1醫院能耗特性分析

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

廣州市番禺區某醫院是一所大型綜合公立醫院，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176.8萬人次。該醫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2489萬kW·h，天然氣消費量3068m3，汽油消費量59656L，柴油消費量240L，全院年能源消費量折算標煤3152t標準煤，電能消費占醫院總能消耗的97.07%。醫院電能消費可分為醫療設備和后勤服務設備，其中后勤服務設備包括暖通空調、照明系統、電梯、安防、辦公用電等。該醫院地處南亞熱帶，氣候分區屬于夏熱冬暖，冬季無供暖需求，空調系統主要用于夏季供冷。

根據使用目的，醫院空調可分為舒適性空調和工藝性空調[12]。舒適性空調主要為室內人員提供舒適環境，包括病房、辦公室等公共活動區域。工藝性空調應用在對空氣質量有嚴格要求的空間，包括手術室、麻醉科等區域。醫院空調系統耗能量前五的區域見圖1，分別是病房（含辦公室區域）、手術室和麻醉科、門診、消毒供應中心、急診。其中病房（含辦公室區域）占空調系統用能的35.8%，大大高于手術室等區域。

圖1醫院空調系統年度耗能排名前五的區域

此外，醫院的能源均為外部購置，成本居高不下。醫院的能源供應結構較為單一，電能100%由市電供應，不利于醫院能源系統安全。根據綠色醫院建筑的建設理念，需要符合低碳環保的要求。

2醫院節能措施建模

由醫院能耗特性分析可知，醫院能源系統節能應從減少能源消耗和改善能源供應結構著手。以電能為主的能源消費中，空調能耗占能耗的大部分。其中，醫院工藝性空調需要為診療服務提供支撐，不適宜進行大幅度改造。醫院舒適性空調中，病房（含辦公室區域）應作為重點節能對象。在日常實踐中發現，病房和辦公室區域，人為不節能行為會造成空調非必要的能耗。例如，在病房區域，部分病人節能意識差，將空調溫度調至很低；部分病人擔心室內空氣流通狀況不佳，在空調運行期間將窗戶打開通風；辦公區域，辦公室人員時常有下班忘記關空調等現象。醫院人員構成復雜，節能理念難以統一，靠制度約束人的行為不可控因素過多。因此，考慮基于智慧醫院管理的智能樓宇建設，構建空調監控系統、空調與窗戶聯動控制系統模型，同時挖掘醫院可再生能源資源的潛力，構建屋頂光伏系統模型。

2.1空調智慧監控系統

結合國務院執行公共建筑空調溫度控制標準的通知和夏季病房內病人舒適性要求，空調系統設定的溫度取27℃較為適宜[13]，而現實中，用戶多將病房空調設定溫度遠低于27℃。因此，在考慮用戶偏好的前提下，通過空調智慧監控系統對病房內空調溫度范圍進行調控，空調智慧監控系統設定如下：

（1）實時采集室內、室外氣溫；

（2）規定空調設定溫度*低值；

（3）病房內用戶輸入自己的偏好溫度；

（4）當外界氣溫高于(+3)℃時，病房空調開啟，且溫度設定為；

（5）當用戶輸入的偏好溫度低于時，病房空調自動設定為。

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

式中：t為每年因空調溫度控制而節約的空調能耗比例，%；0為病房空調能耗占醫院總體空調能耗比例，%；為未實施節能措施前每年病房空調系統能耗，kW·h；rt為實施節能措施后每年病房空調系統能耗，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為室內空氣逐時比焓，kJ/kg；為在(1,2)溫度區間空調溫度設定的取值概率。

2.2空調與窗戶聯動控制系統

當開啟空調房間的窗戶打開時，在熱壓和風壓的作用下，室內冷空氣≥出，室外熱空氣進入，使房間的冷負荷增加。結合醫院“智慧管理”的精細化管理，加強醫院設備在線管理，可建設空調系統與窗戶聯動控制系統，監控窗戶啟閉狀態，當空調運行和窗戶開啟2個條件同時滿足時，通過能源管理系統關閉房間空調，由此調節病房內空調用能行為。為簡化計算，忽略冷熱空氣焓差，假設從窗戶進入的是與室內新風溫度相同的冷空氣，通過實施該系統前后的系統風量變化計算節約的空調能耗比例。新風量能耗只占空調能耗的一部分，但在外界條件不變的情況下，新風量的有限改變不會大幅影響新風量負荷占空調冷負荷的比例。且真實的熱空氣進入房間后會額外增加空調能耗，因此，該簡化不影響措施的能耗節約比例計算。節約的能耗計算如下：

式中：w為每年因控制開窗行為而節約的空調能耗比例，%；new為新風量部分占空調冷負荷的比例，%；rw為實施空調與窗戶聯動控制系統后每年病房空調系統總新風量，m3；o為通過開窗戶流通的空氣量，m3/s；為開空調時開窗時長，h；為房間數，個；r為一個房間的新風換氣量，m3/s；為開空調時長，s；w為有開窗現象的病房比例，%。

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開口箱體。通過窗戶的單側通風量為熱壓和風壓作用下的流通量。熱壓是指因室內外溫度不同造成室內外空氣密度差而產生的壓差。風壓是指室內外風速作用下產生的壓差，假設窗戶為單開口自然通風，且為穩態流動。單側通風量計算公式[14]為：

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

2.3綜合發電和樓頂遮陽的屋頂光伏系統

太陽能光伏板是常見的分布式可再生能源。通過增加發電途徑，可以改善能源供應，降低能源成本。通常該技術措施的節能效果是根據光伏發電量估算，而光伏板對于建筑的影響則被忽略。根據對設備設施的智慧管理與規劃，設計屋頂太陽能光伏板鋪設方案，可以達到發電和樓頂遮陽的雙重效果。

在屋頂，光伏板對太陽輻射進行直接遮擋，相當于增加了熱阻，減少到達室內的熱流量。光伏板架空通風層中空氣對流運動也能帶走部分熱量，減少到達屋頂的熱流量，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生從室外到室內的熱流量，W/m2；2為采取遮陽措施后單位面積因太陽輻射產生從室外到室內的熱流量，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；為屋頂房間數量占全部房間的比例，%。

通過光伏板發電產生的電量計算公式為：

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

由式(10)～式(13)，則該項措施每年可節省空調能耗比例為：

綜合以上節能措施，共節約能耗比例為：

3節能效果與敏感性分析

廣州地區夏季室外空氣逐時計算焓值可根據GB50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》查得。醫院空調系統設定的特定溫度取27℃，室內相對濕度取60%。據調查統計，廣州地區典型的家庭情景里開機時臥室和客廳開啟空調的平均溫度為23.35℃[15]。假設用戶設定空調溫度遵循正態分布，取N(23,22)，取值區間為(15℃,35℃)。

開窗行為是個體不確定行為，在空調房間的開窗行為是一種特定情景的開窗行為[16]。夏熱冬冷地區夏季空調開啟時窗戶開啟率有11.1%[17]，可認為此行為規律在夏熱冬暖地區適用。取開窗時長為開空調時長的一半。單間病房新風量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。室內外空氣溫度差駐取5K，室內外空氣平均溫度取302.5K，開口處的風速取2m/s。

根據夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準，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電功率pv取1kW/m2，屋頂可鋪設光伏板面積取2000m2，光伏板發電效率取15.4%，年太陽能可利用小時數取2200h。

經計算，采取以上節能措施后，全年預計可減少用電256萬kW·h，折合節省標煤315t，減少CO2排放量873t，說明節能措施具有良好的經濟效℃和環境效℃。

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

參考文獻

[1]中國建筑節能協會.中國建筑能耗研究報告2020[J].建筑節能(中英文),2021,49(2):1-6.

[2]路賓,曹勇,宋業輝,等.上海醫院建筑用能狀況分析與節能診斷[J].暖通空調,2009,39(4):61-64.

[4]吳疊恩，陳建基，李盛佳，郭幸.基于智慧能源管理的醫院節能措施分析.

[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

審核編輯 黃宇