醫院工程中暖通空調節能改造效果分析

李 紅

(山東華宇工學院,山東 德州 253000)

0 引言

醫院是集病人、陪護、醫生、護士等人員為一體的內部空間建筑,人員流動性大,要求內部暖通及空調系統必須時刻保持運行,避免因通風效果不達標而導致病毒性集中感染,故暖通空調耗能時間長,耗能量大。為確保環境合適,各類暖通空調處于互不干擾的工作狀態,無法互相輔助,導致能源浪費,故通過增加設備或更改線路對門診大樓暖通空調系統進行優化,是一項具有現實意義的工作[1]。

某醫院門診大樓建筑面積約140 000 m2,按功能分為急診科、綜合設施、聯合辦公室、潔凈室、保安室等。主要耗能資源為電力及天然氣,其中門診樓的空調通風系統、照明系統主要使用電力能源;鍋爐供暖、餐廳等輔助性設備主要使用天然氣。每年11月至次年3月供暖,空調及通風系統則在每年5～9月為耗能集中期[2]。

以該醫院門診樓為研究對象,對暖通空調系統進行現場測試發現,其缺乏日常自動調節功能,精確調節不足以實現按需調節管理,冷水機組的負荷在5月、6月、9月份不到50%。兩個機組/冷凍機組同時運作會造成嚴重的電力浪費,而空氣調節冷凍機組的冷凝器往往溫度較高,導致換熱效率較低,造成能源消耗高。

1 能耗分析

2022年,該醫院每月用電量與天然氣消耗量見表1, 由表1可見,1月份的最高用電量為575 061.9 kW·h,5月份的最低用電量為373 016.8 kW·h。高耗電量的月份集中在冷卻及取暖月份,由于使用空氣調節和鍋爐,耗電量增加,故從供冷供暖方面入手,可減少能源消耗,實現經濟節能。對天然氣消耗量進行分析可知,1月份最大消耗量為134 729.3 m3,10月份最小消耗量為16 120.9 m3。天然氣主要用于供暖及生活熱水,故使用量在供暖月份顯著增加。

表1 2022年度耗能分析

2022年門診大樓的總用電量為560.8 萬kW·h,總用電成本為297.2萬元,天然氣總消耗量為713 000 m3,天然氣總成本171.2萬元。6月1日—9月1日為冷卻期,空氣調節系統總能耗為631 000 kW·h,總成本為33.4萬元。11月15日—3月15日為供暖期,供暖系統天然氣總消耗量為372 000 m3,總用電量為477 000 kW·h,總成本為114.6萬元。

2 節能潛力及措施

2.1 節能潛力分析

2.1.1 水泵效率

為了確定水泵的節能潛力,選取了一臺離心式制冷主機、一臺冷卻水泵及一臺冷凍水泵來了解其實際運行情況。將冷卻塔及風機線圈全部打開,通過設備參數與實際測量參數求得設備額定功率及實際功率。表2為冷凍水泵與冷卻水泵的性能參數[3]。

表2 冷凍水泵和冷卻水泵性能參數

通過性能參數表計算出冷卻水泵的額定效率與實際效率如下:

額定效率:

實際效率:

冷凍水泵的設計運行點是效率最高點,即額定值是泵的最佳運行點。但在實際運行中,由于泵的流量為最高效率點流量的90.7%,故泵的揚程降低了,從而降低了實際運行中的效率消耗。

冷卻水泵的額定工作效率:

冷卻水泵的實際工作效率:

從上述公式可以看出,冷卻水泵的流量為額定流量的81.1%,而實際功率為額定功率的93.6%,水泵的實際運行效率為0.516。由于冷卻水泵流量與設計工況流量偏差較大,導致冷卻水泵效率明顯下降,說明水泵運行能耗過高[4]。

當設備運行未達到最佳功率,即未在最高效率點下運行會極大加大能耗量,水泵在低負荷運行時可采用水泵變頻調速,隨負荷變化調整頻率,控制機組的實際運行數量及工況,提高水泵效率,最大限度降低能耗,實現節能。

2.1.2 能耗使用

該醫院2022年的總用電量為560.8 萬kW·h,燃氣耗量為713 000 m3。對功耗進行分割,設備功耗數據如圖1所示。在總能源消耗中,空氣調節能源消耗占68%,照明能源消耗占26%,電力設備(供水及排水泵、抽煙機、電梯等)占4%,其他能源消耗占2%。要落實節能措施,必須以空氣調節系統為起點,盡量節約能源,在不增加更換費用的前提下采用冷凝器蒸發器除垢系統提高換熱效率,預計節能率可達10%左右。

圖1 醫院各項設備用電比例Fig.1 Proportion of electricity consumption of hospital equipment

2.2 節能措施

2.2.1 機組除污垢系統改造

機組的除污垢系統由于使用時間過長,造成冷凝器內水垢積累嚴重,導致冷凝器內部熱交換效率下降,能源消耗增加,需增加在線清洗裝置。在機組冷凝器內部放置冷凝器管道數量30%～50%的橡膠球,利用水泵循環動力將橡膠球噴入主水管,在循環水及冷水作用下,橡膠球與管道內壁相互摩擦,從而清除內壁污垢。此方法快速簡單,造價成本極低。在整個洗刷過程中僅需通過PLC控制器設定橡膠球發射時間,達到定期清洗的目的,不需要人工操作,極大節省了人工成本[5]。

2.2.2 氣候補償技術

醫院的供熱與換熱系統由于設計條件達不到實際最佳轉換效率,造成室外空氣溫度常常高于設計溫度,如果醫院供暖系統不能夠根據環境溫度及時做出自動調節,將導致供暖能力參差不齊,造成能源浪費。為實對內部環境溫度的實時調節,決定建立新型氣候補償系統,實現各項二級管網的按需供暖。設定一定的室外空氣溫度值,使供暖系統啟動溫度補償。當二級管網的供水溫度開始下降時,說明室外空氣溫度高于設定溫度,溫度補償器開啟自動補償。例如,當計算出某一區域的室外供暖溫度為-6 ℃時,而室外空氣溫度為-5 ℃,空氣溫度補償器開始工作,當供熱室外空氣溫度達到設定溫度時,補償效果默認為最大,此時二次管網的供水溫度消耗能源達到最低。

3 經濟性分析

3.1 節能改造效益估算

在節能改造措施基礎上分析方案效益,結果如表3所示。可以看出,改造后的年電費估計為334 000元,天然氣年費用為889 000元,節約用電約10%,節約天然氣約15%,分別節約33 400元和133 400元。

表3 節能改造效益估算

3.2 節能改造效益估算

結合改造效益估算值,進一步計算出燃氣、煤炭及二氧化碳排放量的減少值,如表4所示[6]。

表4 全年節能減排量預測

換算系數:電力:3.45 Tce/10 000 kW·h;氣體:13.3 Tce/10 000 Nm3。

電力換算成標準煤:6.31×3.45=21.77 Tce;天然氣標準煤轉化率:5.58×13.3=74.21 Tce;標準煤總量:21.77+74.21=95.98 Tce。

節能二氧化碳減排量:6.31×104×0.997=62.9 t。

節氣二氧化碳減排量:5.58×104×2.69=150.1 t。

二氧化碳減排總量:62.9+150.1=213.0 t。

4 結論

以某醫院門診大樓暖通空調系統耗能為例,指出暖通空調耗能原因,通過計算冷卻水泵、冷凍水泵等設備的實際運行功率與額定功率,提出采用水泵變頻技 術、凝汽器結垢處理技術及氣候補償技術進行改造。預計整套投資36萬元,改造完成后每年可節約166 800元,節能率達25%左右。電力及天然氣節約量按照能源換算,節能量相當于95.98萬t標準煤的使用量,減少約213t的二氧化碳排放量。暖通空調改造可節約大量資金及能源,提升社會效益,為其他醫院改造提供借鑒。