)能空間。同時結合能耗現狀及國家標準工況下的能耗可為我國潔凈手術部空調系統能耗的限額提供思路。

3.2 國內外標準能耗對比分析

為對比分析我國及世界各國手術部建設相關標準規(guī)范的能耗大小及差異，選擇日本，英國，西班牙及美國的相關標準作為對比工況。將標準中風量要求的下限分別輸入模型，工況的設定值參考文獻中的相關要求［14-18］。分別模擬該手術部在以上幾種工況下的能耗，并與我國新版國家標準工況下的手術部能耗進行對比分析，結果如圖9所示。

圖9 世界各國標準工況能耗對比Fig.9 Comparison of power consumptions under the standard operating conditions of different countries in the world

由圖9發(fā)現，我國標準下的能耗低于上述標準能耗的中位數。美國VA導則，西班牙及英國標準能耗水平較高。這些標準不僅要求一定的換氣次數，而且均采用全新風的方式進行空氣處理，認為該方式能夠提供更好的醫(yī)療環(huán)境，因此能耗相對較高。美國ASHRAE標準，日本標準及我國標準能耗較低，主要是由于這些標準要求的風量值較小且設置了合理的回風，允許空氣循環(huán)，新風量也相對較小，因此能耗相對較小。以我國國家標準下的單位平米年能耗為基準，西班牙標準下手術部能耗較高，超過我國標準工況下能耗的56%，其能耗指標為739 kW·h/（m2·a）。美國ASHRAE標準下能耗較低，相較于我國標準下的工況可節(jié)能21%，其能耗指標為377 kW·h/（m2·a）。綜合美國VA導則，西班牙及英國標準，我國標準下的手術部能耗水平較低，相較于美國ASHRAE以及日本標準，我國標準下的能耗水平還存在一定的節(jié)能潛力。考慮到日本美國等發(fā)達國家對手術部建設的研究起步較早，相信未來經過多學科研究及論證，我國在進行標準規(guī)范的修訂時能夠更科學合理的優(yōu)化指標參數，在保證潔凈度的條件下進一步降低能耗，為保護環(huán)境做出更大的貢獻。

4 結論

（1）2018年該醫(yī)院手術部暖通空調能耗83 萬 k·Wh，能耗指標為 546 kW·h/（m2·a）。不同于非潔凈空調系統，手術部空調機組能耗占比接近一半，為整個暖通空調系統耗電最多的部分?？照{機組冬季耗電量高于夏季及過渡季，采用電加濕空氣處理方式的空調機組耗電量較高。

（2）該手術部潔凈空調系統能耗較高，主要原因是其空調系統風量設置過高，造成了一定的能源浪費。以該手術部為例，在滿足潔凈度要求的情況下，新版《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》GB 50333—2013相對于能耗現狀可節(jié)能16%。同樣是送風量下限，新的《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》GB 50333—2013工況相對于舊版標準的工況可節(jié)能10%。由于我國大部分醫(yī)院及其手術部建造時間較早，設計建設均按照當時舊版標準的要求，大量手術部有待升級改造，因此我國手術部潔凈空調系統有較大的節(jié)能潛力。同時結合國標工況的能耗模擬可為能耗限額提供一定的思路和依據。

（3）利用變量分析方法，綜合美國，日本，英國，西班牙的相關國家標準與我國標準進行比較發(fā)現：我國標準下的手術部能耗水平較低，數值處于中位數之下。與日本美國等發(fā)達國家相比我國標準下的手術部能耗還存在一定的節(jié)能空間。