1. 前言
全球温室气体增长对生态系统构成威胁，我国提出碳达峰、碳中和的目标。医院成为碳排放“大户”，绿色转型是实现碳达峰目标的途径 [1] [2] [3] 。大中型综合医院的复杂性和对室内环境高标准的需求导致其能耗较高，为实现国家和地方的能源节约目标，医院建筑节能工作亟待加强。医院内部空间特殊，人员流动性大，要求内部暖通与空调系统时刻运行，以避免感染风险 [4] [5] 。因此，通过优化门诊大楼暖通空调系统，减少能源浪费，是一项具有现实意义的工作。
西方发达资本主义国家在城市化进程中，对既有建筑的节能改造越来越受重视，尤其在医院建筑领域，积极推动绿色发展和节能改造，致力于提高能源使用效率。英国在医疗设施发展方面通过绿色建筑评估标准和先进的理论探索，致力于提高医院建筑的节能水平。美国ASHRAE的调查 [6] 显示医院总能耗中三分之二与暖通空调系统相关，提供了有关暖通空调系统的能耗数据。日本岛根大学在医院建筑中推广新型余热发电系统 [7] [8] [9] ，通过新技术替代传统的冷热源组合，成功降低了空调采暖能耗。此外，西方发达国家还针对医院建筑颁布了绿色建筑指南和专门的技术规范标准，如美国LEED评估系统的《医疗绿色建筑指南》 [10] 和德国的VDI2176标准。我国在节能领域的研究和实践起步较晚，受全国气候多样性的影响，面临较大挑战。医院节能政策相对较晚，于2011年实施《绿色医院评价标准》、于2014年发布《综合医院建筑设计规范》。
为了应对不断增长的用能需求和日益加剧的环境问题，我们针对河北省某医院的采暖和空调系统，通过详尽的数据调查和分析，提出一系列的节能改造方案，以更有效地运行和维护这些用能设备，提高能源利用效率，减少能源消耗及运行成本，降低环境影响，深入分析和评估改进措施的经济和环保效益。
2. 建筑物概况
河北省某医院主要有五栋建筑，本文对其建筑功能、建筑面积与冷热源形式等进行调研，各调研建筑基本情况见表1。
Table 1. Basic information on the building
表1. 建筑基本信息表
3. 供暖系统分析
3.1. 供暖系统概述
河北省某医院采暖面积共计41618.0 m2，锅炉房设有2台湿背全自动燃油气热水锅炉，型号为WNS4.2-1.0/95/70-YQ，单台额定制热功率为4.2 MW，承压1.0 Mpa，额定供出水温度为95/70℃。具有占地面积小、燃气单位消耗量小、运行费用低、使用寿命长及维修费用低等特点。
其中1号楼、保健病房、3号楼、4号楼、5号楼、配电室为锅炉供暖。2号楼为空气源热泵供暖。1号楼、2号楼、3号楼、5号楼、保健病房和配电室末端为风机盘管，热源热水经锅炉房内板式换热器换热为40/35℃热水供风机盘管供热；3号楼散热器供热系统直接由锅炉出水供热。多级离心泵型号为KQDP50-16S*7，流量16 m3/h，扬程90 m，功率7.5 kW。采暖热水温度为95℃/70℃，循环水泵采用变频运行，供热管网为单管上供下回式采暖系统，热源管道埋地进入建筑物，室内采暖系统为普通散热器采暖。现供、回水管道安装有闸阀。医院采暖系统全天运行，全年运行约2880 h。
3.2. 供暖系统分析评价
经过对河北省某医院供热釆暖设计施工图进行复核以及模拟计算分析，室内热网设计参数能满足供热采暖要求。
热源设备选型过大，医院供暖锅炉单台供热量4.2 MW，供热面积39,932 m2，单位平米供热量在105 W。锅炉设备选型较大，建议加装气候补偿装置，根据室外气象参数变化，及时调整锅炉运行负荷。
锅炉房供热循环水泵均为定频运行，切水泵使用年限较长，电机老旧。建议更换水泵且加装变频控制系统，减少水泵耗电量。
4. 空调系统分析
4.1. 空调系统概述
空调系统包括水冷中央空调系统、空气源热泵空调系统、分体式空调三种形式：其中1号楼、保健病房、5号楼和配电室采用水冷中央空调系统，2号楼为空气源热泵空调系统，3号楼4号楼采用分体式空调。
医院1号楼、保健病房、5号楼和配电室为中央空调，2号楼为空气源，3号楼4号楼为分体空调。其中3号楼制冷和制暖形式均为分体空调，其他楼除2号楼(空气源)外，均使用锅炉供暖。中央空调系统用风冷热泵机组，具体为10台型号EKAC460BR1LHV机组，功率140 kW，5台型号EKAC460BR1LH-B机组，功率142 kW。空调机房冷水机组有2台型号YRWGWCT4550C/22，功率1494 kW，冷却塔循环泵3台，冷冻水循环泵3台，冷冻水补水泵2台，集中式中央空调系统在制冷机全天运行24 h，全年运行约150 d。分体式空调根据不同功能区域，人员随时启停使用，夏季制冷期和间使用运行时间约1200 h。夏季空调室内设定温度为26℃。
4.2. 主要空调设备能效分析
河北省某医院办公楼空调系统能耗占比大，结合现场调研，系统运行情况评价如下：
1) 水冷中央空调机组空调能效比COP值为3.39，配置合理运行良好，设备选型合理，能很好的满足室内温湿度的要求，如进一步减少中央空调机组能耗，可更换磁悬浮压缩机水冷机组，有效减少机组能耗及运维成本。
2) 水冷中央空调系统水泵、冷却塔等配套设备均为定频运行，且电机使用年限较长，建议更换水泵设备及冷却塔电机设备且加装变频控制装置，通过末端负荷变化调节水泵流量，减少水泵电耗。
5. 节能改造项目成效
5.1. 供热、空调系统循环水泵加装变频
供热、空调系统 [11] 在设计过程中都是按最大负载并增加一定余量设计，但在实际使用过程中，一年内满负载运行时间最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。根据在对河北省某医院锅炉房设备和中央空调系统配套设备的现场勘测发现，供热循环水泵、空调系统冷却水、冷冻水循环水泵、冷却塔风机均采用工频控制，几乎长期在满负荷下运行，系统匹配不合理，导致“大马拉小车”的现象发生，造成了能量的大量浪费，也恶化了系统的运行环境和运行质量。因此建议针对供暖空调系统循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔风机加装变频装置 [12] ，根据机组运行情况和末端负荷优化控制循环系统，以达到节能的目的 [13] 。
循环水泵加装变频器改造后，平均运行功率降低至额定功率的60%，即供暖循环泵运行功率13.2 kW，空调循环水泵运行功率27 kW，冷却塔运行功率7.44 kW。按供暖系统年运行时间2800 h，空调系统年运行时间2800 h计算，则全年节约电量为27.8万kWh。按平均电价为0.65元/kWh，每年可节约资金约为18.07万元。改造预计增加循环水泵及冷却塔变频设备的初投资约为20万元，每年运行费用节省量为18.07万元。则静态投资回收期约为1.1年。
5.2. 冷热源替换为新型土壤源热泵冷/热源
目前采暖热源为燃气热水锅炉制取，夏季空调主要采用水冷螺杆制冷机组制取。随着近年燃气价格逐年增高，采暖费用逐年增高；夏季空调采用传统电制冷空调，在室外环境温湿度较高时，系统整体运行效率不高。可考虑采用土壤源热泵供热/供冷系统 [14] [15] [16] ，利用医院绿化空地和停车场空地设置地热井，配合高效热泵机组可同时解决医院夏季制冷和冬季采暖的问题。
医院空调总负荷约为4400 KW，冬季供热负荷约为3400 KW，按夏季空调负荷设置地热井数量，每口100 m深U型管地热井换热能力为5 kW (50 W/m)，则需要地热井数量约1000个，按U型管地热井设置间距3.5 m计算，则预计需要1.3万平方米的安装空间，可以考虑利用医院绿化、停车场空地布置地热井，布设位置见图1。
Figure 1. Schematic diagram of the layout of geothermal wells
图1. 地热井布设位置示意图
土壤源热泵系统可同时满足冬季制热和夏季制冷，按冬季供热系数COP1 = 3.5(系统COP)，夏季制冷系数COP2 = 4(系统COP)，实际全年冷热负荷为设计负荷50%，供热年运行时间均为2800小时计算，制冷年运行时间3600h计算，年供热制冷能耗为326.8万kWh，按费用单价0.65元/kWh计算，年运行费用212.42万元。
医院原采暖成本燃气费用为268万元，夏季空调成本约为81.6万元，则每年可减少供暖空调成本137.2万元，土壤源热泵系统的初投资约为1200万元，则投资回收期为8.72年。
5.3. 生活热水辅热系统改造
医院太阳能生活热水系统采用电加热方式辅助加热，电力属高品位能源，用于加热生活热水成本较高。建议采用太阳能热水系统+空气源热泵辅助 [17] 的方式，可降低生活热水制取成本，减少能源消耗。河北省第六人民医院屋顶安装太阳热水集热器，太阳能热水集热组件安装580 m2，在阴雨天及冬季，太阳能集热器不能满足热水需求时，采用电辅热方式制取生活热水，生活热水主要用于病房、浴室等区域的热水需求。
医院目前每天热水用量约30吨，采用太阳能热水和电辅热相结合的方式，如电辅热满足总制热水量30%计算，则电辅热耗电量约为11.5万kWh/年，如采用空气源热泵辅助制取热水，耗电量约为原来的1/3，即3.8万kWh，每年可节约电费5.0万元，空气源热泵热水系统初投资约为30万元，则投资回收期为6.0年。
5.4. 节能改造方案小结
综上所述，针对上述系统存在的问题制定了全面的节能改造措施。节能改造措施全部实施后可有效减少能耗与碳排放，有效提高公共机构的节能水平，从而保障公共机构节能减排任务和节能指标的完成和达标。现将项节能改造措施带来的投资收益预估情况见表2。
Table 2. Estimated results of energy-saving retrofitting schemes
表2. 节能改造方案成效预估表
6. 总结
通过分析，空调通风系统、照明系统、用水系统等及其他用能系统均存在一定问题，具有改造潜力，建议进行合理改造。
1) 热源设备选型过大，河北省第六人民医院供暖锅炉单台供热量4.2 MW，供热面积39932 m2，单位平米供热量在105 W。锅炉设备选型较大，建议加装气候补偿装置，根据室外气象参数变化，及时调整锅炉运行负荷。
2) 锅炉房供热循环水泵、空调循环水泵、冷却塔等均为定频运行，切水泵使用年限较长，电机老旧。建议更换水泵且加装变频控制系统，减少水泵耗电量。
3) 医院供暖空调系统采用传统冷热源，能源利用效率低成本高，可考虑浅层地热能用于冬季采暖和夏季制冷，可有效降低供暖空调运行成本。
4) 医院太阳能生活热水系统采用电加热方式辅助加热。医院日热水用量大，用电加热成本较高，经改造采用太阳能热水系统 + 空气源热泵辅助的方式，避免了高位能源消耗的同时降低了医院日常运作的碳排放与经济成本。
参考文献