1醫(yī)院能耗特性分析

醫(yī)院建筑的能耗總量因醫(yī)院類型、等級、地理位置等因素而不同，但具體的醫(yī)院在功能和能源結(jié)構(gòu)確定后，通常有著較穩(wěn)定的能耗[11]。本文以華南地區(qū)某綜合醫(yī)院為例分析醫(yī)院的能源消耗情況。

廣州市番禺區(qū)某醫(yī)院是一所大型綜合公立醫(yī)院，占地14.7萬m2，有建筑樓8棟，總建筑面積23.5萬m2，實際開放床位1479張，2020年總診療達(dá)176.8萬人次。該醫(yī)院能源消耗的類主要為電能消耗和燃料消耗。2020年度用電量達(dá)2489萬kW·h，天然氣消費(fèi)量3068m3，汽油消費(fèi)量59656L，柴油消費(fèi)量240L，全院年能源消費(fèi)量折算標(biāo)煤3152t標(biāo)準(zhǔn)煤，電能消費(fèi)占醫(yī)院總能消耗的97.07%。醫(yī)院電能消費(fèi)可分為醫(yī)療設(shè)備和后勤服務(wù)設(shè)備，其中后勤服務(wù)設(shè)備包括暖通空調(diào)、照明系統(tǒng)、電梯、安防、辦公用電等。該醫(yī)院地處南亞熱帶，氣候分區(qū)屬于夏熱冬暖，冬季無供暖需求，空調(diào)系統(tǒng)主要用于夏季供冷。

根據(jù)使用目的，醫(yī)院空調(diào)可分為舒適性空調(diào)和工藝性空調(diào)[12]。舒適性空調(diào)主要為室內(nèi)人員提供舒適環(huán)境，包括病房、辦公室等公共活動區(qū)域。工藝性空調(diào)應(yīng)用在對空氣質(zhì)量有嚴(yán)格要求的空間，包括手術(shù)室、麻醉科等區(qū)域。醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)耗能量前五的區(qū)域見圖1，分別是病房（含辦公室區(qū)域）、手術(shù)室和麻醉科、門診、消毒供應(yīng)中心、急診。其中病房（含辦公室區(qū)域）占空調(diào)系統(tǒng)用能的35.8%，大大高于手術(shù)室等區(qū)域。

圖1醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)年度耗能排名前五的區(qū)域

此外，醫(yī)院的能源均為外部購置，成本居高不下。醫(yī)院的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)較為單一，電能100%由市電供應(yīng)，不利于醫(yī)院能源系統(tǒng)安全。根據(jù)綠色醫(yī)院建筑的建設(shè)理念，需要符合低碳環(huán)保的要求。

2醫(yī)院節(jié)能措施建模

由醫(yī)院能耗特性分析可知，醫(yī)院能源系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)從減少能源消耗和改善能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)著手。以電能為主的能源消費(fèi)中，空調(diào)能耗占能耗的大部分。其中，醫(yī)院工藝性空調(diào)需要為診療服務(wù)提供支撐，不適宜進(jìn)行大幅度改造。醫(yī)院舒適性空調(diào)中，病房（含辦公室區(qū)域）應(yīng)作為重點(diǎn)節(jié)能對象。在日常實踐中發(fā)現(xiàn)，病房和辦公室區(qū)域，人為不節(jié)能行為會造成空調(diào)非必要的能耗。例如，在病房區(qū)域，部分病人節(jié)能意識差，將空調(diào)溫度調(diào)至很低；部分病人擔(dān)心室內(nèi)空氣流通狀況不佳，在空調(diào)運(yùn)行期間將窗戶打開通風(fēng)；辦公區(qū)域，辦公室人員時常有下班忘記關(guān)空調(diào)等現(xiàn)象。醫(yī)院人員構(gòu)成復(fù)雜，節(jié)能理念難以統(tǒng)一，靠制度約束人的行為不可控因素過多。因此，考慮基于智慧醫(yī)院管理的智能樓宇建設(shè)，構(gòu)建空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)模型，同時挖掘醫(yī)院可再生能源資源的潛力，構(gòu)建屋頂光伏系統(tǒng)模型。

2.1空調(diào)智慧監(jiān)控系統(tǒng)

結(jié)合國務(wù)院執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的通知和夏季病房內(nèi)病人舒適性要求，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定的溫度取27℃較為適宜[13]，而現(xiàn)實中，用戶多將病房空調(diào)設(shè)定溫度遠(yuǎn)低于27℃。因此，在考慮用戶偏好的前提下，通過空調(diào)智慧監(jiān)控系統(tǒng)對病房內(nèi)空調(diào)溫度范圍進(jìn)行調(diào)控，空調(diào)智慧監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定如下：

（1）實時采集室內(nèi)、室外氣溫；

（2）規(guī)定空調(diào)設(shè)定溫度*低值；

（3）病房內(nèi)用戶輸入自己的偏好溫度；

（4）當(dāng)外界氣溫高于(+3)℃時，病房空調(diào)開啟，且溫度設(shè)定為；

（5）當(dāng)用戶輸入的偏好溫度低于時，病房空調(diào)自動設(shè)定為。

模型假設(shè)用戶用能行為與監(jiān)控系統(tǒng)邏輯一致，傾向于在外界氣溫高于用戶的偏好溫度3℃時開啟空調(diào)。南方地區(qū)除夏季持續(xù)高溫外，過渡季節(jié)氣溫較多處于25～30℃間，因此該系統(tǒng)能有效監(jiān)控病房內(nèi)空調(diào)開啟次數(shù)和設(shè)定溫度。根據(jù)Meteonorm軟件導(dǎo)出的廣州市2020年全年8785h氣象數(shù)據(jù)，廣州市全年有1444h≥30℃，3122h≥27℃，4185h≥25℃。若用戶偏好溫度為22℃，則與設(shè)定溫度*低值27℃相比，全年空調(diào)開啟時長相差巨大。用戶偏好溫度較低，令室內(nèi)外溫差加大，從而增加空調(diào)運(yùn)行能耗。計算能耗改變比例時，可以假設(shè)外界環(huán)境除氣溫以外的因素不變，將空調(diào)系統(tǒng)能耗簡化為室內(nèi)外空氣焓差。在改善空調(diào)開啟時長和空氣焓差共同作用下，節(jié)約的能耗計算如下：

式中：t為每年因空調(diào)溫度控制而節(jié)約的空調(diào)能耗比例，%；0為病房空調(diào)能耗占醫(yī)院總體空調(diào)能耗比例，%；為未實施節(jié)能措施前每年病房空調(diào)系統(tǒng)能耗，kW·h；rt為實施節(jié)能措施后每年病房空調(diào)系統(tǒng)能耗，kW·h；為每年室外氣溫≥(+3)℃的時間，h；為每年室外氣溫≥(+3)℃的時間，h；w為室外空氣逐時比焓，kJ/kg；n為室內(nèi)空氣逐時比焓，kJ/kg；為在(1,2)溫度區(qū)間空調(diào)溫度設(shè)定的取值概率。

2.2空調(diào)與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)

當(dāng)開啟空調(diào)房間的窗戶打開時，在熱壓和風(fēng)壓的作用下，室內(nèi)冷空氣≥出，室外熱空氣進(jìn)入，使房間的冷負(fù)荷增加。結(jié)合醫(yī)院“智慧管理”的精細(xì)化管理，加強(qiáng)醫(yī)院設(shè)備在線管理，可建設(shè)空調(diào)系統(tǒng)與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)，監(jiān)控窗戶啟閉狀態(tài)，當(dāng)空調(diào)運(yùn)行和窗戶開啟2個條件同時滿足時，通過能源管理系統(tǒng)關(guān)閉房間空調(diào)，由此調(diào)節(jié)病房內(nèi)空調(diào)用能行為。為簡化計算，忽略冷熱空氣焓差，假設(shè)從窗戶進(jìn)入的是與室內(nèi)新風(fēng)溫度相同的冷空氣，通過實施該系統(tǒng)前后的系統(tǒng)風(fēng)量變化計算節(jié)約的空調(diào)能耗比例。新風(fēng)量能耗只占空調(diào)能耗的一部分，但在外界條件不變的情況下，新風(fēng)量的有限改變不會大幅影響新風(fēng)量負(fù)荷占空調(diào)冷負(fù)荷的比例。且真實的熱空氣進(jìn)入房間后會額外增加空調(diào)能耗，因此，該簡化不影響措施的能耗節(jié)約比例計算。節(jié)約的能耗計算如下：

式中：w為每年因控制開窗行為而節(jié)約的空調(diào)能耗比例，%；new為新風(fēng)量部分占空調(diào)冷負(fù)荷的比例，%；rw為實施空調(diào)與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)后每年病房空調(diào)系統(tǒng)總新風(fēng)量，m3；o為通過開窗戶流通的空氣量，m3/s；為開空調(diào)時開窗時長，h；為房間數(shù)，個；r為一個房間的新風(fēng)換氣量，m3/s；為開空調(diào)時長，s；w為有開窗現(xiàn)象的病房比例，%。

為便于研究窗戶流通的空氣量，將一個開窗的房間簡化為單側(cè)開口箱體。通過窗戶的單側(cè)通風(fēng)量為熱壓和風(fēng)壓作用下的流通量。熱壓是指因室內(nèi)外溫度不同造成室內(nèi)外空氣密度差而產(chǎn)生的壓差。風(fēng)壓是指室內(nèi)外風(fēng)速作用下產(chǎn)生的壓差，假設(shè)窗戶為單開口自然通風(fēng)，且為穩(wěn)態(tài)流動。單側(cè)通風(fēng)量計算公式[14]為：

式中：h為熱壓作用下的自然通風(fēng)量，m3/s；d為系數(shù)，取0.61；為窗戶開啟面積，m2；為開口高度，m；駐為室內(nèi)外空氣溫度差，K；為室內(nèi)外空氣平均熱力學(xué)溫度，K；w為風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)量，m3/s；eff為有效開口面積，m2；為開口處的風(fēng)速，m/s。

2.3綜合發(fā)電和樓頂遮陽的屋頂光伏系統(tǒng)

太陽能光伏板是常見的分布式可再生能源。通過增加發(fā)電途徑，可以改善能源供應(yīng)，降低能源成本。通常該技術(shù)措施的節(jié)能效果是根據(jù)光伏發(fā)電量估算，而光伏板對于建筑的影響則被忽略。根據(jù)對設(shè)備設(shè)施的智慧管理與規(guī)劃，設(shè)計屋頂太陽能光伏板鋪設(shè)方案，可以達(dá)到發(fā)電和樓頂遮陽的雙重效果。

在屋頂，光伏板對太陽輻射進(jìn)行直接遮擋，相當(dāng)于增加了熱阻，減少到達(dá)室內(nèi)的熱流量。光伏板架空通風(fēng)層中空氣對流運(yùn)動也能帶走部分熱量，減少到達(dá)屋頂?shù)臒崃髁?，為簡化計算，忽略不計。因遮陽減少的能耗比例計算公式為：

式中：1為采取遮陽措施前單位面積因太陽輻射產(chǎn)生從室外到室內(nèi)的熱流量，W/m2；2為采取遮陽措施后單位面積因太陽輻射產(chǎn)生從室外到室內(nèi)的熱流量，W/m2；o為屋面總熱阻，m2·K/W；駐為光伏板附加的熱阻，m2·K/W；為屋頂房間數(shù)量占全部房間的比例，%。

通過光伏板發(fā)電產(chǎn)生的電量計算公式為：

式中：pv為光伏板年發(fā)電量，kW·h；pv為單位光伏板的額定發(fā)電功率，kW/m2；為屋頂可鋪設(shè)光伏板面積，m2；為光伏板發(fā)電效率，%；為年太陽能可利用小時數(shù)，h。

由式(10)～式(13)，則該項措施每年可節(jié)省空調(diào)能耗比例為：

綜合以上節(jié)能措施，共節(jié)約能耗比例為：

3節(jié)能效果與敏感性分析

廣州地區(qū)夏季室外空氣逐時計算焓值可根據(jù)GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》查得。醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定的特定溫度取27℃，室內(nèi)相對濕度取60%。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，廣州地區(qū)典型的家庭情景里開機(jī)時臥室和客廳開啟空調(diào)的平均溫度為23.35℃[15]。假設(shè)用戶設(shè)定空調(diào)溫度遵循正態(tài)分布，取N(23,22)，取值區(qū)間為(15℃,35℃)。

開窗行為是個體不確定行為，在空調(diào)房間的開窗行為是一種特定情景的開窗行為[16]。夏熱冬冷地區(qū)夏季空調(diào)開啟時窗戶開啟率有11.1%[17]，可認(rèn)為此行為規(guī)律在夏熱冬暖地區(qū)適用。取開窗時長為開空調(diào)時長的一半。單間病房新風(fēng)量r取0.0556m3/s。窗戶開啟面積取1.2m伊0.6m，開口的高度取1.2m，有效開口面積eff取窗口面積的一半。室內(nèi)外空氣溫度差駐取5K，室內(nèi)外空氣平均溫度取302.5K，開口處的風(fēng)速取2m/s。

根據(jù)夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，屋頂熱阻o取0.91m·2K/W，駐取0.3m·2K/W。取14%，COP取3.5。單位光伏板的額定發(fā)電功率pv取1kW/m2，屋頂可鋪設(shè)光伏板面積取2000m2，光伏板發(fā)電效率取15.4%，年太陽能可利用小時數(shù)取2200h。

經(jīng)計算，采取以上節(jié)能措施后，全年預(yù)計可減少用電256萬kW·h，折合節(jié)省標(biāo)煤315t，減少CO2排放量873t，說明節(jié)能措施具有良好的經(jīng)濟(jì)效℃和環(huán)境效℃。

各項節(jié)能措施從設(shè)備的智慧管理、人的行為控制和可再生能源利用等方面進(jìn)行節(jié)能，節(jié)能效果各有不同。采取節(jié)能措施后，醫(yī)院能耗比例見圖2。由圖可看出，節(jié)能措施共節(jié)約醫(yī)院能耗22.47%。其中，空調(diào)溫度控制占12%，光伏板綜合節(jié)能占7%，開窗行為控制占3%，說明空調(diào)溫度控制起了重要作用?？照{(diào)溫度控制和光伏板綜合節(jié)能措施可在已建成醫(yī)院進(jìn)行局部改造，開窗行為控制需要加強(qiáng)醫(yī)院運(yùn)行管理。

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審核編輯 黃宇