医院综合节能解决方案及案例分析

来源:互联网 医疗改革 照明系统

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关键词:医院综合节能

        现代医院建筑是科学、技术、信息的载体,是社会发展、技术进步、人民生活水平和生活质量提高的重要标志。随着人们生活需求的提高,对改善医疗条件的要求愈加迫切,医疗改革的推进,医院将面临着激烈的市场竞争,从改善病人就诊环境、提高医院内部管理技术手段考虑,许多新建的医院建筑对空调、供热设备的自控管理、安保及计算机网络等诸多方面都提出了要求,医院设计有宾馆化的趋势。医院建筑是所有建筑中使用功能最为复杂的。随着医疗技术的不断进步,诊疗设备的不断完善,医院功能还将进一步增多。尤其是随着人民生活水平的大幅度提升,医院提供的已经不仅仅是单纯的治疗服务。患者对医院的就医环境和医护人员对工作环境舒适程度的要求也越来越受到人们的重视,因此医院的能耗也不断上升。以一家传统型综合医院为例,其日常能耗中,电力消耗最大,主要用于照明、电梯、空调和通风等设备。其次,医院还以燃气、重油等作为主要能源,用于供应蒸汽、热水、消毒、洗涤、厨房以及冬季供暖等。
        深圳共有综合医院近三百家,在全市医疗卫生系统中推广节能工作,意义十分重大。据我协会调查统计,深圳市全市各大医院的平均节能潜力在25%以上。以我们2002年做的市政府节能改造示范单位——深圳市孙逸仙心血管医院为例,该医院共投入改造资金48万元,改造前后期实地测算数据显示,通过系统的节能改造,医院年节省能耗开支达42万余元。其中空调主机系统比改造前同期节电30%,循环系统节电率达35%以上,月平均减少开支4万元左右。照明系统节电率31.7%,月平均减少开支5千余元,且安装T5节能型荧光灯管后,照明亮度提高,为患者提供了更舒适的医疗环境,为医护人员提供更好的工作环境,全院医护人员和患者普遍反映良好。实践经验证明,通过节能改造,在提高医院能源使用效率,降低服务成本的同时,医院的空调照明环境整体舒适度也将得到明显的提高。
        我国建筑物单位能耗很高,与气候条件相近的发达国家相比,我国建筑物单位能耗是他们的2~5倍。水、电、空调、蒸汽、医疗气体作为维持医院运作之基本要素,其中以电力和医疗气体最重要,若二者之一中断,便会立刻危害到病患的生命,所以公用系统为医疗作业之命脉。系统设备以安全、可靠度为首要要求,但是公用系统亦为主要能源耗用设备,必须妥善管理以确保安全,并兼顾节约能源。在医院能耗中,电力约占64%,为整个医院之主要能源,瓦斯、重油等约占11%,主要用在供应蒸汽、热水、消毒、洗缝、厨房及冬季暖气,其中如以电力再分析如图二,空调约占50%,照明、插座约占34%,所以空调、照明为医院节能管理重点。


     

    图1 传统医院能源费用结构分析

     

    图2 传统医院电力耗用结构分析

    按以人为本的原则,对医院系统进行空调和照明节能改造后,将使医院的工作环境的舒适度大大提高,同时节约了20%以上的能源,空调及照明设备的寿命也将延长2~3倍,大大减少了设备的维修工作量;在减少使用电量的同时,也减少了因电力生产时对环境污染物的排放;投入资金回收期短,又具有良好的社会效益和经济效益。
        由于系统的服务对象主要是病人,不允许出现任何差错,系统的安全性与可靠性是必然的要求。不仅要创造室内高品质的环境,而且还要保护室外的环境。

    一、照明系统节能
        1、产品和技术
        目前市场上的照明节电产品主要分为两种:
        传统的发光效率低的光源(如:T8荧光灯、白炽灯、石英灯等)。
        发光效率更高的光源(如:T5荧光灯、紧凑型荧光灯、冷阴极灯或发光二极管)
        2、效用分析
        使用高效发光光源代替原有的低效光源,在节电的同时提高照度、显色度,改善照明环境,从而给人们提供一个舒适、稳定的照明环境,既提高了工作效率亦保护了人体健康。用T5(高效荧光灯+电子镇流器)替换T8(荧光灯+电感镇流器),节电25%以上,照度提高15%以上,显色指数由原来的70提高到85,消除了频闪,T5荧光灯的寿命是T8的两倍。磨砂灯泡或白炽灯泡选用色温相当的节能灯替换,在照度不降低的前提下,节电60%以上,且寿命提高6至8倍。其余部分可根据各科室的不同要求来替换更高效的节能环保光源。
        如:T8 36W一套双灯管(灯管+电感镇流器)的功率为(36W+8W)×2=88W,用T5代替(荧光灯2支+1拖2电子镇流器)只需28W×2+6W=62W,节电26W,以360天/年,日照明时间10小时,0.9元/度计算,年节电:0.026×360×10×0.9=84.24元 
    投资T5光源约需140元,投资回收期为:140/84.24=1.7年  

    二、空调系统节能

    空调能耗是建筑能耗的主要部分,约占医院总能耗的50%左右,最大可占到建筑总能耗的65%,因此,医院节能的主要任务是降低其空调系统能耗。一个良好、舒适、清洁的环境仅是空调的目的,也是现代医疗的一个不可缺少的部分。医院建筑的现代化,必将使医院空调担负起更重的责任、更新的使命,空调也一定会为医疗事业作出更大的贡献。
        医院空调的设计参数主要是指空气温度、相对湿度、气流速度、洁净度以及室内空气品质。由于医院空调不仅仅是一种环境的控制,而且也是一种确保诊断、治疗疾病、减少污染、降低死亡率的技术措施。但是医院各室功能差异很大,所要求的室内设计参数也不同。为了防止污染、降低室内细菌和尘埃浓度,还对室内新风量、换气次数、室内外压差以及末级空气过滤器等有一定要求。一般来说,凡是清洁、无菌、无尘、无臭以及怕污染的场所,应保持正压;凡是有污染发生、有害气体散发以及极大热湿产生的室内,应保持负压。无明显的污染、热湿及有害气体发生,又无特殊要求的室内可与室外保持同压,人员进出不会造成较大的影响。由于科室不同,设备繁多,要求各不相同。在确定室内设计参数时还要充分听取医护人员的技术人员的意见。
        我们应根据国家的相关标准与规范,如:《综合医院建筑设计规范》、《医院洁净手术部建筑技术规范》、《公共场所集中空调通风系统卫生标准》、《空调通风系统运行管理规范》、《医院消毒卫生标准》,严格控制中央空调的卫生条件,杜绝由中央空调末端设备引起的二次污染。
        1、产品和技术
        空调节能的技术措施可归纳为矛和盾共八个方面:减少冷负荷、提高制冷机组效率、利用自然冷源、减少水系统泵机的电耗、减少风机电耗、采用自然通风、使用智能控制系统、中央空调余热回收。
        1.1、盾是指减少冷负荷
        冷负荷是空调系统最基础的数据,制冷机、水循环泵以及给房间送冷的空调箱、风机盘管等规格型号的选择都是以冷负荷为依据的。如果能减少建筑的冷负荷,不仅可以减小制冷机、水循环泵、空调箱、风机盘管等的型号,降低空调系统的初投资,而且这些设备型号减小后,所需的配电功率也会减少,运行费用降低。所以减少冷负荷是空调节能最根本的措施。减少冷负荷有以下一些具体措施:
        ①改善建筑的隔热性能
        房间内冷量的损失通过房间的墙体、门窗等传递出去的。改善建筑的隔热性能可以直接有效地减少建筑物的冷负荷,深圳有一大型超市,玻璃采用贴膜后,主机系统能耗下降了30%-40%。改善建筑的隔热性能可以从以下几个方面着手:确定合适的窗墙面积比例。合理设计窗户遮阳。充分利用保温隔热性能好的玻璃窗。单层玻璃采用贴膜技术。
        ②选择合理的室内参数
        人体感觉舒适的室内空气参数区域,大约是空气温度13℃~23℃,空气相对湿度20%~80%。如果设计温度太低,会增加建筑的冷负荷。在满足舒适要求的条件下,要尽量提高室内设计温度和相对湿度。
        ③局部热源就地排除
    在发热量比较大的局部热源附近设置局部排风机,将设备散热量直接排出室外,以减少夏季的冷负荷。
        ④合理使用室外新风量
        由于新风负荷占建筑物总负荷的20~30%,控制和正确使用新风量是空调系统最有效的节能措施之一。除了严格控制新风量的大小之外,还要合理利用新风,新风阀门采用焓差法自动控制,根据室内外空气的焓差值自动调节新风阀门的开度。
        ⑤防止冷量的流失
        厅门、走廊门安装风幕,可有效减少冷量的流失。
        1.2、矛是指提高制冷机组的效率
        评价冷源制冷效率的性能指标是制冷系数(COP,Coefficient Of Performance ),是指单位功耗所能获得的冷量。根据卡诺循环理论,制冷系数ε1=To/(Tk-To), To为低温热源温度,即蒸发温度;Tk为高温热源温度,即冷凝温度。所以空调系统冷机的实际运行过程中不要使冷冻水温度太低、冷却水温度太高,否则制冷系数就会较低,产生单位冷量所需消耗的功量多,耗电量高,增加建筑的能耗。提高冷源效率可采取以下一些措施:
        ①降低冷凝温度
        由于冷却水温度越低,冷凝温度越低,冷机的制冷系数越高。降低冷却水温度需要加强运行管理,停止的冷却塔的进出水管的阀门应该关闭,否则,来自停开的冷却塔的温度较高的水使混合后的水温提高,冷机的制冷系数就减低了。冷却塔、冷凝器使用一段时间后,应及时检修清洗。目前深圳市节能协会正在积极推广一种冷凝器自动在线清洗装置,能使冷却水出水和冷凝温差控制在1℃左右(相当于新机的效果),使冷凝器始终保持最佳热转换效率,主机节能10%左右。
        对于风冷主机,主机应尽量安装在通风性能良好的场所,或增加排风机将冷凝废热抽到室外,或增加喷淋装置实现部分水冷效果。
        ②提高蒸发温度      
        由于冷冻水温度越高,蒸发温度越高,冷机的制冷效率越高,所以在日常运行中不要盲目降低冷冻水温度。例如,不要设置过低的冷机冷冻水设定温度;关闭停止运行的冷机的水阀,防止部分冷冻水走旁通管路,经过运行中的冷机的水量较少,冷冻水温度被冷机降低到过低的水平。蒸发器注意清洗,保持高的热转换系数。
        ③制冷设备优选
        要选用能效比高的制冷设备,不但要注意设计工况下制冷设备能量特性,还要注意部分负荷工况下的能量特性,选用是要统筹考虑。
        1.3、利用自然冷源
        比较常见的自然冷源主要有两种,一种是地下水源及土壤源,另一种是春冬季的室外冷空气。深圳地下水及地下土壤常年保持在20℃左右的温度,所以地下水可以在夏季可作为冷却水为空调系统提供冷量,也就是地温式空调的使用。第二种较好的自然冷源是春冬季的室外冷空气,当室外空气温度较低时,可以直接将室外低温空气送至室内,为室内降温。对于全新风系统而言,排风的温度、湿度参数是室内的空调设计参数,通过全热交换器,将排风的冷量传递给新风,可以回收排风冷量的70~80%左右,有明显的节能作用。
        1.4、减少水系统泵机的电耗
        空调系统中的水泵耗电量也非常大。空调水泵的耗电量占建筑总耗电量的8%~16%,占空调系统耗电量的15%~30%,所以水泵节能非常重要,节能潜力也比较大。减少空调水泵电耗可从以下几个方面着手:
        ①减小阀门、过滤网阻力
        阀门和过滤器是空调水管路系统中主要的阻力部件。在空调系统的运行管理过程中,要定期清洗过滤器,如果过滤器被沉淀物堵塞,空调循环水流经过滤器的阻力会增加数倍。
    阀门是调节管路阻力特性的主要部件,不同支路阻力不平衡时主要靠调节阀门开度来使各支路阻力平衡,以保证各个支路的水流量满足需要。由于阀门的阻力会增加水泵的扬程和电耗,所以应尽量避免使用阀门调节阻力的方法。
        ②提高水泵效率
        水泵效率是指由原动机传到泵轴上的功率被流体利用的程度。水泵的效率随水泵工作状态点的不同从0~最大效率(一般80%左右)变化。在输送流体的要求相同,如果水泵的效率较低,那么就需要较大的输入功率,水泵的能耗就会较大。因此,空调系统设计时要选择型号规格合适的水泵,使其工作在高效率状态点。空调系统运行管理时,也要注意让水泵工作在高效率状态点。
        ③设定合适的空调系统水流量
        空调系统的水流量是由空调冷负荷和空调水供回水温差决定的,空调水供回水温差越大,空调水流量越小,从而水泵的耗电量越小。但是空调水流量减少,流经制冷机的蒸发器时流速降低,引起换热系数降低,需要的换热面积增大,金属耗量增大。所以经过技术经济比较,空调冷冻水的供回水温差4~6℃较经济合理,大多数空调系统都按照5℃的冷冻冷却供回水温差工况设计。
        空调循环水泵的耗电量跟流量的3次方成正比,实际工程中有很多空调系统的供回水温差只有2~3℃,如果将供回水温差提高到5℃,水流量将减少到原来的50%左右,所以如果水流量减少50%,水泵耗电量将减少87.5%,节能效果非常明显。   
        水系统采用变流量模糊控制变频节能技术。
        在中央空调系统中,冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的容量是按照建筑物最大设计热负荷选定的,且留有10%—15%的余量,在一年四季中,系统长期在固定的最大水流量下工作。由于季节、昼夜和用户负荷的变化,空调实际的热负荷在绝大部分时间内远比设计负载低。一年中负载率在50%以下的运行小时数约占全部运行时间的50%以上。当空调冷负荷发生变化时,所需空调循环水量也应随负荷相应变化。所以采用变频调速技术调节水泵的流量,可大幅度降低水系统能耗。由于中央空调系统是一种多参量非常复杂的一个系统,即当气温、末端负荷发生改变时,水系统温度、温差、压力、压差、流量等均会发生长改变。单纯的PID调节根本满足不了要求,只有采模糊控制技术才能实现最佳节能控制。
        由于建筑全年平均冷热负荷只有最大冷热负荷的50%以下,通过使用变频调速水泵使水量随冷热负荷变化,那么全年平均的水量只有最大水流量的50%左右,水泵能耗只有定水量系统水泵能耗的12.5%,节能效果是非常明显的。 
        1.5、减少风机电耗
        空调系统中风机包括空调风机以及送风机、排风机,这些设备的电耗占空调系统耗电量的比例是最大的,风机节能的潜力也就最大,风机的节能也应引起最大的重视。减少风机能耗主要从以下几个方面入手:定期清洗过滤网、定期检修、检查皮带是否太松、工作点是否偏移、送风状态是否合适。使用变频风机将定风量控制改为变风量控制,降低送风的风速,减小噪音。末端风机改为变风量控制系统,可根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变,自动调节空调送风量(达到最小送风量时调节送风温度),最大限度的减少风机动力以节约能量。室内无过冷过热现象,由此可减少空调负荷15%~30%。
        1.6、使用智能控制系统
        目前部分医院的空调系统未设自控系统,空调设备的投入均由人工完成,对于面积较大的医院,可能有上百台空调箱、新风机组,运行管理人员连每天启停空调箱都没有足够的精力去实现,更不用说适时地调整空调箱的运行参数,让其节能运行。因此空调箱、新风机在空调季节只得让它们全天24小时运行。如果为空调系统加装楼宇自控系统,即使是最简单的启停控制,也可以极大节省空调能耗。另外也容易实现末端温度的灵活设置。
        1.7、保持室内空气清新
        室内环境污染已经成为危害人类健康的一个不容忽视问题,为了有效地解决空气问题,杜绝室内空气的污染,可采用双向换气装置,这样,送入的新风温度基本相近于室内温度,既可用于北方冬季室内保湿,又可用于南方夏季隔潮。而且在供热和制冷时还可回收热量,节约制冷供暖用能源可达30%以上。
        深圳市属于海洋性气候,夏季并不太热,最高气温也就在33℃左右,晚上气温较低,深圳市夏季夜晚大多数时间是可以利用自然通风解决热舒适的问题。如果自然通风解决的好,夏季可以节约一半的空调启时间,而且室内空气品质显著提高。
        1.8、空调余热回收
        压缩机工作过程中会排放大量的废热,热量等于空调系统从空间吸收的总热量加压缩机电机的发热量。水冷机组通过冷却水塔,风冷机组通过冷凝器风扇将这部分热量排放到大气环境中去。热回收技术利用这部分热量来获取热水,实现废热利用的目的。热回收技术应用于水冷机组,减少原冷凝器的热负荷,使其热交换效率更高;应用风冷机组,使其部分实现水冷化,使其兼具有水冷机组高效率的特性;所以无论是水冷、风冷机组,经过热回收改造后,其工作效率都会显著提高。根据实际检测,进行热回收改造后机组效率一般都是提高5~15%。由于技术改造后负载减少,机组故障减少,寿命延长。目前该项技术广泛应用于活塞式、螺杆式冷水机组。
        另外,采用冰蓄冷技术虽然不节能但可大幅降低医院空调能耗。
        冰蓄冷技术是在用电低峰时蓄存冷量,而在用电高峰时放出所蓄存的冷量,可以实现对电网的“削峰填谷”。目前我国的许多地方都实行了分时电价、冰蓄冷电价等措施,因此有着很好的发展前景。
        蓄冷空调系统可以降低冷冻水的温度,降低送风温度,增加送回风温差,减少送风量,从而大大减少风管截面积,减少了其占用空间,减少风机、水泵的功耗,因此虽然其初投资可能比常规空调系统稍高一些,但运行费用的降低将使得蓄冷系统很快收回增加的初投资,改善了空调系统整体的经济性。
        1.9、空调及热交换器自动清洗节能环保系统
        空调末端设备的热交换器、冷凝水盘、过滤网等部件在阴暗、潮湿的环境下运行,为微生物的大量繁殖提供了生长条件。特别是过滤网前端的热交换器,它介于过滤器与风机之间或风机之前,因无法清洗消毒而滋生繁衍了大量有害微生物,严重污染流经的空气。
        目前一般采用人工化学清洗。污垢、水垢被化学、人工机械清洗暂时除掉后,随着设备的从新启用,新的污垢、水垢又不断产生,这样既不清洁,又降低了热交换效率和制冷量,并回逐渐堵塞冷凝管降低了整套设备的运行效率,大大增加了损耗电量。惊人的多耗电产生了巨大的经济损失,又造成严重的化学水污染。对于这一点,除了采用医用中央空调的以外,还可采用空调及热交换器自动清洗节能环保系统:
        ①      始终保持热交换器管道清洁干净,不产生任何污垢;
        ②      长期节能,降低用电成本;
        ③      杜绝化学清洗的污染、腐蚀,延长中央空调的使用寿命。
        2、效用分析
        对于一家医院,如从基建时考虑到建筑主体节能,再全面采用中央空调系统综合节能技术及冰蓄冷技术,空调运行费用可减少50%以上。以深圳地区的工程经验来看,中央空调系统综合节能技术以余热回收技术投资回报最快,可控制在一年以内。

     三、电梯节能

    1、产品和技术
        1.1、VVVF电梯可采用全可控有源能量回馈器进行节能。
    采用变频调速的电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械功能,电梯到达目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止,这一过程是电梯曳引机释放机械功能量的过程。此外,升降电梯还是一个位能性负载,为了均匀拖动负荷,电梯由曳引机拖动的负载由载客轿厢和对重平衡块组成,只有当轿厢载重量约为50%(1吨载客电梯乘客为7人左右)时,轿厢和对重平衡块才相互平衡,否则,轿厢和对重平衡块就会有质量差,使电梯运行时产生机械位能。
    电梯运行中多余的机械能(含位能和动能)通过电动机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路中的电容中,目前国内绝大多数变频调速电梯均采用电阻消耗电容中储存电能的方法来防止电容过电压,但电阻耗能不仅降低了系统的效率,电阻产生的大量热量还恶化了电梯控制柜周边的环境。
    有源能量回馈器的作用就是能有效的将电容中储存的电能回送给交流电网供周边其他用电设备使用,节电效果十分明显,一般节电率可达15%-50%。此外,由于无电阻发热元件,机房温度下降,可以节省机房空调的耗电量,在许多场合,节约空调耗电量往往带来更大的节电效果。
        2、效用分析
        2.1 VVVF电梯采用全可控有源能量回馈器进行节能,单台回馈器的价格为15000元,投资回收在2.5年左右,如计算节省的空调费用,投资回收在2年以内。

     四、燃油锅炉节能技术

    采用水源热泵型热水机组或风冷热泵代替燃油锅炉制热水,除用于生活热水外,也可用作燃油锅炉的补充用水。
        相比较传统的燃油锅炉,热泵型热水机组具有以下的优点:
    ①效率高,节能显著。深圳市地处亚热带,年均气温在20~25℃之间,使用热泵机组制热效率高,制热系数为εhn=4~8。设备除生产50~55℃热水相对于原有锅炉制热水节省能耗量费用70%,还可以用与制冷。如建筑物需制冷量大时可以将机组是热时的副产物——冷冻水接入原有中央空调冷冻系统中加以利用则相对与原有锅炉节省能耗100%;
    ②体积小,重量轻,可直接附设在中央空调机房内或附近,占用建筑面积小;
    ③环保性能好,无污染物排放;
    ④电脑自控,无需人工管理;
    ⑤具有防止结垢和水质软化处理功能;
        为调节热水在高峰期的使用需求,需加装一储热水箱。技改后,该热水管网并入原热水管网、冷水管网并入中央空调冷冻水管网,使两个系统既可独立运行、互为备用,又可以同时运行、互相补充。
        另外,平常还可采用太阳能热水器供应热水,进一步达到节电节能的目的。
        2、效用分析
        如果一医院年用热水量约36000吨。则锅炉年用柴油约20多万升,年油费约80万元,除了可回收的冷凝水部分,锅炉每天需要补充25℃的常温水4吨,用来产生蒸汽。
    采用热泵机组制热水,投资约为75万元,每月可节约能耗费用约38774元;按每年使用8个月计,投资回收期在2.4年左右。在设备使用寿命的15年内产生的总效益约为465.3万元(冷冻水接入原中央空调冷冻系统中加以利用节省的能耗未计算在内)。

    五、医院污水处理投资和节能

    医院污水处理不仅仅是技术问题,而且是衡量医院服务质量和管理水平的重要标志。
        设备选型直接影响工程费用和运行费用。我们可对现有设备进行更新改造,采用国家科技部门推荐的无动力医院污水处理装置,进一步降低能耗和运行费用。

    六、加强能源管理

    再好的节能措施也必须要人来维持,医院本身也要制定用电用水管理规章制度,建立节能奖励制度和浪费能源处罚制度。
        节约能源工作,大有可为,在综合医院认真扎实地抓好此项工作,对提高后勤保障资源的利用效率、降低服务成本,决不是一个小数目,我们应给予足够的重视。


    (审核编辑: 智汇小新)