洁净手术部空调系统能耗分析

史佳成，谢 慧，梁 薇

（北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083）

0 引言

20世纪以来，我国公共建筑总面积增长近3倍，由相关统计表明，公共建筑能耗水平远超一般建筑能耗，可达到后者的8～10倍。同时由于医院建筑的特点，涵盖多种医疗任务，大型医疗设备多，人流量大，空调使用时间长，使得医院建筑能耗水平较高［1］。

在医疗建筑总能耗中，空调系统能耗占比达到一半左右，成为医院建筑用能的重要组成［2］。相关研究表明，医疗建筑空调系统的能耗可达到一般公共建筑的2倍左右［3］。胡仰耆等［4］调研得到上海市11家三甲医院单位面积能源消耗指标全部在 200 kW·h/（m2·a）以上。陈珊［5］对西安市医疗建筑进行调查研究得出该地区的医疗建筑的能耗指标为 200.1 kW·h/（m2·a），且空调系统的能耗占医院总能耗的60%。

在医院中，由于洁净手术部的特殊用途，要求空调系统有严格的送风量、科学的气流组织，并按手术要求严格控制室内温度、湿度和压力等相关参数，因此洁净空调系统具有送风量大、阻力高，输配系统能耗高等特点［6］。且手术室空调系统的冷负荷约为一般空调系统冷负荷的2～3倍，冷热源消耗也相对较高。在设计阶段时，设计人员往往按照设计标准的最高级别来进行设计选型，甚至在实际运行时，送风量可能已经超出标准范围，也导致手术部空调系统能耗远超其他空调系统［7］。

为此我国专门对手术部的相关技术要求做出了规定，在2002年及2013年先后出台了两版《医院洁净手术部建筑技术规范》。这两版国家标准都对手术部的相关参数提出了明确的要求，但对风量的上限值并没有严格限定。因此存在初期对手术部风量设计不合理的情况，造成一定的能源浪费。世界各国对于手术部的参数特别是风量都有相关标准，但不同国家对于手术室环境的控制理念及方式存在差异，导致风量等参数不同，能耗也存在差异。

基于以上背景，本文对北京市某医院展开调研及相关测试，研究其手术部洁净空调系统能耗大小及相关特点，建立手术部能耗模型，结合调研实测数据验证模型。在该模型的基础上，结合我国两版《医院洁净手术部建筑技术规范》设置不同标准工况，对比分析我国标准工况下的能耗大小。同时综合其他国家相关标准，将风量调整到不同规范所要求的限值，对比研究各国标准工况下的能耗大小，分析各国标准的能耗差异，研究不同标准的节能潜力。

1 能耗现状及能耗分析

北京市某医院是一所多功能三级综合医院，建筑面积159 609 m2，主要能源消耗为电、水、气和集中供热。近年来医院业务量逐年增长，基础设施逐步升级，大型耗能医疗设备逐渐增加，为保证医院的正常运行，医院的能耗水平持续上升。近两年能耗统计数据显示：2018年用电量1 606 万 kW·h、 用 水 量 1.8×108kg、 用 气 量11万m3、集中供热量4万GJ。其中水电能耗成本最高，2018年医院水电费达1 728.7万元，占医院所有能耗费用的90%以上。整理该医院近4年能源消耗，数据见表1。

表1 能耗统计Tab.1 Statistical table of energy consumption

通过对该医院能耗管理平台的调研，结合能源账单中的分项统计对该医院医技综合楼进行电耗拆分。结果显示，2018年该医院综合楼全年耗电818万k·Wh，暖通空调系统耗电387万k·Wh，约占全年能耗的47%，该医院门诊综合楼2018年能耗占比如图1所示。

图1 大楼电耗占比Fig.1 Proportion of power consumption of a building

由图1可知暖通空调系统电耗占整个大楼耗电量的49%，是耗电最大的分项，其次为医疗设备以及照明耗电。

对该楼5层的洁净手术部区域进行能耗调研，结合其能源账单得到该医院5层手术部区域暖通空调系统2018年耗电83万kW·h，能耗指标为 546 kW·h/（m2·a）。调研得知该洁净手术部冷源为冷机制冷，热源为市政热水，因此该医院空调系统能耗主要为电能和市政热水。处于供冷季时，系统主要能源消耗为电。处于供暖季时，系统不仅需要耗电还需要消耗热水来为手术室提供热量。本研究只对洁净手术室空调系统的耗电量进行了研究，因此并不含市政热水等其它能源换算为等效电的电耗，对其能耗进行逐月拆分得到该手术部逐月能耗分项结果如图2所示。

图2 手术部空调系统逐月电耗分项Fig.2 Monthly power consumption breakdown of the air conditioning system of the surgical department

由图2可知，该手术部空调系统夏季耗电量最高，过渡季最低。该手术部空调系统能耗拆分为3个部分，第1部分是冷源部分，冷源部分包含冷机冷却塔及输配系统能耗。夏季供冷季时，冷源电耗在暖通空调能耗占比最大。第2部分是热源部分，该医院热源采用市政热水，医院配有热力站，但本次能耗只统计电耗没有将市政热水消耗折算为电能，故冬季能耗较低。第3部分是机组部分，空调机组冬季耗电较高。手术部空调系统能耗占比情况如图3所示。

图3 手术部空调系统电耗占比Fig.3 Power consumption proportion of the air conditioning system of the surgical department

不同于一般民用的空调系统，洁净空调系统中空调机组的耗电量较大，是该手术部空调系统耗电较大的部分。洁净空调机组由于其特殊性，机组风量高，过滤阻力大，造成风机电耗大，再热量也较大，同时机组采用电加湿的处理方式，也导致该手术部空调机组耗电大。针对机组耗电较大的现象，对该医院手术部空调机组近4年逐月耗电进行统计分析，如图4所示。

由图4可知，洁净空调机组的电耗在冬季比较高，高于夏季和过渡季，室外气象条件的变化对机组电耗影响较大。空调机组电耗趋势原因分析：（1）冬季新风预热增加耗电。（2）冬季机组采用电加湿模式电耗较大。（3）冬季手术部的设备开启策略改变，空调系统预开时间延长。（4）该医院手术部的冬季手术量高于夏季。

图4 手术部空调机组逐月电耗电Fig.4 Monthly power consumption of the air conditioning unit of the surgical department

2 手术部模型的建立及校验

结合实际情况利用能耗模拟软件对该手术部进行建模并验证模型，为之后的能耗对比分析提供依据。

2.1 手术部模型的建立

选择建筑能耗动态模拟软件EnergyPlus建立能耗模型，通过实际调研及相关测试，对该医院手术部进行建模。该医院五层洁净手术部位于医技综合楼五层内区，占地面积约1 500 m2。包括9间手术室及相关走廊附房，其中5间Ⅰ级手术室，3间Ⅱ级手术室，1间Ⅲ级手术室。该手术部空调系统冷源由冷站内的制冷机组提供，热源由换热站的市政热水提供。

由于手术部洁净走廊以及清洁走廊的附属房间较多，面积大小不均，但洁净等级以及相关室内参数相差不大。为了研究的方便和变量的统一，使得研究更具有针对性，对洁净手术部模型进行简化，将附房与相应的走廊合并为一个区域进行研究。结合手术部实际调研情况及相关设计建设资料对模型参数进行设置。

该手术部模型及其分区示意如图5所示。

图5 手术部模型示意Fig.5 Schematic diagram of the surgical department model

2.2 手术部模型校验方法

能耗模拟模型常用的验证方法是利用实际能耗值进行比较，选择逐时数据验证的可靠性最高，但校验时想获取实际的逐时能耗存在困难，因此通常选择更易获得的逐月能耗和全年能耗作为验证依据，通过真实逐月耗电量与模拟该月能耗值对比得到月偏差EERm，i、年偏差EERy和标准差变化系数 δm［8-10］，计算公式见式（1）～（5）。

式中 Mture，i——第 i月能耗实际值（1≤ i≤12）；

Mcacl，i——第 i月能耗 模拟计算值；

RMSE ——月能耗均方差；

将计算出的指标数值与表2［11］中的相应数值进行对比，若符合表中的偏差范围，则可认为该模型可靠性较高，能够反映建筑实际的能耗情况。

表2 可接受模拟偏差指标范围Tab.2 Index range of acceptable simulation deviations

2.3 手术部模型实测校验

对能耗模型进行验证，通过实际调研并结合医院运维部门的相关数据，对5层手术部进行能耗统计，以及未单独监测计量到的耗能项进行能耗拆分。结合上述方法分析整理2018年手术部空调系统实际运行电耗，并将模拟结果进行对比分析并逐月校验，结果如图6所示。

图6 逐月能耗对比结果Fig.6 Comparison results of monthly power consumptions

通过对比分析，该模型年总能耗偏差较小，年偏差EERy为5%，计算得到的最大月偏差EERm，i出现在12月份为13%，标准差变化系数为7%。对比表3中各项指标，模拟结果符合M & V要求，同时也基本符合其他两类指标要求。

同时对模型输出的手术部温湿度进行验证，该手术部逐月平均温湿度输出结果如图7所示。

图7 温湿度结果Fig.7 Temperature and humidity results

由图7可知该手术部模型输出的温度基本在规范要求的21～25 ℃的区间内，相对湿度也基本满足规范中30%～60%区间的要求。

误差分析为：（1）实际气象条件存在一定误差；（2）空调系统运行时间及实际手术量等随机参数存在一定误差；（3）设备实际运行状态存在一定误差；（4）电表计量误差。

综上所述，尽管存在一定偏差，但模拟结果基本能够反映真实的能耗状况，且满足误差率相关要求，因此认为该模型及其输出结果较可靠。

3 不同设计标准下手术部能耗分析

为研究该手术部的能耗现状及我国《医院洁净手术部建筑技术规范》工况下的能耗，利用本文建立的手术部模型，其它参数保持不变，选择我国于2002年颁布的GB 50333—2002《医院洁净手术部建筑技术规范》［12］及2013年颁布的GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》［13］设置工况进行模拟，分析新版标准与旧版标准的差异，探究两版标准带来的节能潜力。

为研究我国及世界其他国家洁净手术部空调系统的能耗情况，选择美国标准ASHRAE170［14］，美国退伍军人事务部《外科设施设计导则》［15］，日本标准 HEAS-02［16］，英国标准 HTM01-03［17］以及西班牙标准UNE100713［18］对手术部的相关要求设定工况进行模拟，分析各国标准下的能耗水平及能耗差异。

以单位面积年耗电量作为评价能耗水平的对象进行研究。

3.1 国内标准能耗对比分析

根据GB 50333—2002中规定的各级别洁净区域的风量上下限值分别设定工况1，工况2。由于GB 50333—2013只对各级别洁净区域的风量下限做出规定，因此只设定风量下限值作为工况3，工况的设定值参考文献中的相关要求［12-13］。分别模拟该手术部在以上几种工况下运行的能耗结果，并与手术部能耗现状进行对比分析，结果如图8所示。

图8 国家标准工况能耗对比Fig.8 Comparison of power consumptions under the national standard operating conditions

由图8可知新标准下限能耗较低，低于旧标准上限，旧标准下限及该手术部能耗现状。说明我国新颁布的GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》在保证手术部洁净度等相关使用要求的情况下还降低了部分能耗。该医院手术部空调系统能耗现状指标约为550 kW·h/（m2·a），接近旧版标准的上限工况能耗，高于新旧两版标准的下限工况能耗。由于该手术部于2013年建成，按照旧的标准设计建设，且该手术部在设计时，存在风量设置过大甚至超过标准上限值的情况，造成了不必要的能源浪费。

以该手术部能耗现状作为基准，按照旧版标准风量的上限及下限工况运行分别可节能3%及9%。按照新版标准设定的风量下限运行，能耗指标约为460 kW·h/（m2·a），相较该手术部现状可节能16%，年节电量可达到约13.5万kW·h。同样是风量下限值的工况，新版标准比旧版标准可降低10%的能耗。由于新版标准优化了对送风量的要求，例如手术室及走廊等换气次数均有下调，促进了手术部洁净空调系统的节能降耗。结合我国实际情况，我国大部分医院及其手术部建造时间较早，遵循当时的旧版国家标准进行建设。近年来随着医疗体系的不断升级，新建及改建手术部规模不断增加，大量手术部有待升级改造，存在大量的节能空间。同时结合能耗现状及国家标准工况下的能耗可为我国洁净手术部空调系统能耗的限额提供思路。

3.2 国内外标准能耗对比分析

为对比分析我国及世界各国手术部建设相关标准规范的能耗大小及差异，选择日本，英国，西班牙及美国的相关标准作为对比工况。将标准中风量要求的下限分别输入模型，工况的设定值参考文献中的相关要求［14-18］。分别模拟该手术部在以上几种工况下的能耗，并与我国新版国家标准工况下的手术部能耗进行对比分析，结果如图9所示。

图9 世界各国标准工况能耗对比Fig.9 Comparison of power consumptions under the standard operating conditions of different countries in the world

由图9发现，我国标准下的能耗低于上述标准能耗的中位数。美国VA导则，西班牙及英国标准能耗水平较高。这些标准不仅要求一定的换气次数，而且均采用全新风的方式进行空气处理，认为该方式能够提供更好的医疗环境，因此能耗相对较高。美国ASHRAE标准，日本标准及我国标准能耗较低，主要是由于这些标准要求的风量值较小且设置了合理的回风，允许空气循环，新风量也相对较小，因此能耗相对较小。以我国国家标准下的单位平米年能耗为基准，西班牙标准下手术部能耗较高，超过我国标准工况下能耗的56%，其能耗指标为739 kW·h/（m2·a）。美国ASHRAE标准下能耗较低，相较于我国标准下的工况可节能21%，其能耗指标为377 kW·h/（m2·a）。综合美国VA导则，西班牙及英国标准，我国标准下的手术部能耗水平较低，相较于美国ASHRAE以及日本标准，我国标准下的能耗水平还存在一定的节能潜力。考虑到日本美国等发达国家对手术部建设的研究起步较早，相信未来经过多学科研究及论证，我国在进行标准规范的修订时能够更科学合理的优化指标参数，在保证洁净度的条件下进一步降低能耗，为保护环境做出更大的贡献。

4 结论

（1）2018年该医院手术部暖通空调能耗83 万 k·Wh，能耗指标为 546 kW·h/（m2·a）。不同于非洁净空调系统，手术部空调机组能耗占比接近一半，为整个暖通空调系统耗电最多的部分。空调机组冬季耗电量高于夏季及过渡季，采用电加湿空气处理方式的空调机组耗电量较高。

（2）该手术部洁净空调系统能耗较高，主要原因是其空调系统风量设置过高，造成了一定的能源浪费。以该手术部为例，在满足洁净度要求的情况下，新版《医院洁净手术部建筑技术规范》GB 50333—2013相对于能耗现状可节能16%。同样是送风量下限，新的《医院洁净手术部建筑技术规范》GB 50333—2013工况相对于旧版标准的工况可节能10%。由于我国大部分医院及其手术部建造时间较早，设计建设均按照当时旧版标准的要求，大量手术部有待升级改造，因此我国手术部洁净空调系统有较大的节能潜力。同时结合国标工况的能耗模拟可为能耗限额提供一定的思路和依据。

（3）利用变量分析方法，综合美国，日本，英国，西班牙的相关国家标准与我国标准进行比较发现：我国标准下的手术部能耗水平较低，数值处于中位数之下。与日本美国等发达国家相比我国标准下的手术部能耗还存在一定的节能空间。