姚晶珊

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院

0 引言

醫(yī)院作為城市典型公共建筑，也是城市的能耗大戶。其中建筑能耗占總能耗的27%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型公共建筑能耗［1］。醫(yī)院在早期設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了余量和穩(wěn)定性，未對(duì)節(jié)能性進(jìn)行充分考慮和設(shè)計(jì)，使醫(yī)院用能存在巨大浪費(fèi)，同時(shí)意味著節(jié)能潛力巨大。

醫(yī)院普遍的用能需求有制冷、采暖、供應(yīng)室消毒蒸汽、照明、廚房用熱及生活熱水等。其中采暖、供應(yīng)室蒸汽及生活熱水為用熱系統(tǒng)，很多醫(yī)院采用傳統(tǒng)做法，統(tǒng)一采用集中蒸汽鍋爐供給各個(gè)用能點(diǎn)，直接供應(yīng)蒸汽或者進(jìn)行汽水化熱給介質(zhì)加熱。此供能形式在節(jié)能角度上存在較多弊端。上海某醫(yī)院采用了這種供熱方式，本文以此醫(yī)院為例進(jìn)行集中鍋爐系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)路線研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1 醫(yī)院概況

某醫(yī)院為國(guó)家三級(jí)甲等醫(yī)院，建筑面積約110 752.48 m2。醫(yī)院核定床位1 216 張，擁有臨床科室和專業(yè)39 個(gè)，2019 年門急診量逾344 萬人次。上海某醫(yī)院建筑面積信息見表1。

表1 上海某醫(yī)院建筑面積信息表

1.2 用能概況

醫(yī)院建筑數(shù)量眾多，建筑面積較大的1、2、5、6號(hào)樓有制冷、采暖及生活熱水需求。采用水冷冷水機(jī)組供冷，采用集中蒸汽鍋爐，蒸汽經(jīng)汽水換熱器換熱加熱采暖循環(huán)水供暖，采用集中蒸汽經(jīng)汽水換熱器制備生活熱水。每棟建筑都有各自的制冷機(jī)房，配置了不同類型的冷水機(jī)組；集中熱源采用集中蒸汽鍋爐，鍋爐房安置在1號(hào)樓，集中蒸汽由蒸汽管道輸送到各個(gè)建筑用汽點(diǎn)換熱，供應(yīng)建筑采暖及生活熱水。此外醫(yī)院供應(yīng)室和廚房有直接蒸汽使用需求，用于消毒及炊事。其他建筑空調(diào)冷熱源采用分體式空調(diào)供應(yīng)。某醫(yī)院各建筑用能需求及用能形式見表2。本文主要對(duì)蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)進(jìn)行分析介紹。

表2 某醫(yī)院各建筑用能需求及用能形式統(tǒng)計(jì)

1.3 鍋爐供熱系統(tǒng)能耗分析

能耗分析是節(jié)能改造的第一步，也是節(jié)能潛力分析的基礎(chǔ)。2019 年鍋爐房燃?xì)庀牧考s128.5 萬m3，逐月燃?xì)夂牧咳鐖D1 柱狀圖所示。將鍋爐房所用燃?xì)獍凑斩静膳?、生活熱水及蒸汽供?yīng)幾類用途進(jìn)行拆分，結(jié)果見表3。由能耗拆分?jǐn)?shù)據(jù)可知，非采暖季，僅供生活熱水和蒸汽的燃?xì)饬坎簧儆阱仩t房全年燃?xì)饬康?/3，節(jié)能潛力較大。蒸汽鍋爐分項(xiàng)能耗占比見圖2。

圖1 蒸汽鍋爐逐月能耗柱狀圖

圖2 蒸汽鍋爐分項(xiàng)能耗占比

表3 蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)分項(xiàng)能耗拆分

2 改造方案

2.1 集中蒸汽鍋爐供能系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

醫(yī)院集中鍋爐房設(shè)置在1 號(hào)門急診大樓B2 層，鍋爐房?jī)?nèi)配置3 臺(tái)燃?xì)庹羝仩t，其中兩臺(tái)額定蒸發(fā)量為7 t/h，1臺(tái)額定蒸發(fā)量為10 t/h。鍋爐房集中蒸汽供應(yīng)和集中空調(diào)采暖、生活熱水、廚房及供應(yīng)室消毒。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解鍋爐的使用年限、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備管理現(xiàn)狀等情況，并根據(jù)其他醫(yī)院鍋爐節(jié)能改造項(xiàng)目上的經(jīng)驗(yàn)分析，雖然鍋爐已經(jīng)采用煙氣余熱回收等局部節(jié)能措施，但集中蒸汽鍋爐仍具有較大的節(jié)能潛力：

1）鍋爐制備蒸汽平均能效約為69.7%

根據(jù)2020 年7-11 月統(tǒng)計(jì)鍋爐房外供蒸汽4 165.3 t，鍋爐房7-11月消耗燃?xì)饬?23 980 m3。以蒸汽熱值2 700 kJ/kg，燃?xì)鉄嶂?8 044 kJ/m3，估算鍋爐房全年外供蒸汽的平均能效約為69.7%。

鍋爐制備蒸汽外供的平均能效僅為69.7%，其中一個(gè)主要原因是鍋爐長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行；蒸汽鍋爐的運(yùn)行通常受管道內(nèi)蒸汽壓力控制，為維持末端正常用熱，鍋爐需持續(xù)保持管道壓力。在低負(fù)荷時(shí)期，末端幾乎不用熱，管道如果保溫條件不好或存在泄漏，管道內(nèi)壓力會(huì)緩慢降低；當(dāng)壓力低于控制點(diǎn)，鍋爐啟動(dòng)產(chǎn)生蒸汽，管道升壓。此時(shí)的加熱是短暫的，因?yàn)楣艿郎龎赫羝枨罅康?，于是造成了鍋爐的頻繁啟停；鍋爐每次啟停又會(huì)對(duì)爐膛進(jìn)行吹掃，爐內(nèi)熱量被吹走造成浪費(fèi)。比如，院區(qū)內(nèi)生活熱水24 h 供應(yīng)不間斷，當(dāng)最遠(yuǎn)處某建筑有熱水需求時(shí)，必須運(yùn)行一臺(tái)鍋爐，造成浪費(fèi)，降低了整體供熱效率。

2）長(zhǎng)距離蒸汽輸送，存在輸送損失及泄漏損失

集中鍋爐房蒸汽需要輸送至各個(gè)用汽點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，蒸汽管道輸送距離大約300～600 m。長(zhǎng)距離蒸汽輸送且蒸汽管道使用年限較長(zhǎng)，部分管段保溫破損；此外，長(zhǎng)距離的正壓蒸汽管道不可避免地會(huì)有蒸汽泄漏點(diǎn)，估計(jì)的熱力損失約15%左右。

3）蒸汽制備熱水、供熱，存在換熱損失

大部分建筑采用蒸汽通過板式換熱器制備生活熱水，存在換熱損失約10%。蒸汽鍋爐供能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3。改造前集中鍋爐各用能系統(tǒng)綜合能效估算表見表4。

圖3 蒸汽鍋爐供能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

表4 改造前集中鍋爐各用能系統(tǒng)綜合能效估算表

2.2 節(jié)能改造方案

由節(jié)能潛力分析中對(duì)蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)效率的分析可知，系統(tǒng)在鍋爐效率、載熱介質(zhì)輸送、換熱方面均存在提升空間。鍋爐效率方面可以選用效率更高的新式熱源產(chǎn)品。載熱介質(zhì)輸送方面，盡量減少蒸汽載熱的比例，可選用熱水供熱，按末端溫度要求直供熱水，減去汽水換熱的環(huán)節(jié)。對(duì)采暖、生活熱水及蒸汽三方面的供熱需求，將三種需求的供熱系統(tǒng)分別獨(dú)立，每個(gè)系統(tǒng)按照負(fù)荷特點(diǎn)配置設(shè)備，杜絕“大馬拉小車”工況。

1）采暖系統(tǒng)改造

采用超低氮真空熱水機(jī)組替代蒸汽鍋爐供采暖熱水，1 號(hào)樓、2 號(hào)樓、5 號(hào)樓、6 號(hào)樓總建筑面積為93 937 m2，建議配置2 臺(tái)單臺(tái)制熱量為2 800 kW的超低氮真空熱水機(jī)組，其中一臺(tái)為超低氮冷凝真空熱水機(jī)組，一臺(tái)為雙換熱器超低氮真空熱水機(jī)組（可同時(shí)供應(yīng)采暖熱水及生活熱水）。上海醫(yī)院建筑常規(guī)單位建筑面積采暖負(fù)荷指標(biāo)不超過40 W/m2，目前本方案單位建筑面積負(fù)荷指標(biāo)為60 W/m2，已超過常規(guī)配置的50%，完全可滿足醫(yī)院空調(diào)供暖需求。

日常供暖開啟一臺(tái)超低氮冷凝真空熱水機(jī)組即可滿足需求，另一臺(tái)雙換熱器機(jī)組可作為采暖及生活熱水的備用機(jī)組。

2）生活熱水系統(tǒng)改造

根據(jù)鍋爐房能耗拆分結(jié)果，醫(yī)院生活熱水天然氣耗量約46.73 萬m3，日平均生活熱水用量約205 m3。建議安裝兩臺(tái)真空熱水機(jī)組，單臺(tái)換熱量為1 400 kW 超低氮真空熱水機(jī)組供應(yīng)生活熱水，該機(jī)組每小時(shí)產(chǎn)生活熱水量為24 m3，完全可滿足醫(yī)院生活熱水使用。

3）蒸汽系統(tǒng)改造

根據(jù)鍋爐房能耗數(shù)據(jù)及鍋爐房運(yùn)行記錄分析計(jì)算，醫(yī)院?jiǎn)挝恍r(shí)最大蒸汽需求量為0.8 t。考慮一用一備，配置2 臺(tái)1 t/h 蒸汽發(fā)生器，可滿足蒸汽使用要求和設(shè)備備用的要求。

3 節(jié)能改造預(yù)期效果

1）采暖系統(tǒng)：根據(jù)前述估算蒸汽鍋爐供采暖效率約為53.6%，選用真空熱水機(jī)組供采暖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，平均供暖效率可達(dá)約89.3%。可實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)節(jié)能率約40%。

2）生活熱水系統(tǒng)：生活熱水系統(tǒng)同采暖相似，改造前后供熱效率大致相同，可實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)節(jié)能率約40%。

3）蒸汽系統(tǒng)：改用高效蒸汽發(fā)生器后，蒸汽設(shè)備專供蒸汽使用點(diǎn)使用，供蒸汽效率由59.5%可提升到約85.5% 左右?？蓪?shí)現(xiàn)單項(xiàng)節(jié)能率約30%。

各項(xiàng)節(jié)能數(shù)據(jù)測(cè)算結(jié)果見表5，鍋爐供熱系統(tǒng)改造各項(xiàng)節(jié)能量占鍋爐總能耗36.8%左右，全年約節(jié)約燃?xì)?7.3 萬m3，折合標(biāo)煤量614.77 tce。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，若實(shí)施改造，預(yù)計(jì)3-4 年節(jié)能量可收回投資成本。

表5 節(jié)能改造措施及節(jié)能效益計(jì)算表

4 結(jié)語

本文通過對(duì)上海某醫(yī)院蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)分析，提出了針對(duì)當(dāng)前供能結(jié)構(gòu)的改造建議，并估算了節(jié)能效益和投資回收期限。根據(jù)評(píng)估可見，該醫(yī)院鍋爐供能系統(tǒng)節(jié)能量可觀，建議盡早實(shí)施改造。