分布式供能系统在新建医院的应用实践

高雄伟

上海申能能源服务有限公司

1 前言

分布式供能系统靠近用户端、运行方式多样，相对传统的集中式供能系统，具有安全、清洁、高效、灵活的特点，可提高用户端用能安全可靠性，同时也可为电力、天然气削峰填谷。与传统的集中式供能系统相比，污染物与温室气体排放均大幅削减,系统所消耗的一次能源更少。通过用户的就地使用，减少了电能、热能等远距离输送引起的能源损耗。天然气分布式能源系统作为当前一种最可行的能源综合解决方案,已得到能源行业共识。

上海在分布式能源扶持政策方面形成了一系列的配套政策，先后出台了四轮发展专项扶持办法，项目遍布医院、宾馆、交通枢纽、办公楼，大型商务区域等，重点建设了一批以仁济医院为代表的新建三甲医院分布式能源项目和以虹桥商务区为代表的区域分布式能源站，分布式能源发展较快。本文主要分析讨论4个新建三甲医院的分布式能源项目的实践应用。

2 医院系统方案配置

2.1 医院能源需求分析

根据上海三甲医院的状况，确立以800张床位和建筑面积10万平米为新建三甲医院的典型规模。规划分布式能源系统首要的工作是负荷分析，用现有同类医院的统计能耗数据为基础，并结合软件预测，绘制了医院逐时负荷图（图1～图4）。

图1 冷负荷逐时图

图2 电力逐时负荷图

图3 热负荷逐时图

图4 热水负荷逐时图

医院建筑能耗量大，是一般公共建筑的1.6～2倍。其中电力消耗中的50%是用于空调。生活热水用量冬季大，夏季小，星期六、日小，平日大。用电量夏季大，冬季小，平日多，星期六、日小，夏季主要用于空调制冷。照明用电则与季节关系不大。

根据建立的模型能耗分析表明：

（1）电力年峰值负荷（不包括冷源）2 701kW出现在8月份，最小负荷554kW。

（2）冷负荷年峰值负荷9 455kW出现在8月份，最小负荷510kW。

（3）热负荷年峰值4 270kW出现在1月份,最小热负荷为600kW。

（4）热水负荷年峰值3 350kW出现在2月份，全年最小月为8月份，最小负荷120kW。

2.2 系统模式选择

根据以上的能耗分析，确定医院分布式能源系统的配置原则：

（1）机组容量：选择发电规模500kW以下的机组，能够确保机组全年连续运行。

（2）机型选择：医院存在热水需求，内燃机的余热中约有50%为热水，选择内燃机较为合适,优选整合热水型机组。图5、图6为可选的二种系统模式。

图5 350kW/250kW全热水模式

图6 (2×250kW)热水空调模式

根据医院实际情况（其他节能措施）,实际工程中采用系统配置如下：

仁济医院南院发电机组2×232kW，热水/采暖模式；奉贤中心医院发电机组357kW，热水/空调模式；瑞金医院北院发电机组340kW，热水模式；东方医院南院发电机组232kW，热水模式。

2.3 安全控制系统

根据医院项目的安全运行要求，建立系统总体的监控,采集重要数据,包括发电量余热燃料消耗热参数等。最重要的是需要针对医院项目增加安全措施，特别是确保医院供电的安全性。

2.3.1 电力负荷跟踪系统

医院供电安全尤为重要，不能因为设置了分布式供能系统而增加医院断电的可能性。由于采用并网不上网的模式，都采用了防逆功保护模块，一旦产生逆功，将及时解列发电机组。正常情况下这种设置已经足够安全，属于被动式安全装置，但尚不能确定解列的及时性以及可能有其他潜在风险的发生，为确保安全，在项目系统中增设了主动性防护，即在逆功有可能产生前提前降低运行功率或者主动解列。

2.3.2 主动防护措施

（1）动态的负荷跟踪

（2）设置买电功率（50kW）

设置启停功率，确保在可以开启的时候运行（50+70%机组额定功率），买电功率小于50kW，先降功率，功率调整后买电功率还是小于设定值，再停机。主动性防护措施先于逆功模块前运作，双重逆功保护，同时确保机组在较高负荷率运行。

3 医院运行分析

3.1 年运行时间

项目建成后，实测各台机组的一年实际运行时间，包括机组的维护停机，改造，四个项目目前运行时间均可达2 000h以上。 图7～图11分别为各套机组年度分月运行小时图。

图7

图8

仁济医院供电为一部制单一电价（其他医院为二部制电价），因此具备24h连续运行的条件。2套机组均为232kW，生活热水兼顾采暖模式，冬季运行时间较长，夏季生活热水需求少，仅单套机组可以连续运行。1套232kW机组，热水模式，夏季也可较长运行时间，其中6、7月有技术改造暂停运行。

瑞金医院采用了340kW机组，热水模式，冬季/过渡季均可连续运行时间长，夏季运行时间略少，与预期预测相符（图9）。（电力负载在设计阶段作了优化，保证过渡季可满功率运行。5月有热水系统改造）。

奉贤中心医院采用了357kW机组，热水和空调模式，夏季/冬季连续运行时间长。过渡季目前没有运行，因并网点电力负荷没有达到满功率运行条件（电力负载暂未作优化）。1～3月处于试运行阶段，数据不全。（图10）

东方南院为单套232kW机组，热水模式，夏季也可较长运行时间，（6、7月有技术改造暂停运行）（图11）

图9

图10

图11

通过分月运行验证，可以说明项目前期设置的模式和规模选择基本合理，确保了机组均能运行2 000h以上，随着医院负荷需求的正常化，机组年运行小时有望达到3 000h级别。

3.2 节能验证

对医院分布式供能系统的实际运行数据分析，验证系统的节能效果。表1为上述其中一家医院一年运行的实测数据。

表1 医院年运行效率实测数据

数据表明年满功率运行4 770h，年发电效率32%，年热回收率54.5%,运行综合效率86.5%。年减排二氧化碳33%。年节约标煤550t标准煤。

3.3 经济性和预期

按当前的能源价格、维护成本、造价，投资的静态回收时间约39 000h。经济性不是很理想，这也是目前分布式能源产业不能快速推广的主要原因。重要的解决途径是提高经济性，可以采取以下几个优化措施：

（1）气价下调20%（已有可能）

（2）降低维护费用至0.15元/kWh

（3）机组造价至15 000元/kW

图12 经济优化措施的效果预期

通过以上的措施，从39 000 h缩短到22 500h（见图12），相当于静态回收年从10～16年缩短为5～9年，应用推广的商业价值开始显现。再考虑到目前激励政策，回收时间可能缩短在20 000h内，具备一定的市场商业运行价值。

4 应用实践总结

从运行实践表明，新建医院的分布式供能系统获得了成功，从技术特点和运行模式上有值得推广的经验。

4.1 技术设计

（1）采用嵌入式、模块式设计

根据医院的系统模式和负荷特点（本质上也是一种空调采暖负荷），采用并网不上网的模式，嵌入式的设计，是一个实用明智的选择，保证了年运行时间。另外模块化、嵌入式的系统今后更利于项目推广。

（2）热电平衡设计，优先热水利用

这种原则下分布式系统的热水系统替代了原锅炉系统部分产能，成本节约效果明显。基于内燃机系统有50%左右的直接热水产出，很多机型有热水整合型机组，效率高和系统安装方便，便于市场快速推广。

（3）医院功能安全

系统的控制设置根据医院供能安全的要求，增加双重逆功保护，设置电力负荷跟踪及控制系统等。

4.2 运行和模式

（1）医院项目以热水模式为主,单纯的空调制冷模式需做充分研究。

空调模式的优点可以适当提高规模，但也受制于电负荷的平衡（医院上网的模式目前不建议推荐，今后需要根据政策再研究），但空调本身运行时间也仅在空调季节。同时制冷的替代成本低，用分布式余热制冷竞争力不高。需要增加溴化锂机组的投资，需要做综合的技术经济分析才确定。

（2）规模设置与运行时间

在医院项目中，250～500kW的规模均可运行2 000h以上，其中250kW的热水模式可以运行3 000h，350/500kW热水模式/空调模式有条件运行2 500h以上。

（3）100%功率运行

主要是模块化系统的优势，100%运行效率高，运行简单可控。目前机组维护成本较高，满发工况下，机组维护约占总运行成本的25%左右。如果在50%功率下，维护成本将接近翻倍，占总运行成本的40%。

5 建议

根据项目实践，建议医院项目发展规模在2套350kW～500kW机组为宜。未来需要进一步深入的工作如下：

（1）选择机组和系统的匹配，力求降低系统造价，进一步进行350kW/500kW的热水兼蒸汽模式的示范。

（2）根据项目实践，总结经验。建立包括模块化设计、施工安装、运行维护等工作的指南和标准。

（3）培养建立分布式系统的维护队伍，降低运维成本。

机组维护成本较高，而且设备供应商提供的运维与项目运行与实际需要存在一定的差距，这些制约了项目的推广及经济效益。因此需要培养建立能源服务公司自己的运维队伍，降低维护成本，提高运维水平。