山東醫(yī)院建筑供暖能耗的調(diào)研及分析

高子龍， 李永安， 寧 宇

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

山東醫(yī)院建筑供暖能耗的調(diào)研及分析

高子龍， 李永安， 寧 宇

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

文章對(duì)山東地區(qū)78家醫(yī)院的建筑能耗進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，并針對(duì)供暖能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了能耗數(shù)值差異性分析與多因素綜合影響分析。發(fā)現(xiàn)供暖能耗存在差異性的主要原因?yàn)槭覂?nèi)熱環(huán)境參數(shù)的差異。揭示了供暖能耗與氣候影響因素、采暖度日數(shù)之間綜合作用的內(nèi)在規(guī)律。

供暖能耗； 差異性； 設(shè)計(jì)參數(shù)； 采暖度日數(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民健康水平的提高，醫(yī)院建筑的體量發(fā)展非常迅速。醫(yī)院建筑具有功能多、要求高、供暖空調(diào)系統(tǒng)使用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此，醫(yī)院建筑的能耗也大。據(jù)測(cè)算，山東地區(qū)醫(yī)院建筑的能耗支出占到醫(yī)院總支出的10 %左右。雖然影響醫(yī)院建筑能耗的因素很多，但是就醫(yī)院建筑供暖能耗而言，在不考慮一些社會(huì)與管理因素的前提下，氣候條件與室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)是影響醫(yī)院建筑能耗的兩大主要因素。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，同一地區(qū)各類型醫(yī)院與不同地區(qū)同一類型醫(yī)院在相同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與采暖方式下，其供暖能耗存在明顯的差異。為摸清差異的原因與供暖能耗和醫(yī)院建筑之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，筆者展開(kāi)了相關(guān)研究。為使研究結(jié)果更具客觀性，本文對(duì)其進(jìn)行了定性與定量研究。

1 醫(yī)院建筑供暖能耗差異性分析

醫(yī)院建筑供暖能耗通常高于其他類型公共建筑，并且不同類型的醫(yī)院建筑的供暖能耗更是參差不齊。以濟(jì)南市為例[1]，調(diào)研醫(yī)院建筑數(shù)量為39家，其中三級(jí)綜合醫(yī)院12家，三級(jí)專科醫(yī)院10家，二級(jí)及以下綜合醫(yī)院9家，二級(jí)及以下專科醫(yī)院8家。由調(diào)研數(shù)據(jù)可得，醫(yī)院建筑的供暖能耗總體上要高于其他類型的公共建筑。同時(shí)，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，看出供暖能耗隨醫(yī)院建筑類型及建筑規(guī)模的不同而不同，且差異顯著。其中三級(jí)綜合醫(yī)院建筑的供暖能耗在11.76～13.56 kgce/(m2a)之間，三級(jí)專科醫(yī)院建筑的供暖能耗為9.78～11.19 kgce/(m2a)，二級(jí)及以下綜合醫(yī)院建筑的供暖能耗在8.12～9.32 kgce/(m2a)之間，二級(jí)及以下專科醫(yī)院建筑的供暖能耗為7.51～8.23 kgce/(m2a)。針對(duì)采取市政熱力或鍋爐房供熱的醫(yī)院建筑在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行管理等方面差異并不大，尤其是同地區(qū)建筑，但是它們之間的能耗差距還是很大，糾其根源是不同類型與不同功能的醫(yī)院建筑對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的要求不同。當(dāng)然這并不是唯一的影響因素，也可能包括一些使用習(xí)慣以及醫(yī)院的知名度與服務(wù)性等社會(huì)因素。但就室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，筆者對(duì)我國(guó)現(xiàn)行各類型醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[2-6]中的要求做了詳細(xì)研究，簡(jiǎn)化為表1所示。

表1 不同類型醫(yī)院建筑室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)比較

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，醫(yī)院建筑的采暖設(shè)計(jì)參數(shù)可以有很大的跨度，且綜合醫(yī)院設(shè)計(jì)參數(shù)與專科醫(yī)院設(shè)計(jì)參數(shù)差異性很大。針對(duì)診室，最低可為18℃，最高可到24℃； 針對(duì)病房，最低可為20℃，最高可為24℃。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高1℃，供暖能耗約增加5 %。表面上，溫度的跨度在幾度范圍中，實(shí)則對(duì)能耗的影響卻很顯著。這說(shuō)明，室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)對(duì)供暖能耗的影響程度很大。進(jìn)一步對(duì)綜合醫(yī)院建筑各類病房進(jìn)行研究，其相應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)[4]如表2所示。從表2中發(fā)現(xiàn)，綜合醫(yī)院采暖設(shè)計(jì)參數(shù)因病房類型而不同，高則可達(dá)26℃，最低為20℃。如果拿綜合醫(yī)院產(chǎn)科病房的上限26℃來(lái)跟專科醫(yī)院做比較，發(fā)現(xiàn)高于專科醫(yī)院病房6℃。這說(shuō)明，醫(yī)院建筑供暖能耗必將高于其他公共建筑，且綜合醫(yī)院建筑能耗必將高于專科醫(yī)院，也因此，可以解釋綜合醫(yī)院費(fèi)用高于專科醫(yī)院的事實(shí)。但不足的是，我國(guó)相關(guān)醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范還較少，覆蓋面并不全面。比如我國(guó)并未有醫(yī)院分級(jí)詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明，所以并不能看出三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)等醫(yī)院在采暖設(shè)計(jì)參數(shù)上的差別。但是根據(jù)行業(yè)人士的經(jīng)驗(yàn)與閱歷，在三級(jí)甲等與二級(jí)甲等甚至更低等醫(yī)院之間，其要求的室內(nèi)熱環(huán)境是有所差異的。事實(shí)上，級(jí)別越高的醫(yī)院對(duì)采暖的設(shè)計(jì)溫度要求也越高，同樣其醫(yī)療費(fèi)用也越高。

表2 綜合醫(yī)院建筑各類病房室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)

綜上陳述，有關(guān)醫(yī)院建筑采用鍋爐房或市政供熱方式的采暖能耗有所差異的本質(zhì)原因在于其所要求的熱環(huán)境不同。級(jí)別越高的醫(yī)院其所要求的熱環(huán)境也越高，級(jí)別越低其要求也越低；相應(yīng)的醫(yī)療費(fèi)用也遵循該規(guī)律。

2 供暖能耗多因素量化分析

為了更好地反映影響供暖能耗的多因素綜合效應(yīng)，本文針對(duì)山東省地區(qū)計(jì)算采暖區(qū)的室外平均溫度t、采暖度日數(shù)HDD18與供暖能耗Q三者的關(guān)系開(kāi)展了研究。

2.1 針對(duì)t和HDD18進(jìn)行研究

依據(jù)規(guī)范[7]，整理出一組山東省多個(gè)地區(qū)的t與HDD18數(shù)據(jù)表(表3)。為保證數(shù)據(jù)處理時(shí)保證單值效果，筆者對(duì)規(guī)范所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了非單值效果下取平均處理，這樣，可以利用數(shù)學(xué)軟件Mathematica將二者的關(guān)系用一條曲線擬合出來(lái)(圖1)。對(duì)該擬合進(jìn)行相關(guān)性分析，可得相關(guān)系數(shù)R=0.95，R2=0.908，這說(shuō)明該曲線的擬合程度很好，滿足擬合要求。從圖1中也可以看出，隨著溫度的升高，采暖度日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，這說(shuō)明曲線的走勢(shì)是符合實(shí)際條件的。不妨進(jìn)一步對(duì)其做F檢驗(yàn)(取置信度99 %)。利用軟件可得F=7.03，F(xiàn)0.01(7，5)=10.45，F(xiàn)0.05(7，5)=4.88，即F0.05(7，5)

HDD18=1.29×107-1.288×107et+1.28×107t+6612112.7t2+1842575.4t3+835111.5t4-51549.4t5+58308.578t6

圖1 t與HDD18的擬合曲線

2.2 對(duì)t與q，HDD18與q進(jìn)行研究

同樣根據(jù)相關(guān)資料[7-8]得出表4、表5。其中供暖能耗Q在這里取規(guī)范中三級(jí)綜合醫(yī)院能耗限額約束值。q為經(jīng)過(guò)去掉各地級(jí)市經(jīng)濟(jì)權(quán)重系數(shù)后的折合能耗約束值。即認(rèn)為各地級(jí)市經(jīng)濟(jì)先進(jìn)水平一致。關(guān)于經(jīng)濟(jì)權(quán)重系數(shù)是根據(jù)各地級(jí)市先進(jìn)值除以先進(jìn)值平均值而得。通過(guò)權(quán)重系數(shù)，可以在一定程度上還原假設(shè)不受地區(qū)發(fā)展水平限制下的折合能耗q，同時(shí)利用q能更好地反應(yīng)醫(yī)院建筑的真實(shí)能耗。這里選擇了已知具體數(shù)據(jù)的六個(gè)地級(jí)市進(jìn)行數(shù)據(jù)表格制作。同時(shí)，分別給出二者擬合曲線，如圖2、圖3所示，在圖中也給出了擬合相關(guān)系數(shù)平方值。雖然圖2中R2比較小，但是從圖中來(lái)看，各點(diǎn)與曲線的吻合程度還是不錯(cuò)的。如果對(duì)其進(jìn)行四次方擬合，得到的結(jié)果R2=1，但是結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)的走勢(shì)，其發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)際不符，故最終采用三次方擬合，即圖2。在忽略了經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性的影響后，能耗值應(yīng)該符合隨溫度的增加呈減少的趨勢(shì)，所以三次方曲線是符合要求的。針對(duì)圖3，如果采用四次方擬合，同樣也會(huì)得到R2=1的結(jié)果，但是其趨勢(shì)與實(shí)際不符，故采用三次方進(jìn)行擬合。而且圖3本身R2已經(jīng)足夠接近1，說(shuō)明擬合程度非常好，而且其發(fā)展趨勢(shì)也符合實(shí)際情況。

表3 t與HDD18數(shù)據(jù)

表4 t與q數(shù)據(jù)

表5 HDD18與q數(shù)據(jù)

圖2 t與q的擬合曲線

圖3 HDD18與q的擬合曲線

通過(guò)對(duì)t、HDD18、q三者關(guān)系二維數(shù)學(xué)關(guān)系的擬合，發(fā)現(xiàn)，三者之間是一個(gè)互相影響的關(guān)系。僅僅利用二維數(shù)據(jù)對(duì)能耗的發(fā)展趨勢(shì)研究不具備很強(qiáng)的操作性。故綜合三者進(jìn)行三維空間擬合十分必要。首先給出三者數(shù)據(jù)關(guān)系表6，其次對(duì)此進(jìn)行擬合分析，得圖4和圖5，其中圖4為采用三次擬合條件下的圖形。當(dāng)采用更高次進(jìn)行擬合的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，曲面幾乎不再發(fā)生變化，故認(rèn)為三次擬合已收斂，擬合曲面已最佳。曲面方程為：

q=104.3-0.04554HDD18-0.0000162HDD182+7.2×10-9HDD183+18.356t-13.3t2+3.1t3

表6 t、HDD18與q數(shù)據(jù)

圖4 擬合曲面與空間點(diǎn)分布

(a)耗熱量分布 (b)耗熱量密度分布圖5 耗熱量分布與密度分布

觀察圖5(a)可得，在控制供暖能耗一定時(shí)，t是隨著HDD18的增加是先增加后減少的，而且能耗越小，t的波動(dòng)就越小，說(shuō)明采暖度日數(shù)的改變?cè)揭蕾囉诓膳鞌?shù)。反之，能耗越大，說(shuō)明HDD18的大小越依賴于室外平均溫度t。在控制t一定時(shí)，q是隨著HDD18的增加先減少后增加，而且t越小，q變化越快，說(shuō)明低溫對(duì)能耗的影響很大。反之，t越大，q變化越慢，說(shuō)明高環(huán)溫下能耗波動(dòng)下，這一點(diǎn)提示我們?cè)诖朔N地區(qū)，供熱能耗不是節(jié)能重點(diǎn)。在控制HDD18一定時(shí)，q是隨t的增加而增加的，在HDD18處于中間值時(shí)，q的增加較緩慢，在HDD18處于端點(diǎn)及端點(diǎn)附近時(shí)，q隨t的變化速率很大，這一點(diǎn)說(shuō)明，各地在采暖季應(yīng)合理安排采暖天數(shù)，不能過(guò)長(zhǎng)，也不能過(guò)短，應(yīng)當(dāng)盡可能取中間值。觀察圖5(b)，相近顏色之間過(guò)渡越不明顯，則由此構(gòu)成的區(qū)域中能耗值越接近。如果將其等價(jià)為一均值，則該均值出現(xiàn)的頻率越高，說(shuō)明實(shí)際生活中同一地區(qū)同類建筑中大部分建筑都處在這樣一個(gè)能耗水平，這就驗(yàn)證了對(duì)醫(yī)院建筑能耗研究時(shí)四大分類的正確性。針對(duì)三級(jí)綜合醫(yī)院，根據(jù)圖5(b)可知山東省該類建筑供暖能耗限額大致位于9.5～10.5 kgce/(m2a)之間。如果q采用真實(shí)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，那么同樣可以預(yù)測(cè)實(shí)際能耗的范圍。

綜上，將三維擬合曲面與二維擬合曲線進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，三維擬合比二維擬合更具有操作性，更能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)含義，更能揭示一些規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)同地區(qū)同圍護(hù)結(jié)構(gòu)同種采暖方式不同類型的醫(yī)院建筑供暖能耗具有顯著差異，其主要原因在于醫(yī)院建筑隨類型的不同，室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)不同。而且熱環(huán)境參數(shù)差異明顯，從而形成供暖能耗存在差異性的局面。故應(yīng)對(duì)醫(yī)院建筑供暖能耗進(jìn)行分類研究。

(2) 針對(duì)山東省一些地區(qū)的計(jì)算采暖期室外平均溫度t、采暖度日數(shù)HDD18與醫(yī)院建筑供暖能耗約束值Q，進(jìn)行了三類二維擬合與一次三維擬合。揭示了供暖能耗受多方面因素影響，并提出各地在采暖季應(yīng)合理安排采暖天數(shù)，不能過(guò)長(zhǎng)，也不能過(guò)短，應(yīng)當(dāng)盡可能取中間值。根據(jù)供熱能耗密度圖，可以初步預(yù)測(cè)供熱能耗的范圍。

[1] 寧宇. 山東寒冷地區(qū)醫(yī)院建筑能耗分布特征及能耗定額研究[D]. 濟(jì)南: 山東建筑大學(xué)，2016.

[2] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. GB 50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院. 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(暖通空調(diào)動(dòng)力)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[4] 國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)規(guī)劃與信息司，中國(guó)醫(yī)院協(xié)會(huì)醫(yī)院建筑系統(tǒng)研究分會(huì). GB 51039-2014 綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

[5] 中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司. GB 50849-2014 傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

[6] 中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司. GB 51058-2014 精神專科醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

[7] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. JGJ 26-2010 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[8] 山東建筑大學(xué). DB37/T 5079-2016 醫(yī)院建筑能耗限額標(biāo)準(zhǔn)[S]. 濟(jì)南：山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，2016.

[定稿日期]2017-07-05

山東省墻體材料革新與建筑節(jié)能重大專項(xiàng)(編號(hào):2014QC12)

高子龍(1992～)，男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能。

TU201.5

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