程子偉（上海市中醫(yī)醫(yī)院， 上海 200071）

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院創(chuàng)建于 1958 年，從20 世紀(jì) 60 年代 1 萬多平米的院區(qū)面積，發(fā)展到如今近約25 萬 m2的規(guī)模。尤其近十年來，醫(yī)院通過“就地重建或改建”方式，院區(qū)規(guī)模迅速擴(kuò)大，功能不斷增加。與此同時，醫(yī)院供能方式基本沒有進(jìn)行大的調(diào)整，造成了醫(yī)院既有供能系統(tǒng)與動態(tài)布局之間不相匹配的矛盾。醫(yī)院采用集中供熱方式，供應(yīng)整個院區(qū)供熱系統(tǒng)的采暖、生活熱水、中心供應(yīng)室和食堂。由于用戶側(cè)的負(fù)荷具有需求不同步、負(fù)荷率低等特征，在用戶末端或系統(tǒng)的可調(diào)性受限的情況下，系統(tǒng)容易產(chǎn)生高能耗或低能效的問題。這也是節(jié)能技改的難點重點所在。

1 供熱用能現(xiàn)狀

2017 年，全院天然氣用量為 305.2 萬 m3，占全院總能耗的 22.3%。不同季節(jié)的燃?xì)庹既嚎偰芎牡谋戎夭煌?月份最高達(dá)到 39.0%。2017 年全院天然氣碳（CO）排放量為 6 598 t。提高鍋爐能效是目前醫(yī)院最有效的減碳方式。

蒸汽密度小，所以本身產(chǎn)生的靜壓力小，適合超高層建筑。蒸汽不需任何外來壓力，依靠本身壓力克服系統(tǒng)阻力向前流動，適合遠(yuǎn)距離輸送。新華醫(yī)院實際應(yīng)用及運(yùn)行管理方面存在以下幾點問題。

（1）系統(tǒng)能耗損失高。鍋爐系統(tǒng)的蒸汽管道長約1 300 m，管網(wǎng)復(fù)雜、用能分布區(qū)域廣、輸送距離遠(yuǎn)、用能時間不一，系統(tǒng)易泄漏、鍋爐連續(xù)排污、疏水器漏氣、凝結(jié)水無回收率低等因素造成無效熱損失較大[1]，通常占比 15%～20%。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行效率低。供暖季運(yùn)行 2 臺，鍋爐系統(tǒng)平均負(fù)載率約為 3%；非供暖季僅運(yùn)行 1 臺，鍋爐平均負(fù)載率為 19%。全年負(fù)載率較低，系統(tǒng)的季節(jié)和負(fù)荷適應(yīng)性較差，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。以夏季供熱為例，由于此時熱負(fù)荷減少，鍋爐房基本上只有一個機(jī)組處于工作狀態(tài)，在1 臺機(jī)組工作時，機(jī)組的負(fù)荷率均處于 40% 以下。按照 GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)范要求，鍋爐實際運(yùn)行的負(fù)荷率宜≥50%。

（3）系統(tǒng)形式不合理。蒸汽的用能成本遠(yuǎn)高于熱水使用成本；在低品位能源使用場合采用高能位能源的做法大大增加了燃?xì)獾南?。新建的兒科綜合樓 2020 年 8 月年竣工，新樓啟用后，對比 2020 年 12 月與 2019 年鍋爐燃?xì)庥昧?，發(fā)現(xiàn)上升了近 60%。初步分析是由于鍋爐房與兒科綜合樓距離最遠(yuǎn)，導(dǎo)致在能源輸送方面造成了較大的浪費(fèi)。

（4）系統(tǒng)潛在隱患較多。鍋爐運(yùn)行壓力 1 MPa，蒸汽溫度 184 ℃，高溫高壓，系統(tǒng)中安全閥、減壓閥等泄壓、減壓元件較多，存在易損件，存在超壓、泄漏、燙傷等潛在危險；鍋爐排污、設(shè)備疏水、沿線蒸汽管道疏水引起的廢熱水排放，影響水泵、管道壽命[2]；系統(tǒng)中凝結(jié)水不能及時排凈，“水擊”效應(yīng)明顯，容易導(dǎo)致管道內(nèi)壁腐蝕加劇。

2 解決方案分析

新華醫(yī)院冷熱源設(shè)計為冷機(jī)與蒸汽鍋爐組合，其中高壓蒸汽熱媒是為滅菌而設(shè)定，使用場合主要是廚房及消毒供應(yīng)中心，使用量不高，可改為就近安裝蒸汽發(fā)生器。其特點是產(chǎn)汽快（180 s 左右），隨用隨開，噪聲低、效率高，且蒸汽發(fā)生器不屬于壓力容器，所以與蒸汽鍋爐相比更加安全[3]。由于醫(yī)院變壓器容量不足，不適合采用風(fēng)冷熱泵，最終采用用水鍋爐的改造方式。熱水鍋爐從設(shè)備布局來說有 2 種方案，即集中式和分散式，以下就 2 種方案進(jìn)行比較分析。

（1）方案 1：集中式供熱。根據(jù)全院供暖及供生活熱水的需求，擬選擇 3 臺 4 t 熱水鍋爐，供暖季開啟 2 臺，非供暖季開啟 1 臺；同時原“汽-水”換熱器均更換成“水-水”板式換熱器。根據(jù)運(yùn)行記錄分析，改造前蒸汽鍋爐效率取 80%，蒸汽管道、疏水器、熱交換器等綜合熱損失率取20%，則改造前蒸汽鍋爐系統(tǒng)效率為 0.64。改造后鍋爐熱效率取 94%，則改造后節(jié)能量為標(biāo)煤 961.9 t，單項技術(shù)節(jié)能率約為 31.9%。

該方案優(yōu)點是鍋爐房獨立設(shè)置，設(shè)備初投資小、管理集中、運(yùn)行人員投入少；缺點是熱水傳輸路徑長，熱損耗高，熱水管路需新增，而醫(yī)院占地面積大，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大。

（2）方案 2：分散式供熱。鍋爐房分區(qū)域設(shè)置，以減少管網(wǎng)敷設(shè)對建筑的影響，較近的樓合并用一個鍋爐房，可利用現(xiàn)有的 4 個換熱站作為鍋爐房設(shè)置點。改造可結(jié)合現(xiàn)有的管網(wǎng)輸送路徑分批進(jìn)行，將原有 19 號樓、2 號樓、8 號樓、27 號樓等 4 個換熱站區(qū)域陸續(xù)改造為熱水鍋爐機(jī)房，便于已有的空調(diào)水和生活熱水管道連接。

該方案優(yōu)點有：機(jī)組效率高，換熱損失小，補(bǔ)水量??；輸配效率高，熱水傳輸路徑短，管道不易泄露，布局靈活，散熱損失小；管道設(shè)備維修成本低，隨用隨開，運(yùn)行管理方便。缺點是設(shè)備初投資大，相比于集中式鍋爐房由于鍋爐房站點增多，運(yùn)行人員成本相應(yīng)有所增加。

綜合比較上述 2 種方案，從可行性和運(yùn)行穩(wěn)定來說，選擇方案 2 。

3 集中供熱系統(tǒng)改造

2021 年，新華醫(yī)院的鍋爐改造工作正式啟動。鍋爐房和換熱站是一個能量轉(zhuǎn)換的場所，既是產(chǎn)能中心又是能耗大戶[4]。改造工作首先從 19 號樓著手實施，主體思路是改變19 號樓的蒸汽熱水供應(yīng)方式，改蒸汽供熱系統(tǒng)為熱水供熱系統(tǒng)。

3.1 設(shè)計方案

首先，將以往的集中蒸汽供應(yīng)方式改造為分散型就近供應(yīng)，切斷蒸汽鍋爐房對 19 號樓的蒸汽供應(yīng)，在原 19 號樓地下 1 層容積式熱交換器部位設(shè)置熱水鍋爐，供 19 號樓的生活熱水和空調(diào)采暖。對 19 號樓地下 1 層容積式換熱器進(jìn)行重新布局：在機(jī)房的左半部分放置 2 臺 3 t/h 的常壓熱水鍋爐，在熱水機(jī)房的右半部分設(shè)置 8 臺水-水熱交換器、4 組回水泵、4 臺穩(wěn)壓罐和 3 臺循環(huán)水泵。

3.2 設(shè)備選型

（1）擬增加熱水鍋爐選型見表 1。

表 1 新增鍋爐設(shè)備清單

（2）擬更換換熱設(shè)備選型見表 2。

表 2 生活熱水和空調(diào)換熱設(shè)備相關(guān)信息

4 節(jié)能效果

本次集中供熱改造涉及建筑用熱問題，因此對 19 號樓用熱量進(jìn)行計算分析。19 號樓全年需要供應(yīng)生活熱水，而采暖供應(yīng)只在冬季進(jìn)行，因此對 19 號樓的用能分 2 部分計算。

4.1 生活熱水用能分析

對于醫(yī)院建筑而言，生活熱水需要全年供應(yīng)，以滿足病人對良好醫(yī)院環(huán)境的追求。由于醫(yī)院用水單位有 785 個，根據(jù) GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，故醫(yī)院每天熱水設(shè)計耗熱量計算依據(jù)如式（1）所示。

式中：Qmd—平均日耗熱量，kJ/d;

qmr—平均日熱水用水定額，L/（床d），取85 L/（床d）；

C—水的比熱，kJ/(kg·K)，取 4.187 kJ/(kg·K)；

tr1—水的溫度，℃，取 60 ℃；

t1—冷水溫度 ，℃，取 5 ℃；

ρr—熱水密度，kg/L，取 0.98 kg/L；

no—用水單位個數(shù)；

bg—同類型衛(wèi)生器具的同時使用百分?jǐn)?shù)，取100%（b）。

把相關(guān)數(shù)值代入式（1），具體計算如下：

醫(yī)院生活熱水需要全年供應(yīng)，故全年熱水需要的熱量為：

4.2 空調(diào)采暖熱量分析

本次計算采用的熱負(fù)荷為房間面積乘以每平方米的設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)。根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》，采用80 W/m2采暖熱負(fù)荷。冬季，室外溫度 －4 ℃ 下，為達(dá)到室內(nèi)溫度 18 ℃ 的要求，供熱系統(tǒng)向建筑物供給熱量。采暖設(shè)計熱負(fù)荷是指當(dāng)室外溫度為采暖室外計算溫度，為了達(dá)到上述所要求的室內(nèi)溫度，供熱系統(tǒng)在單位時間內(nèi)向建筑物供給熱量。冬季供暖時間一般為 3 個月，即 90 d。采暖供熱量公式如式（2）所示。

式中：qf—單位建筑面積采暖熱指標(biāo)，W/m2；

F—建筑面積，m2。

實際采暖面積 31 556 m2。采暖需要熱量計算如下。

實際每小時采暖所需熱量：

整個采暖季需要的總熱量為：

4.3 節(jié)能分析

通過對建筑耗熱量的計算，可以得到整個大樓全年總熱量：

此熱量相當(dāng)于消耗蒸汽量 9 920 t（252×104kJ 相當(dāng)于蒸汽量 1 t）；相當(dāng)于消耗標(biāo)煤 853 t（標(biāo)煤 1 t 相當(dāng)于2.9×107kJ)；相當(dāng)于消耗天然氣量 74.4 萬 m3（每噸蒸汽相當(dāng)于消耗標(biāo)準(zhǔn)天然氣 75 m3）；冷凝水排放熱消耗損失 9 994 t×55 ℃×4.187 kJ/(kg·K)=2.3×109kJ(相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)天然氣 6.8 萬 m3)；蒸汽供給時的沿途管道損失，經(jīng)測算一般沿途損失為 3% 左右，根據(jù) 19 號樓年標(biāo)準(zhǔn)天然氣耗量（74.4 萬 m3），可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)天然氣 2.2 萬 m3。

從以上分析可知，機(jī)房改造完成后可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)天然氣約 9 萬 m3。因為采用的熱水換熱系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，不需要加入市政水，可以節(jié)水約 9 920 t。改造完成后節(jié)約費(fèi)用如下。

（1）第一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)天然氣 9 萬 m3（燃?xì)鈫蝺r為 3.79 元/m3），可以節(jié)約天然氣費(fèi)用為：9 萬 m3×3.79 元/m3＝34.1萬元。

（2）第一年可節(jié)約市政水 9 920 t (自來水費(fèi)用 4.86 元/t)，可以節(jié)約市政水費(fèi)為：9 920×4.86 元/t＝4.8 萬元。

從以上理論分析結(jié)果可知，如果把供熱蒸汽鍋爐改為熱水供熱鍋爐，預(yù)計第一年可以節(jié)約 38.9 萬元。

5 結(jié) 語

醫(yī)院布局、供能方式及用能效率有較強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，不能照搬公共建筑的一般方法進(jìn)行節(jié)能改造。本項目通過分散式燃?xì)鉄崴仩t逐步替換集中蒸汽鍋爐供熱，實現(xiàn)了供熱系統(tǒng)的節(jié)能、減排、降本，可有效減少醫(yī)院能源浪費(fèi)和碳排放，促進(jìn)醫(yī)院實現(xiàn)碳中和以及提高能源利用效率，并為分散式布局醫(yī)院能源改造提供新的思路和方法。