甲级院设计师分享：做医院空调设计，考虑负荷需求，有3条策略

作者：上海建筑设计研究院有限公司 葛春申

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华山医院北院新建工程位于上海市宝山区，作为上海市政府“5+3+1”医疗服务工程重点项目，华山医院北院的设计定位为集医疗、教育、科研于一体的三级甲等综合性医院。医院占地 176 亩，总建筑面积为 72,000m2，床位数 600 张。医院由病房楼、门诊医技楼、科研办公楼、传染楼、设备楼等建筑单体组成。

其中病房楼高度为 45m，地上十层，地上建筑面积为 30190m2。门诊医技楼高度为 24m，地上四层，建筑面积为 31010m2。病房楼与门诊医技楼共用地下一层，建筑面积为 8280m2，主要用途为厨房、设备用房及停车库。部分范围为战时核六级人防人员隐蔽部。

一、工程设计特点

一般情况下，医疗建筑的空调设计为了确保医疗工艺要求，会导致能耗较大。经计算，本工程设计空调总冷负荷为 8570kW，总热负荷为 6050kW，平均冷、热负荷指标分别为 119W/m2 和 84W/m2；设计消毒用蒸汽量为 1.5T/h，空调加湿用蒸汽量为1.1T/h。考虑到上述负荷需求，并为实现节能减排，本工程在降低能耗、提高能源综合利用率方面做了如下工作：树上鸟教育暖通设计在线教学杜老师。

（1）针对冷热源系统的节能策略

1）作技术经济比较选用冷热源：采用能效比较高的电制冷冷水机组 + 燃气锅炉，并根据空调、生活、工艺的不同使用要求，分别配置热水锅炉和蒸汽锅炉，避免热源从高位向低位再交换时的能量损失。

2）作日负荷特性分析，合理配置主机：医技、病房、科研楼的集中式空调系统选用 2750kW 离心机组两台 +1400kW 螺杆机组两台，螺杆机组恰好能满足夜间空调需要。传染楼与主体建筑分离较远，使用情况较为独立，因此采用独立的小型气源热泵机组（带热回收）。

3）螺杆机组设计冷凝热回收系统，夏季，在供冷的同时，回收冷凝热，用以预热生活用水或提供手术室再加热热水，实现能源再利用，节省一次能源消耗。

4）作季节负荷特性分析：对洁净手术部、ICU、低温药库，增设热回收型风冷热泵作为独立冷源，过渡季节在供冷的同时，可提供再加热热水，从而最大限度满足使用要求并节省日常运行能耗。

5）采用分布式供能系统，利用小型燃气发电机组的余热，供部分空调制热或供部分生活热水用热。系统发电量为 250kW，可提供 370kW 的余热。整套热电联供的分布式供能系统，可实现能源的梯级利用，提高能源的总体利用率，减少碳排量。

（2）针对冷、热水输配系统的节能策略：

1）冷水系统输送采用 6℃ 水温差（ 7/13℃），以减小输水管管径，并减少经常性的输送动力能耗。

2）空调冷、热水循环泵、热回收水泵设变频控制，适应系统负荷变化，节省水泵运行能耗。

（3）针对空调末端的节能策略

1）对于洁净手术室排风、 ICU 排风、病房排风，均设置盘管型显热回收机组，回收排风预热，预热新风。

2）大规格空调箱风机采用变频控制，变风量运行，节省运行能耗。

二、心得与体会

（1）冷源设备的选择

医技楼、病房楼、科研楼设计空调总冷负荷为8300kW。三栋楼各自的峰值负荷如图 1 所示，其中病房楼 24 小时使用，其余两栋楼的使用时间为7:00~18:00。负荷最小值为 700kW，发生于凌晨 0 点，此时空调系统仅为病房楼供冷，总体低负荷率的波动范围从 8%~20% 不等。经统计，供冷季（ 5 月 ~10 月）总冷负荷小于 25%（既 2075kW）的出现频率大于50%。

正因为本工程负荷呈现出昼夜差异大，低负荷率出现频率大等特点，设计选用了两台 2750kW的离心机组和两台 1400kW 的螺杆机组，作为系统冷源。螺杆机组恰好能满足夜间空调需要，其能实现在 10%~100% 的负载率之间的无级调节。这样 “ 两大两小，两离心两螺杆 ” 的组合，能匹配不同负荷需求，保持冷源系统高效运行。

工程使用后，设计院对冷源机组的运行情况进行了调研回访。以 2016 年 6 月为例，当月室外平均温度为 24℃，医院的负荷需求如图 2 所示。冷源运行时开启 1 台螺杆机或 1 台离心机。各机组负载率情况详见图 3。

随着室外温度的逐步升高，医院对于空调负荷的需求增大，负荷率逐步提高。六月负荷最大值为2420kW。以单台离心式冷水机组额定容量 2750kW为满负荷。系统在负荷率低于 50% 的情况下，使用1400kW 的螺杆机，螺杆机负载率（工作日）能保持在 75% 以上。

在负荷率高于 50% 时使用 2750kW 的离心机，离心机负载率（工作日）能保持在 65% 以上。这样的负荷和冷机的匹配情况，能使医院使用更灵活，提高了冷机的运行效率，降低了运行成本。

（2）分布式供能系统

本项目采用分布式供能系统的原因是：

分布式供能系统是一种综合的供能方式，分布式能源站靠近用户或在用户场地内，使用一次能源独立供电，并利用余热供热、制冷、供应热水，可实现能源综合阶梯利用。分布式供能以其高效、低排放、安全可靠等优势，成为了国家及地方大力推广的节能减排技术。在这样的推广背景下，本工程依据上海市政府相关文件要求，采用燃气内燃机为主机的分布式供能方案，辅助主要能源系统，以减少外网用电量。

分布式供能系统设计难点在发电机组机型选定、容量的确定以及回收系统设计方案的确定。不同方案和主机类型，其工作原理不同，初投资不同，回收能力不同，经济收益也会相差很大。

对本工程全年各季节、全天 24 小时的电、热负荷作详细计算，并统计调研资料，经归纳得出了各类负荷的最大值和最小值如表 1 所示。

由负荷分析得知，本工程无论是用热负荷或用电负荷其日夜峰谷差值都较大，考虑到内燃发电机组变工况运行特别是低负荷运行时性能不太理想，因此，希望配置的内燃发电机组应尽可能在额定工况下运行。

因此本工程分布式供能系统的设计原则为：“以热（冷）定电，热（冷）电平衡”， “并网不上网”，机组的发电量自发、自用、自平衡，分布式发电机组的总装机容量不大于相应电力系统接入点的上级变压站单台主变容量的 30%。余热供热，匹配一部分空调热负荷需求，这样既实现了能源的梯级利用，又提高了发电机组的运行效率，降低了主机设备初投资。

空调最低热负荷为 270kW，生活热水最低热负荷为 700kW。相对而言，生活热水负荷稳定，因此考虑以匹配生活热水负荷的 50%，确定热电联产产热量不小于 350kW。与此同时， 350kW 的产热量，也能保证最低空调热负荷需求，在过渡季可以不开锅炉，仅回收燃气发电机余热，为建筑供暖。

以 350kW 产热量及一次能源利用率不小于 70%的要求，确定燃气发电机的发电量为 250kW。系统的具体设计方案如下：

1） 250kW 内燃发电机组一台 + 板换 + 蓄热水箱（ 80T）（仅供生活热水用）；

2） 250kW 内燃发电机组一台 + 板换 + 蓄热水箱（ 80T）（供生活和空调热水用）；

3） 250kW 内燃发电机组一台 + 温水型吸收式冷水机组一台（ 70USRT） + 蓄热水箱（30T）（原设容积式水箱兼用）

以分布式供能系统的经济效益，对比各设计方案，如表 2 所示。

根据电、热（冷）负荷的特性和大小，结合发电机组的性能特性并考虑到对工程的总体的影响和投资回报期等因素，设计采用方案 2（ 250kW 内燃机一台 + 板换 + 蓄水箱）的热电两联供系统。

该方案发电机组的发电容量与医院的用电负荷的低端相配合，余热产量为 370kW，占整个热源系统负荷的 6%。余热热水管网与锅炉一次水系统并网，白天提供生活用水用热；夜间当生活用水无法消耗全部余热时。冬季：经板换（原有）制备 60/50℃热水供空调加热，其他季节：利用容积式水箱适当蓄热。

此种配置可使内燃机组尽可能在额定工况下运行，能保证机组全年有足够多的运行小时数，机组的余热输出得到充分利用，保证机组达到年平均总热效率＞ 70%，年平均热电比＞ 55%。

该系统验收时，顺利通过了连续 72h 的试运行 测 试， 燃气耗量为5040Nm3/h（ 热值8600kcal/m3），发电量为 17460kW·h，提供生活热水供热量10150kW·h，提供空调热水供热量8270kW·h。测试期间发电效率为 35%，一次能源利用率为 71%。符合上海市《分布式供能系统工程技术规程》的不小于 70% 的要求。

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