醫院改造項目中空調系統節能技術的應用

朱竑錦

（上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

0 引言

醫療技術通過多年的發展，取得了喜人的成績，然而許多老牌綜合醫院建造時間早，占地面積有限，經過多年的運營，硬件設施逐步老化，醫院引入新的醫療設備后，對相應的場地、配套的機電設備有了新的要求，因此老的綜合醫院改擴建成為當今醫院建設的新挑戰。通過幾個上海地區醫院改擴建中應用的節能技術與大家探討。

1 改擴建中的幾個關鍵點

醫院各科室，對于房間的溫濕度、空氣潔凈度、壓差等均有不同的要求。這些不同的使用需求催生了多樣化的空調系統來保證實現不同的功能。

醫院引入新的醫療設備和工藝后，對相應的場地、配套的機電設備都有了新的要求，從而促進了機電系統設計的進步和相應技術的升級換代。

空調系統在醫院運行中往往是用能大戶，一般占醫院能耗比約50%，甚至更高。降低空調系統的能耗，是節能改造的永恒的課題，也是空調設計的關鍵，因此要時刻了解和掌握行業新技術和產品的情況，加以正確使用，確保改造后系統能耗降低。

上海地區多數市區老牌三甲醫院場地空間非常有限，實施改擴建，好比在螺螄殼中做道場，必須充分做好現場的勘察工作，充分利用已有的平面和空間實現精確設計,發揮新系統的最大效果。

盡可能少影響甚至不影響醫院正常運行，對此工期和進度至關重要，這就要求參與工程的各個方面充分協商高度統一。

2 改造案例

2.1 上海復旦大學附屬華山醫院綜合樓手術部改造概況

改造區域位于醫院綜合樓的六至八層及八層上方的設備層。六至八層為凈化手術室（共23間手術室，其中2間百級其余萬級）及其輔房。此區域原空調水系統為四管制，冷源由大樓冷水機組和蒸汽雙效溴化鋰機組提供，冬季熱源及凈化空調箱再熱由鍋爐提供蒸汽經汽水換熱后提供，在當時這套系統是醫院設計的常規系統，此系統已經運行十多年(2002年投入運行)，設備已經老化，漏風嚴重，影響潔凈手術部正常運行，醫院決定進行改造。

2.2 潔凈手術部負荷特殊性

手術室（非百級）夏季采用空調箱一次回風，使用低溫的冷凍水通過換熱盤管將空氣進行降溫除濕，然后為保證送風溫濕度，再加熱到送風狀態點。冬季，手術室使用前，室內需要進行供熱，在正常手術時隨著室內熱量的增加，空調系統又需要切換到供冷、供熱同時存在的工況并配置加濕系統，因此潔凈手術部一年四季處于制冷、再加熱、制熱的特殊狀況。

2.3 改造方案

對整棟大樓空調系統進行改造將會嚴重影響大樓的使用，對于正常運營的醫院是不能接受的，且手術部相對重要，經過反復協商后決定設置獨立的潔凈手術部空調系統并和大樓原有系統設置可切換的方案，這樣既能使用新系統，又有原系統作為備用，提高了手術部系統運行的安全性。

暖通技術經過多年的發展，現今多功能四管制熱泵即可通過熱回收技術實現同時制冷和制熱。其制熱是熱回收再利用，熱源相當于免費供應，即僅消耗一份制冷的能量可得到同時冷、熱兩份能量的效果。

設計之初院方對采用多功能四管制風冷熱泵提出幾個問題：

1)風冷熱泵的運行隨著室外環境溫度波動而波動，特別是冬季機組融霜時能否保證室內溫度是一大疑問。

2)醫院場地有限很難找出熱泵機組及其配套水泵等的擺放位置。

3)手術部的負荷特點對于多功能四管制熱泵機組的性能要求很高，需滿足單獨制冷、制熱；同時制冷、制熱；當冷熱負荷不平衡時也能滿足同時制冷和制熱。

針對上述問題，我們進行了技術分析，對于夏熱冬冷地區，冬季熱負荷比夏季冷負荷小，選擇主機時以冷負荷為標準，對應的機組熱負荷會比計算熱負荷大，機組容霜衰減修正后滿足所需熱負荷。且上海冬季室外空調計算溫度-2.2℃，在機組合理室外溫度運行范圍內。

經多次實地考察，手術室八層設備層平臺剛好能夠放置風冷熱泵機組，其配套水泵等通過對設備層布置改動實現。表1為這次改造的冷熱源配置情況。

表1 大樓原冷熱源系統與改造冷熱源系統配置情況Tab.1 The situation of the original cooling and heating source system and current cooling/heating system in the building

從設計圖紙與實際竣工照片看出，設備放置“非常困難”，屋面放置好機組及水管后已“無從下腳”，只能在水管上架鋼平臺過人通道（如圖1～圖2所示）。

2.4 系統運行情況

獨立的多功能四管制風冷熱泵機組在手術部應用的好壞還是得用數據“說話”。

系統自2014年10月投入使用至2016年3月的一年多時間，手術部運營正常，醫生對手術部內溫濕度的感受反應良好。恰逢2016年1月24日至25日上海遇到罕見的寒潮，最低溫度達到-7℃，隨機選擇調出兩臺手術部空調箱（一臺20000m3/h及一臺4000m3/h）夏季（2015年8月）及冬季（2016年1月）的數據對其進行分析探討（如圖3～圖6所示）。

圖1 冷熱源布置圖Fig.1 Arrangement of cooling and heating cource

圖2 屋面平臺多功能風冷熱泵機組放置Fig.2 Layout of multi-use four pipe heat pump unit on roof platform

通過紀錄的數據可以看到，在夏季（8月）手術室內溫度維持在22～23℃的線性平均線上下波動，室內濕度在50%～60%范圍波動，而觀察風量20000m3/h的百級手術室時，可以發現夏季室內溫度偶爾會波動至16～17℃，通過對醫院運行管理人員及手術部醫生的訪問得知，手術部設備運行人員設置的基礎溫度為22℃，而實際手術過程中，醫生可以通過手術室內的控制面板對室內溫度人為進行調節，某些特殊手術是需要低溫的（如心臟手術等）。因此并無醫生反映溫度有不正常情況發生。

圖3 風量20000m3/h空調箱8月全天運行記錄Fig.3 All day running records of the AHU on August of the air volume 20000m3/h

圖4 風量20000m3/h空調箱1月全天運行記錄Fig.4 All day running records of the AHU on January of the air volume 20000m3/h

圖5 風量4000m3/h空調箱8月全天運行記錄Fig.5 All day running records of the AHU on August of the air volume 4000m3/h

圖6 風量4000m3/h空調箱1月全天運行記錄Fig.6 All day running records of the AHU on January of the air volume 4000m3/h

冬季（1月）數據溫度維持在21～22℃的線性平均線上下波動，濕度在45%～60%范圍波動，而在極端天氣1月24日至25日室外溫度-7℃時，熱泵機組受到頻繁融霜的影響，可明顯看到4000m3/h空調箱的室內溫度在18～21℃間波動，比平時運行溫度偏低些，而20000m3/h空調箱的室內溫度則在15～21℃之間波動，但是根據記錄的數據，室內的低溫（15～18℃）基本都是出現在凌晨，也就是機組夜間值機狀態，通過對醫院運行管理人員及手術部醫生的訪問，極端天氣這兩天白天手術室內部無明顯溫度下降的感覺。

從機組的運行記錄看出，多功能風冷熱泵機組的運行相對可靠，基本都能保持室內的溫濕度在合理范圍，而室內極端的溫度也都出現在非運行時的值機時段。

2.5 節能與經濟性

多功能四管制風冷熱泵，相對于原系統，控制方便，設備的運維管理更加簡易，更重要的是對于原系統減少了蒸汽-水換熱的環節，大大減少碳排放量。實現綠色改造的目的。經過初步的運行估算做出比較（見表2）。

表2 與原系統經濟性比對Tab.2 Comparison for the economical efficiency of the original system

由表中運行數據統計和能耗計算對比可以看出，多功能四管制風冷熱泵經過一年多的運行，能夠滿足醫患對手術部的工藝要求，相對于原系統不僅節約了21%的運行成本，在減少煤炭能源方面更加突出，相對于原系統減少了64.9%的碳能源消耗。

3 擴建案例

3.1 工程概況

上海華山醫院DSA(數字血管造影)擴建工程總建筑面積約450m2，共三層，一層為血管造影設備室、控制室及操作室，二、三層為DSA醫療輔助用房及空調設備平臺。空調系統需滿足一層DSA凈化區域對空調工藝的需求及滿足二、三層輔助用房間季舒適性空調的需求。

3.2 設計思路

項目在方案時提出希望采用一些非傳統暖通系統，來達到改善空氣品質和節能的目的。經過多次討論，比選出了溶液調濕溫濕度獨立控制系統的方案，項目設計時間為2009年，當時在醫院幾乎沒有該系統的應用實例，也沒有相關運行數據的支持，僅依靠理論的支持提出了這個方案，因此受到醫院與專家的質疑，如初投資增加，能否帶來可靠的工藝效果；除濕能力是否真的如理論般可靠；溶液除濕的“溶液”是否有害等。通過多次與專家和院方溝通，經過詳細的負荷計算對比，方案才最終得以落實，本項目主要保障對象為一層DSA手術室潔凈區域,因此主要以此塊區域做分析比較。

由于溶液調濕系統經過深度除降溫除濕的新風與回風混合減小了空調箱的制冷量，同時也解決了常規空調系統混風冷凍除濕后需要再熱的問題，可避免常規系統中熱濕聯合處理帶來的能耗損失；由溶液調濕系統處理濕負荷，這樣可以采用取高溫冷水的冷機，蒸發溫度提高，冷機COP可提高，高溫冷機承擔復核減少，冷凍水流量隨之減少，降低了水系統輸配能耗（見表3）。

對于醫院項目，能夠滿足空氣品質較高的要求，可精確控制溫濕度，避免出現室內濕度過高或過低現象。常規系統難以同時滿足溫、濕度參數的缺點得以解決，也可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求。室內顯熱可用高溫冷源承擔，空調末端可實現干工況運行，沒有冷凝水產生，杜絕房間里的潮濕面。

表3 常規空調系統與溶液調濕系統主機配置對比Tab.3 Comparison of conventional air conditioning system and temperature and humidity independent control system

3.3 系統簡介

風系統：由溶液調濕新風機組處理新風后，一路為風機盤管加新風系統，送至醫療辦公用房內承擔室內潛熱負荷，一路送入凈化空調箱，與凈化區域回風混合后處理至送風狀態點，送入一層DSA凈化區域，如圖7所示。

圖7 溶液調濕空調系統示意Fig.7 Schematic diagram of solution humidity control air conditioning system

水系統：采用高溫風冷熱泵機組，夏季供回水溫為14/19℃、冬季供回水溫為40/35℃。末端風機盤管實現干工況運行，解決了常規空調系統風機盤管集水盤容易積水，滋生細菌導致室內空氣污染的問題。

一層大部分區域為凈化區域，DSA室潔凈度為十萬級，其他區域潔凈度為三十萬級。凈化區域采用低速風道全空氣空調系統，末端采用亞高效過濾風口和高效過濾風口。其余辦公、會議、醫療房間末端均采用干式風機盤管加獨立新風系統。空調機房設置在三層，機房內放置高溫風冷熱泵、水泵、膨脹管罐、溶液調濕機組及凈化空調箱（如圖8所示）。

圖8 溶液調濕機組布置圖Fig.8 Layout of solution humidity control air conditioning system

3.4 系統運行情況

項目于2010年投入使用，干式風機盤管加新風在辦公等房間，夏季室內溫度在25～26℃之間，濕度40%～55%之間，室內露點溫度始終都低于冷凍水供回水溫度，保持室內干工況狀態，無結露產生。凈化區域溫濕度也能達到設計標準，溫度22～25℃，濕度35%～60%，凈化區域運行也很穩定，塵菌檢測等各項參數指標也都達標。

機組記錄圖可以看出，機組送風溫度一般在20～21℃（如圖9所示），送風含濕量在8～9g/g干空氣之間（如圖10所示），系統運行很穩定，在送風溫度與濕度的控制上“把握”得非常到位。說明溶液調濕系統能夠滿足房間舒適性功能要求，同時該系統對于醫院的工藝性要求也能夠勝任。

圖9 6～8月機組新風、送風溫度Fig.9 The fresh air and the supply air temperature of unit from June to August

圖10 6～8月機組新風、送風含濕量Fig.10 The moisture content of the fresh air and the supply air of unit from June to August

3.5 節能與經濟性

表4 兩系統主要設備初投資比對Tab.4 Initial investment comparison of two system starring devices

表5 全年運行能耗對比Tab.5 Comparison of energy consumption in full operation situstion

下表為常規系統與溶液調濕系統的設備投資成本比對，溶液調濕新風機組相對于常規機組在初投資價格上并不占優勢（見表4），需要由全年運行能耗對比來檢驗該系統投資是否可行（見表5）。

能耗分析：由于DSA手術室全年運行，其夏季運行模式按150d，平均負荷按照80%計算，冬季運行模式按90d，平均負荷按照80%計算，其余天數為過渡季運行模式，平均負荷按照50%計算，平均每天運行12h；上海市電價按1.07元/kWh計算。空調系統經濟性綜合比較見表4和表5，采用溫濕度獨立控制空調系統，初步估算每年可節約運行費用約4.71萬元，其運行費用約為常規空調系統的76.5%，考慮初投資增加16.6萬元，3.5a即可收回初投資，該系統在帶來高品質空調環境的同時，經濟效益比較明顯。

4 結語

醫院的建設是社會同病患的福音，隨著時代的進步，已建成的醫院同樣要跟上步伐，合理改擴建使其能夠更好地服務于社會，服務于病患。本文通過介紹暖通專業在醫院改擴建中實際案例，從方案到其竣工后的運行數據，我們認識到，任何醫院的改擴建必須根據實際情況因地制宜，盡可能地應用綠色、節能的技術使其在為廣大病患提供更加優質服務的同時實現節能減排。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50333-2013.醫院潔凈手術部建筑技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2013.