分布式供能系統在新建醫院的應用實踐

高雄偉

上海申能能源服務有限公司

1 前言

分布式供能系統靠近用戶端、運行方式多樣，相對傳統的集中式供能系統，具有安全、清潔、高效、靈活的特點，可提高用戶端用能安全可靠性，同時也可為電力、天然氣削峰填谷。與傳統的集中式供能系統相比，污染物與溫室氣體排放均大幅削減,系統所消耗的一次能源更少。通過用戶的就地使用，減少了電能、熱能等遠距離輸送引起的能源損耗。天然氣分布式能源系統作為當前一種最可行的能源綜合解決方案,已得到能源行業共識。

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，先后出臺了四輪發展專項扶持辦法，項目遍布醫院、賓館、交通樞紐、辦公樓，大型商務區域等，重點建設了一批以仁濟醫院為代表的新建三甲醫院分布式能源項目和以虹橋商務區為代表的區域分布式能源站，分布式能源發展較快。本文主要分析討論4個新建三甲醫院的分布式能源項目的實踐應用。

2 醫院系統方案配置

2.1 醫院能源需求分析

根據上海三甲醫院的狀況，確立以800張床位和建筑面積10萬平米為新建三甲醫院的典型規模。規劃分布式能源系統首要的工作是負荷分析，用現有同類醫院的統計能耗數據為基礎，并結合軟件預測，繪制了醫院逐時負荷圖（圖1～圖4）。

圖1 冷負荷逐時圖

圖2 電力逐時負荷圖

圖3 熱負荷逐時圖

圖4 熱水負荷逐時圖

醫院建筑能耗量大，是一般公共建筑的1.6～2倍。其中電力消耗中的50%是用于空調。生活熱水用量冬季大，夏季小，星期六、日小，平日大。用電量夏季大，冬季小，平日多，星期六、日小，夏季主要用于空調制冷。照明用電則與季節關系不大。

根據建立的模型能耗分析表明：

（1）電力年峰值負荷（不包括冷源）2 701kW出現在8月份，最小負荷554kW。

（2）冷負荷年峰值負荷9 455kW出現在8月份，最小負荷510kW。

（3）熱負荷年峰值4 270kW出現在1月份,最小熱負荷為600kW。

（4）熱水負荷年峰值3 350kW出現在2月份，全年最小月為8月份，最小負荷120kW。

2.2 系統模式選擇

根據以上的能耗分析，確定醫院分布式能源系統的配置原則：

（1）機組容量：選擇發電規模500kW以下的機組，能夠確保機組全年連續運行。

（2）機型選擇：醫院存在熱水需求，內燃機的余熱中約有50%為熱水，選擇內燃機較為合適,優選整合熱水型機組。圖5、圖6為可選的二種系統模式。

圖5 350kW/250kW全熱水模式

圖6 (2×250kW)熱水空調模式

根據醫院實際情況（其他節能措施）,實際工程中采用系統配置如下：

仁濟醫院南院發電機組2×232kW，熱水/采暖模式；奉賢中心醫院發電機組357kW，熱水/空調模式；瑞金醫院北院發電機組340kW，熱水模式；東方醫院南院發電機組232kW，熱水模式。

2.3 安全控制系統

根據醫院項目的安全運行要求，建立系統總體的監控,采集重要數據,包括發電量余熱燃料消耗熱參數等。最重要的是需要針對醫院項目增加安全措施，特別是確保醫院供電的安全性。

2.3.1 電力負荷跟蹤系統

醫院供電安全尤為重要，不能因為設置了分布式供能系統而增加醫院斷電的可能性。由于采用并網不上網的模式，都采用了防逆功保護模塊，一旦產生逆功，將及時解列發電機組。正常情況下這種設置已經足夠安全，屬于被動式安全裝置，但尚不能確定解列的及時性以及可能有其他潛在風險的發生，為確保安全，在項目系統中增設了主動性防護，即在逆功有可能產生前提前降低運行功率或者主動解列。

2.3.2 主動防護措施

（1）動態的負荷跟蹤

（2）設置買電功率（50kW）

設置啟停功率，確保在可以開啟的時候運行（50+70%機組額定功率），買電功率小于50kW，先降功率，功率調整后買電功率還是小于設定值，再停機。主動性防護措施先于逆功模塊前運作，雙重逆功保護，同時確保機組在較高負荷率運行。

3 醫院運行分析

3.1 年運行時間

項目建成后，實測各臺機組的一年實際運行時間，包括機組的維護停機，改造，四個項目目前運行時間均可達2 000h以上。 圖7～圖11分別為各套機組年度分月運行小時圖。

圖7

圖8

仁濟醫院供電為一部制單一電價（其他醫院為二部制電價），因此具備24h連續運行的條件。2套機組均為232kW，生活熱水兼顧采暖模式，冬季運行時間較長，夏季生活熱水需求少，僅單套機組可以連續運行。1套232kW機組，熱水模式，夏季也可較長運行時間，其中6、7月有技術改造暫停運行。

瑞金醫院采用了340kW機組，熱水模式，冬季/過渡季均可連續運行時間長，夏季運行時間略少，與預期預測相符（圖9）。（電力負載在設計階段作了優化，保證過渡季可滿功率運行。5月有熱水系統改造）。

奉賢中心醫院采用了357kW機組，熱水和空調模式，夏季/冬季連續運行時間長。過渡季目前沒有運行，因并網點電力負荷沒有達到滿功率運行條件（電力負載暫未作優化）。1～3月處于試運行階段，數據不全。（圖10）

東方南院為單套232kW機組，熱水模式，夏季也可較長運行時間，（6、7月有技術改造暫停運行）（圖11）

圖9

圖10

圖11

通過分月運行驗證，可以說明項目前期設置的模式和規模選擇基本合理，確保了機組均能運行2 000h以上，隨著醫院負荷需求的正常化，機組年運行小時有望達到3 000h級別。

3.2 節能驗證

對醫院分布式供能系統的實際運行數據分析，驗證系統的節能效果。表1為上述其中一家醫院一年運行的實測數據。

表1 醫院年運行效率實測數據

數據表明年滿功率運行4 770h，年發電效率32%，年熱回收率54.5%,運行綜合效率86.5%。年減排二氧化碳33%。年節約標煤550t標準煤。

3.3 經濟性和預期

按當前的能源價格、維護成本、造價，投資的靜態回收時間約39 000h。經濟性不是很理想，這也是目前分布式能源產業不能快速推廣的主要原因。重要的解決途徑是提高經濟性，可以采取以下幾個優化措施：

（1）氣價下調20%（已有可能）

（2）降低維護費用至0.15元/kWh

（3）機組造價至15 000元/kW

圖12 經濟優化措施的效果預期

通過以上的措施，從39 000 h縮短到22 500h（見圖12），相當于靜態回收年從10～16年縮短為5～9年，應用推廣的商業價值開始顯現。再考慮到目前激勵政策，回收時間可能縮短在20 000h內，具備一定的市場商業運行價值。

4 應用實踐總結

從運行實踐表明，新建醫院的分布式供能系統獲得了成功，從技術特點和運行模式上有值得推廣的經驗。

4.1 技術設計

（1）采用嵌入式、模塊式設計

根據醫院的系統模式和負荷特點（本質上也是一種空調采暖負荷），采用并網不上網的模式，嵌入式的設計，是一個實用明智的選擇，保證了年運行時間。另外模塊化、嵌入式的系統今后更利于項目推廣。

（2）熱電平衡設計，優先熱水利用

這種原則下分布式系統的熱水系統替代了原鍋爐系統部分產能，成本節約效果明顯?；趦热紮C系統有50%左右的直接熱水產出，很多機型有熱水整合型機組，效率高和系統安裝方便，便于市場快速推廣。

（3）醫院功能安全

系統的控制設置根據醫院供能安全的要求，增加雙重逆功保護，設置電力負荷跟蹤及控制系統等。

4.2 運行和模式

（1）醫院項目以熱水模式為主,單純的空調制冷模式需做充分研究。

空調模式的優點可以適當提高規模，但也受制于電負荷的平衡（醫院上網的模式目前不建議推薦，今后需要根據政策再研究），但空調本身運行時間也僅在空調季節。同時制冷的替代成本低，用分布式余熱制冷競爭力不高。需要增加溴化鋰機組的投資，需要做綜合的技術經濟分析才確定。

（2）規模設置與運行時間

在醫院項目中，250～500kW的規模均可運行2 000h以上，其中250kW的熱水模式可以運行3 000h，350/500kW熱水模式/空調模式有條件運行2 500h以上。

（3）100%功率運行

主要是模塊化系統的優勢，100%運行效率高，運行簡單可控。目前機組維護成本較高，滿發工況下，機組維護約占總運行成本的25%左右。如果在50%功率下，維護成本將接近翻倍，占總運行成本的40%。

5 建議

根據項目實踐，建議醫院項目發展規模在2套350kW～500kW機組為宜。未來需要進一步深入的工作如下：

（1）選擇機組和系統的匹配，力求降低系統造價，進一步進行350kW/500kW的熱水兼蒸汽模式的示范。

（2）根據項目實踐，總結經驗。建立包括模塊化設計、施工安裝、運行維護等工作的指南和標準。

（3）培養建立分布式系統的維護隊伍，降低運維成本。

機組維護成本較高，而且設備供應商提供的運維與項目運行與實際需要存在一定的差距，這些制約了項目的推廣及經濟效益。因此需要培養建立能源服務公司自己的運維隊伍，降低維護成本，提高運維水平。