曾思景，湯振博

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 420000）

0 引言

2021 年10 月28 日國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，明確提出了實(shí)施城市節(jié)能降碳工程，開(kāi)展建筑、交通、照明、供熱等基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能升級(jí)改造，推進(jìn)先進(jìn)綠色建筑技術(shù)示范應(yīng)用，推動(dòng)城市綜合能效提升。推動(dòng)既有設(shè)施綠色升級(jí)改造，積極推廣使用高效制冷、先進(jìn)通風(fēng)、余熱利用、智能化用能控制等技術(shù)，提高設(shè)施能效水平。

2009—2015 年我國(guó)民用建筑能耗年均增速為6.3%，而公共建筑能耗占比逐年增加，由17.6%增加至26.6%[1]。根據(jù)2020 年上海市公共建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)能耗數(shù)據(jù)分析，醫(yī)療衛(wèi)生建筑和商場(chǎng)建筑的用電強(qiáng)度明顯高于其他類型的公共建筑，空調(diào)用電占比最好的建筑也為醫(yī)療衛(wèi)生建筑[2]。因此通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的醫(yī)療衛(wèi)生建筑的能源系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出經(jīng)濟(jì)合理的能源供應(yīng)方案，明確高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行全年能耗評(píng)估很有意義。

1 醫(yī)院概況

1.1 建筑概況

該醫(yī)院位于長(zhǎng)沙市，一所集預(yù)防、保健、醫(yī)療、康復(fù)、科研和教學(xué)為一體三級(jí)甲等醫(yī)院。醫(yī)院包含住院樓、綜合樓（含副樓進(jìn)修樓），開(kāi)設(shè)病床600 張，總建筑面積約3.9 萬(wàn)m2。

1.2 空調(diào)及生活熱水現(xiàn)狀

醫(yī)院的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源機(jī)組及生活熱水熱源統(tǒng)一設(shè)置在綜合樓地下機(jī)房?jī)?nèi)。綜合樓面積23370m2，現(xiàn)狀采用分體水環(huán)熱泵系統(tǒng)，室內(nèi)機(jī)總制冷量2280kW，夏季利用冷卻塔散熱，冬季由熱水鍋爐供熱，供熱量1.1MW。

住院樓面積15714m2，夏季由1 臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組、1 臺(tái)模塊式地源熱泵機(jī)組及4 組單冷模塊式水冷機(jī)供冷，總制冷量1732kW，熱泵機(jī)組供熱量539kW，熱水鍋爐供熱量0.7MW；原設(shè)計(jì)方案冬季采用地源熱泵進(jìn)行供暖，由于季節(jié)性閥門(mén)切換，對(duì)于運(yùn)行班組要求較高，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，冬季停用地源熱泵，采用熱水鍋爐供熱。由于系統(tǒng)運(yùn)行10 年來(lái)，長(zhǎng)期夏季向土壤排熱，土壤溫度升高，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，夏季地埋側(cè)冷卻水出水溫度為34℃。

綜合樓及住院樓生活熱水采用熱水鍋爐，供熱量1.4MW。主要設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

1.3 能源消耗現(xiàn)狀

醫(yī)院2018—2020 年用電量及天然氣消耗量如表2所示。2018—2020 年逐月用電量如圖1 所示。醫(yī)院2018—2020 年逐月用電量總體上呈現(xiàn)夏冬季高、春秋季低的趨勢(shì)，主要原因?yàn)獒t(yī)院夏季空調(diào)、冬季采暖用電量高。數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)符合夏熱冬冷地區(qū)醫(yī)院類公共建筑的用能特征。2020 年受到疫情的影響，年總用電略低于2019 年。耗電量及生物質(zhì)燃料消耗量按照綜合能耗計(jì)算通則[3]折算，3 年平均用能強(qiáng)度按照等量折算為28.24kgce/（m2·a）。

圖1 2018—2020 年逐月用電量

表2 2018—2020 年用電量及天然氣消耗量

1.4 能源系統(tǒng)存在的問(wèn)題

（1）冷熱源。①運(yùn)行管理復(fù)雜，故障率高。目前住院樓冷源機(jī)組有3 種類型，6 臺(tái)機(jī)組，管路連接復(fù)雜，占用機(jī)房面積，目前有1 臺(tái)單冷模塊式水冷機(jī)已壞待修。②設(shè)備老舊，效率低?？照{(diào)主機(jī)備額定COP，較低運(yùn)行12 年，效率衰減嚴(yán)重，模塊機(jī)實(shí)測(cè)COP 為2.9，螺桿機(jī)實(shí)測(cè)COP 為3.3。

（2）循環(huán)水泵。①水泵設(shè)置不合理。住院樓冷凍水循環(huán)泵、地源側(cè)循環(huán)泵與制冷機(jī)組流量不匹配，水泵缺少變頻控制，無(wú)法根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行合理的運(yùn)行調(diào)節(jié)，為定頻水泵長(zhǎng)期處于低效運(yùn)行。②設(shè)備老舊比較嚴(yán)重。水泵運(yùn)行時(shí)間超10 年，老化嚴(yán)重，能效衰減嚴(yán)重。

（3）冷卻塔。設(shè)備老舊比較嚴(yán)重。冷卻塔使用年期超10 年，填料損壞嚴(yán)重，效率低，實(shí)測(cè)供回水溫差不足2℃。

（4）控制系統(tǒng)。醫(yī)院冷站主機(jī)、水泵等均由人工進(jìn)行啟停及運(yùn)行控制，系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)主機(jī)、水泵的自動(dòng)加機(jī)或減機(jī)運(yùn)行，不利于系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行及提升管理效率。由于缺乏自動(dòng)控制系統(tǒng)，內(nèi)科樓冬季舍棄高效的地源熱泵機(jī)組，采用熱水鍋爐供暖，一方面系統(tǒng)能耗高，另一方面影響夏季制冷效率。

冷站的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)設(shè)定后未做調(diào)整，沒(méi)有根據(jù)末端負(fù)荷需求變化情況、室外環(huán)境溫度變化情況，合理的調(diào)整供回水溫度設(shè)定參數(shù)，存在較大的用冷浪費(fèi)情況。

2 改造方案

2.1 負(fù)荷分析

由于住院樓和綜合樓為獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，且綜合樓為水環(huán)熱泵系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行改造難度較大且對(duì)醫(yī)院的運(yùn)行有較大影響，因此本次方案主要針對(duì)內(nèi)科樓機(jī)房系統(tǒng)進(jìn)行改造。

由于缺乏建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，參考類似工程，住院樓冷指標(biāo)取65W/m2，熱指標(biāo)取35W/m2，則內(nèi)科樓冷負(fù)荷為1021kW，熱負(fù)荷為550kW。內(nèi)科樓兼有住院樓的功能，運(yùn)行時(shí)間與賓館類似，其逐時(shí)冷負(fù)荷系數(shù)參考賓館類型建筑取值[4]，根據(jù)醫(yī)院運(yùn)行記錄，醫(yī)院的供冷期取4 月28 日至10 月18 日，采暖期取11 月19 日至次年3 月18 日，全年負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 住院樓全年負(fù)荷預(yù)測(cè)

2.2 改造方案

（1）冷熱源系統(tǒng)改造方案。考慮到現(xiàn)有土壤蓄熱比較嚴(yán)重，地源熱泵機(jī)組制冷效率較低。因此本次方案新增一臺(tái)制冷量1055kW 的高效變頻螺桿水冷機(jī)組，夏季供冷。

為充分利用土壤蓄熱，新增一臺(tái)制熱量367kW 螺桿地源熱泵機(jī)組，保留現(xiàn)狀制熱量400kW 螺桿地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，總裝機(jī)容量767kW。現(xiàn)階段以地源熱泵機(jī)組供暖為主，待土壤溫度回落后，調(diào)整運(yùn)行系統(tǒng)控制策略，保持土壤溫度穩(wěn)定在當(dāng)?shù)卣^(qū)間內(nèi)。

綜合樓、住院樓各新增2 臺(tái)制熱量為90kW，1 臺(tái)制熱量為40kW 的高效風(fēng)冷熱泵機(jī)組，聯(lián)合1400kW 生活熱水鍋爐產(chǎn)生生活熱水。

（2）管網(wǎng)改造方案?，F(xiàn)有機(jī)房管路拆除，對(duì)機(jī)房管網(wǎng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在以下方面進(jìn)行了優(yōu)化：①水泵入口采用低阻力角通式自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器代替Y 型過(guò)濾器。②水泵出口，采用低阻力偏心球形止回閥。③采用順?biāo)?、順?biāo)畯濐^，45°彎頭替代90°彎頭。④提高水泵基礎(chǔ)，水泵中心線與機(jī)組中心線在同一高度。

（3）控制系統(tǒng)。增加冷熱源機(jī)房設(shè)群控系統(tǒng)，循環(huán)水泵采用變頻水泵，冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)。

3 改造效果

改造后的內(nèi)科大樓空調(diào)系統(tǒng)與2023 年8 月投入運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一周后，機(jī)房制冷系統(tǒng)EER 維持在5.0 以上，達(dá)到高效制冷機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)房制冷系統(tǒng)EER實(shí)測(cè)值如圖3 所示。

圖3 機(jī)房制冷系統(tǒng)EER 實(shí)測(cè)值

空調(diào)系統(tǒng)最大負(fù)荷為1054kW 與前期方案階段負(fù)荷測(cè)算保持一致。通過(guò)對(duì)逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到，醫(yī)院住院樓冷負(fù)荷時(shí)變化系數(shù)。住院樓冷負(fù)荷時(shí)變化系數(shù)如表3 所示。

表3 住院樓冷負(fù)荷時(shí)變化系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)的診斷，分析了空調(diào)系統(tǒng)在冷熱源、水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題。提出了高效機(jī)房的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)改造后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了改造方案的實(shí)施效果，同時(shí)通過(guò)對(duì)醫(yī)院住院樓冷負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了醫(yī)院時(shí)變化曲線，為其他夏熱冬冷地區(qū)醫(yī)療類建筑的冷熱源選擇提供了依據(jù)。