医院建筑暖通空调节能改造设计方法

赵伟

（深圳市华阳国际工程设计股份有限公司，广东深圳518000）

1 引言

建筑暖通空调系统的运行质量直接关乎室内环境舒适度，但同时暖通空调运行时的能源消耗量较大，加剧电力资源供应短缺的局面， 切实解决建筑暖通空调能源消耗偏高的问题迫在眉睫。 基于此， 需要深入研究建筑暖通空调的节能策略，以保证暖通空调功能得以正常实现为基本前提，改善能源消耗结构，最大限度减少能源消耗梁和污染物排放量，提高建筑绿色环保水平。

2 建筑暖通空调节能优化设计原则

1）低碳原则。 老旧暖通空调的能耗高，运行时的污染物排放量多，引起资源浪费和环境污染问题。 在建筑暖通空调优化设计中， 需要考虑资源利用最低化和污染物排放最小化的要求，确保设计的暖通空调达到国家规定标准，此举是对建筑暖通空调系统的约束， 也是顺应现代社会经济以及生态环境发展趋势的必行之举。 根据低碳原则设计暖通空调系统时，设计人员必须严格把控材料质量、施工工艺，确保建造成型的暖通空调系统满足低碳减排的要求。

2）协调设计原则。 建筑暖通空调系统集多类子系统于一体， 各子系统又由诸多零部件组成， 整体系统的组成错综复杂。 在设计暖通空调时，需要兼顾各子系统，保证子系统自身功能可正常实现的同时增强子系统间的协调性， 共同构成功能丰富、性能可靠的建筑暖通空调系统。 除内部协调外，还需要注重暖通空调系统与外部环境的协调， 尽可能通过设计手段减少外部环境受暖通空调系统的影响， 实现真正意义上的建筑暖通空调系统和周边生态环境的协调发展。

3）可循环原则。 在资源紧缺的背景下，设计人员需要探索资源的可循环利用路径，实现资源“变废为宝”的效果。 在基于可循环原则的建筑暖通空调系统设计中， 设计人员需要考虑暖通空调的运行特性以及资源供应情况， 寻找可回收利用的资源点， 采用技术手段将空调运行时产生的能源和废料进行转换，保障资源利用价值最大化。 设计中，可在建筑暖通空调系统内部形成多个自循环系统，共同提高节能水平。

3 医院暖通空调系统特点

1）医院建筑规模大，暖通空调系统的服务范围广，同时各功能区对暖通空调的功能提出特殊的要求。 随着医疗事业的发展以及居民生活水平的提高， 居民对健康状况给予更多的关注，对医疗机构设施、医疗环境均有更高的要求。 医院建筑除了为治疗疾病提供空间外，还需集医疗、教学、科研等功能于一体，使得医院建筑成为功能丰富的大型综合建筑。 在此发展现状下，医院暖通空调的数量增加，用能结构复杂，暖通空调的能耗显著增加[1]。

2）医院属于特殊场所，人员密集且对建筑内部环境有着特殊的要求，以室内环境的温度、湿度、风速等参数为例，手术室、分娩室、病房等空间均对各项参数提出明确的要求，并且由于空间功能的不同，参数控制标准也有区别。 而大型医疗设备以及信息数据机房均是医院的重要设施， 对暖通空调系统的功能稳定性有较高的要求，一旦暖通空调发生异常，室内环境难以满足仪器设备的正常运行需求， 从而影响医疗工作的正常开展。 此外，行政办公楼和住院病房对暖通空调系统的要求较为灵活，仅需提供常规的制冷和制热服务即可。 暖通空调的配置需要视功能要求而定， 暖通空调系统的结构以及运行机制均复杂多样。

4 医院暖通空调系统节能改造案例分析

某医院建筑面积约30 万m2，包含门急诊、病房、综合办公、科研、教学、大型医技、生活用房及保障用房。建筑墙体采用空心砖和预制混凝土结构，外窗为双层玻璃内遮阳。建筑消耗的资源类型有两类，一是暖通空调系统、照明系统、综合服务系统等消耗的电力资源，二是餐饮服务系统、供暖系统及特殊用能系统消耗的天然气。 医院暖通空调系统的运行时间长，运行负荷重，其中，制冷季节为5～9 月，制热季节为11 月～次年4 月。 照明系统、 特殊用能系统全年运行。 根据节能环保的现代建筑发展理念，剖析该医院建筑暖通空调系统的能源消耗现状，进行节能改造，提高供暖系统和空调系统的节能水平。

5 医院暖通空调系统节能改造设计

5.1 供暖系统的节能改造设计

燃气锅炉是重要的医院内部供暖热源， 其中≥2 台2 t 的燃气蒸汽锅炉提供医用蒸汽和生活热水热源，4 台10 t 燃气热水锅炉提供供暖热源。冬季取暖期，供暖量攀升，10 t 锅炉的运行数量达到3～4 台，严寒时期4 台10 t 锅炉同步运行，初寒和末寒时期运行数量为2～3 台。 非供暖期，蒸汽锅炉的运行数量为1～2 台，主要提供医用蒸汽、生活热水及洗衣房等热服务。 从医院锅炉房硬件设施配置现状来看，共设置12 台循环水泵，但均未配置变频控制装置，导致水泵运行时的资源消耗量增加。 因此，提出增设气候补偿器系统的节能改造方案，实施精准调控策略，降低供暖系统的能源消耗量[2]。

供暖系统的供热设备选型主要基于最大热负荷进行，而硬件设施实际运行时出现最大热负荷的时间短， 资源未被充分利用，在增设气候补偿器后，可以提升温度调节的灵活性，在室外环境空气的温度发生改变后随即进行调节。 关键调节机理在于通过对电动调节阀开度的改变来维持合适的供回水混合比例，以此优化换热站的运行状态，避免因供水温度调节不及时、不精准而大量消耗资源。

5.2 空调系统的节能改造设计

医院门诊楼和诊断楼共配置2 套空调系统， 功能分配情况为：1 台为舒适性空调系统， 用于调节非手术房间及楼内公共区域的空气；1 台为手术室洁净空调系统， 用于调节手术室的环境。 舒适性空调系统的关键设施在于新风机组，经过温湿度处理以及过滤处理后的新风被送至各房间， 提供新风送风功能。 风机盘管安装在各房间，布置较为灵活，可单独控制各房间。 洁净空调系统主要分布在楼内设备夹层，采用的是定风量全空气系统，在其调节作用下，使空间内的正压与洁净度均达到要求。 空调水系统有两管制和四管制两种形式，本建筑暖通空调系统采用的是如下配置方式： 楼内舒适性空调区域为两管制，夏季冷冻水和冬季二次热水连至分水器，通过阀门灵活切换供冷工况的冷冻水和供热工况的二次热水； 洁净空调水系统采用四管制，根据手术室对冷源的需求，配置的是2 台螺杆式冷水机组， 冷冻水与板式换热器二次热水连至供回水管道[3]。

根据本医院建筑空调系统的配置现状，进行节能改造设计。

1）水泵变频控制改造设计。 按照最大负荷设计中央空调系统并配置硬件设施， 而医院建筑暖通空调系统实际运行时的年平均负荷普遍低于设计负荷，根据既有运行资料可知，最大负荷出现的时间不超过总运行时长的10%， 常规方法是设置调节阀， 通过对此装置开度的调节来达到提高管网阻力的效果，虽然此方法的流量控制效果良好，但存在能源消耗量偏高的问题，无法从根本上提高节能降耗水平。 因此，需以建筑实际运行负荷为准，根据当前的负荷变化动态调节空调系统。

2）水泵变频控制改造设计。 （1）温差控制方式。 关键控制参数为供回水钢管温差， 根据现有装置的运行状况和医院暖通空调系统对水泵的要求设计供回水温差的控制标准， 通常以5 ℃为宜。 温差控制的工作机理为：为供回水管安装温度传感器，及时监测温度并对比分析供水管、回水管的测温数据，确定两者的温差，再向控制装置回传温差数据，将其与温差控制标准做对比分析，根据偏差灵活调节水泵流量，从而减少不必要的能源消耗。 （2）压差控制方式。 控制器的输入信号采用的是水气筒中压差值，采用自拌热，尽可能减少热量损失，设置厚度为20 mm 的石棉绳和玻璃纤维布（保护层），在防护结构的基础上，涂刷防腐漆，通过多层结构有效减少热量损失。

6 医院暖通空调系统节能改造前后的运行效果分析

以门诊楼建筑空调系统为例， 分析用电量、 折合标准煤量、减少CO2排放量及单位建筑面积节电量，改造后的能耗数据如表1 所示。

表1 门诊楼建筑空调系统改造后的能耗

每年5～8 月，冷水机组负荷均在50%以内，负荷率50%～80%， 离心式制冷剂COP 最高， 资源得到充分的利用。 机组COP 将由于长期保持负荷率低于50%的状态而降低， 单位冷量耗电量增加，存在喘振现象，不利于机组的稳定运行以及资源消耗量的控制[4]。 针对该问题，用DN250 管道连接门诊楼空调系统分水器和集水器，5～8 月使用门诊楼1 台冷机， 以较少的能源消耗来满足门诊楼的供冷要求。 制冷系统经过节能改造后的能耗情况，如表2 所示。

表2 制冷系统改造后的节能量

6 节能措施总结

医院暖通空调系统的能耗较高， 实施节能改造策略是降低能耗的重要举措。 在节能设计中，工作人员需评估现有暖通空调系统的运行状况，重点分析能耗较高的装置及运行环节，再从硬件配置、软件升级等方面寻找突破口，提升暖通空调的节能降耗效果。 经过本文的分析，做如下总结。

1）非供暖季独立设置小型燃气锅炉，装置性能与此阶段的负荷相适配，在正常实现功能的同时达到节能降耗的效果，仅以夏季为例，节能改造后可节省约5 万m3的天然气，减少约110 t 的CO2排放量。

2）冷水机组能耗偏高的问题可通过增加单台冷水机组供冷面积的方式解决，但必须确保各设施均可协调运行。 在增加单台冷水机组供冷面积后，机组保持高负荷率运行状态，资源得到充分利用，较之于改造前，COP 大幅提高。

3）在原设计方案中，冷却水水面采用敞开式的形式，随着暖通空调系统运行时间的延长， 冷机组冷凝器水侧结构堆积的杂质含量逐步增加， 引起愈发严重的堵塞问题， 导致COP降低，能耗增加，冷机组的服务品质降低，有关技术人员需予以高度的重视，调整结构配置方式、拦截杂质等，保证冷机冷凝器的正常运行。

7 结语

综上所述， 暖通空调系统在建筑工程中取得广泛应用，医院建筑各空间的环境要求高， 设计人员需要根据功能可靠、节能环保等要求设计医院建筑暖通空调，引入前沿的节能环保技术，配置节能减排的暖通设备。 经过本文的分析，阐述暖通空调节能设计的基本原则，并重点探讨了医院暖通空调节能改造设计策略，以期起到抛砖引玉的作用，为同仁的暖通空调节能改造设计工作提供参考。 同时，设计人员需持续深化设计理念，改进设计方法，提高医院建筑暖通空调的节能改造设计水平。