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医院建筑用能模式及能耗评价指标

作者:admin来源:建筑节能上传时间:2016-03-17

内容摘要:《暖通制冷空调》杂志(月刊,投稿热线:010-63381153)......

       引言
 
       医院是功能复杂、影响范围广泛的综合建筑。不同于商场建筑和酒店建筑,医院建筑是医院开展医疗活动的主要场所。随着医疗需求的增加、疾病流行和变异、医疗技术的革新,对医疗机构和医疗建筑实施人性化设计,医院建筑的可变性和适应性也在不断增强,可为病患提供更为健康、舒适的就诊与医疗环境。但是,良好的就诊环境、先进的医疗技术与诊疗设备,在一定程度上满足了人们日益提高的健康意识和就医环境需求的同时,也导致了医院建筑能耗逐年升高[1]。医院建筑功能的特殊性和能耗高的实际情况,已引起多方面的关注,近年来,国内外大量的学者围绕医院建筑节能问题进行了相关研究,而医院用能模式和能耗评价指标的确定是开展医院建筑节能工作的基础绍。
 

       1 医院建筑用能模式研究现状
 

       医院建筑的用能模式体现在能耗种类和能耗在医院的时空分布。医院建筑所消耗的能源是为医院运行所服务,因此,医院的功能是分析医院用能模式的基础。根据我国综合医院建设标准[2]规定,医院主要部门为提供诊断服务的急诊部、门诊部、医技科室等;提供治疗服务的住院部、手术室、康复中心等;提供附属服务的保障系统、行政管理和院内生活用房。各个部门为实现其应尽的功能必须依靠不同设备或者系统,主要包括控制诊疗环境的空调系统和照明系统;提供诊疗服务的医疗设备;提供生活热水和消毒蒸汽的供热系统;提供其他服务的电梯、办公、生活、消防等其他系统。因此,医院建筑用能复杂,能源种类多,涉及部门广,用能时间不同。研究掌握医院能耗的时空分布,分析能耗影响因素,是医院节能工作的基础。
 

       1.1 国内医院建筑耗能模式
 

       1.1.1 医院能耗总量和能源结构医院建筑能耗由于其功能特殊性而高于其他建筑。
 

       据调查分析,北京多数医院天然气消耗量超过北京住宅冬季采暖耗气量[3]。根据大量学者在2005~2009年间对北京、上海、长沙、重庆等部分中国医院建筑的能耗实测统计分析,医院的能耗为26~260 kW·h/(㎡·a)不等[4-6,8,10,15]。不同类型的医院能耗不同,如专科医院、综合医院,某地区[4]专科医院能耗为27.05 kgce/(㎡·a),综合医院能耗为30.73 kgce/(㎡·a);不同等级的医院能耗不同,如三级甲等、二级乙等,江浙地区[5]某三甲医院能耗63.36 kgce/(㎡·a),二乙医院能耗25.97 kgce/(㎡·a)。不同地区的医院能耗不同[6],如深圳、重庆和长沙等,相同规模的长沙医院能耗124.3 kW·h/(㎡·a),深圳114.9 kW·h/(㎡·a),重庆117.8~394.6 kW·h/(㎡·a)。医院能源消耗的种类主要为电能消耗和燃料消耗。上海某大型医院建筑2种主要能源的费用所占的比例是电力65%、燃气30%[7]。医院的类型、等级、地理位置、能源消耗方式等都影响医院的整体能耗。
 

       1.1.2 医院建筑耗能系统的能耗和能耗结构医院主要耗能系统为暖通空调系统、照明系统、医疗设备、电梯、厨房等。
 

       李著萱[4]通过调研给出某综合医院各项能耗中,暖通空调占65%,照明占9%,生活冷热水8%,医疗设备占10%,电梯占2%,其他占6%;某专科医院暖通空调占70%,照明占4%,生活热水占11%,其他占15%。医院暖通空调系统、照明耗电、各种医疗设备、电热开水器和电梯等综合服务系统消耗电能;供暖、生活热水、工艺和炊事等消耗燃气。调研指出医院建筑各项电耗中空调与采暖系统的能耗占总用电能耗比重最大,为54%;电梯及医疗设备等动力占15%;照明占8%;办公占10%;厨房占3%;其他占10%[7]。医院建筑中燃气耗量中生活热水和工艺用量所占比例最大,为54%,供暖用量占42%,食堂用量占4%[8]。因此,医院建筑总系统能耗中:暖通空调系统>医疗设备>照明> 热水/电梯/食堂等,可见暖通空调系统是医院建筑的耗能大户,也是医院建筑的节能重点。
 

       1.1.3 医院各部门能耗及能源结构医院建筑内部各部门承担着不同的功能,具有不同的耗能系统和设备。
 

       以门诊楼和住院楼为例分析,门诊楼的主要功能是接待就诊病人,通过医疗手段对病人进行诊断,因此,门诊楼的主要用能系统或者设备为:暖通空调系统、照明系统和医疗设备。住院楼的主要功能是为需要留院治疗的病人提供场所,因此,住院楼的主要耗能系统或者设备为:暖通空调系统、照明系统、生活热水系统、餐饮炊事等。不同耗能系统的能耗和耗能种类不同,使得医院各个部门的能耗量和能耗结构有所不同。通过对长沙市某医院建筑各个部门的能耗进行了更为详细的实测分析[6],门诊楼2005 ~2007年平均能耗为72.5 kW·h/(㎡·a),而住院楼为120.5 kW·h/(㎡·a),并且该医院门诊楼消耗2种能源比例分别为电力85%,燃气15%;住院楼消耗2种能源比例为电力54%,燃气为45%。医院消耗在门急诊楼的空调系统、医疗设备、照明设备、电梯的比例分别为42%、25%、12%和6%;对于住院部,除去医疗设备,消耗在空调系统、照明设备、电梯电能的比例分别为63%、28%和5%。
 

       1.1.4 医院能耗时间分布首先,暖通空调在医院建筑的能源消耗中占非常大的比例,使得医院电耗和燃料消耗具有明显的季节性。通过对上海某大型医院建筑进行能耗审计,调研结果指出全年耗电量呈抛物线分布,8月份耗电量最大,由于建筑耗电量中占最大比例的空调能耗在8月份最高。燃气主要消耗在冬季的12月到次年的3月之间,由于建筑燃气消耗量中采暖耗气量在冬季最大[7]。对天津医院类典型建筑进行能源监测得出类似结论,燃气消耗主要在11月~次年3月,空调能耗峰值出现在7~8月[9]。其次,医院照明和医疗设备主要围绕着医疗活动的需要而工作,因此医院电耗具有日变化规律。照明设备运行时间主要是6:30- 24:00;通过主要医疗设备24 h用电负荷趋势图分析,80%的设备全天耗电,CT和核磁机全天能耗波动不大,维持在40~80 kW·h之间,值较高,其他设备在0~30 kW·h之间,且呈现出18:30-次日6:30的低谷能耗趋势[9]。再次,热水及蒸汽的使用时间[2]因使用部门的不同具有不同的日变化规律。如洗衣房、门诊部等部门8 h使用;厨房一般分为上午5:00-7:00、中午9:00-11:00、下午3:00-5:00共3个时间段间歇使用,消毒所需的开水和蒸汽一般在10:00- 4:00使用;部门如手术室、急诊室、分娩室等需连续使用。由此,可见医院各个系统的耗能时间与室外气候、医疗活动有着十分密切的关系。
 

       1.2 国外医院建筑耗能模式国外医院能耗种类也为电能消耗和燃料消耗。
 

       英国学者曾调研150家医院[11],根据医院类型,大型急诊医院电耗平均97 kW·h/㎡,高于小型急诊66 kW·h/㎡和长期住院医院的70kW·h/㎡。燃料消耗指标相近,3种类型医院平均为480 kW·h/㎡,有些年代久远的医院建筑因供热系统陈旧使得燃料消耗量增加。医院建筑的能耗与国内类似,主要消耗在暖通空调、照明、生活热水、医疗设备、餐饮等方面。Van Heur[12]2008年指出有500床的运行良好的医院,能耗中电耗占52%,其中照明耗电占14%,其他如暖通空调系统、医疗设备、办公设备等占38%;化石燃料消耗占48%,主要用于加热,如供暖、厨房用蒸汽,暖通空调系统的除湿,消毒,生活热水等。印度[13]某医院建筑总能耗中电能消耗占77%,燃料消耗占23%,总能耗中暖通空调占41%,照明占18%,洗衣房占14%,医疗设备占14%,办公设备占5%,制冷占2%,炊事占6%。2001年加拿大[14]绿色卫生保健联盟给出医院能耗组成,其中暖通空调占62%,照明占13%,生活热水占13%,餐饮占6%,消毒占3%,医疗设备占2%,其他占1%。2003年美国[15]EIA的数据指出,医院建筑各个末端能源消耗的比例为:暖通空调占30%,生活热水占27%,照明占14%,设备占2%,炊事占10%,制冷占2%,其他占15%。澳大利亚维多利亚州[16]某医院2010~2011年电费占总费用的67%,燃料费用占33%,燃料包含蒸汽、天然气和液化石油气。大城市急诊医院的电耗组成中主要建筑服务耗能(风机、水泵、照明、冷机、电梯等)占79.1%,除此之外,核磁共振设备的冷却电耗占6.4%,IT部占5.3%,小型医疗设备(急诊部、24 h特护病房、胃炎医疗手术病房、加护病房、肾病房、感染病房、组织病理实验中心)占4.6%,中心消毒室占0.9%,医疗气体占0.9%,成像部门占0.8%,洗衣和厨房占0.8%。指出核磁共振冷却装置的全天存在负荷,电流约32 Amps,而核磁共振磁体白天7:00-22:00负荷在30~60 Amps,夜间10:00-次日7:00待机电流为15 Amps。美国科罗拉多国家[17]可再生能源实验室利用能耗模拟软件模拟医院能耗,给出能耗模型中所需的各个部门和设备的工作时刻表,由此计算出每天工作的总时间,如表所示。国外医院建筑能耗组成与国内类似,但各组成能耗的比例与建筑所在地区的室外气候有关,与医院的类型(急诊医院、综合医院、现代化医院等)、医疗活动的范围、医院的医疗活动的时间和特殊医疗区域等相关。如现代化医院的暖通空调系统和计算机数据中心的电耗占最主要部分,急诊医院的医疗设备能耗值得引起注意。美国医院的照明、洗衣房和餐饮区域的工作时间较国内医院长。印度ECO III 项目研究成果表明病房内足够的照明可以减轻手术后病人的疼痛,缩短住院日,减少每个病人的能耗。
 

       2 医院建筑能耗评价指标
 

       医院建筑能耗指标用于:设计阶段用来评价建筑内不同的用能系统和设备,保证整个建筑和其设备的正常使用能源;对比不同建筑之间的能源使用情况;评价自身建筑的能源使用情况。医院建筑用能系统的复杂性导致医院能耗的影响因素众多,难于确定出合理的建筑能耗评价指标。能耗评价指标的选取会影响对建筑系统的设计和用能情况的正确评价,进而影响建筑的正常使用和节能工作的进行。
 

       2.1 国内医院建筑能耗评价指标
 

       2.1.1 单位面积能耗指标国内研究中大多采用与办公建筑相同的能耗评价指标,即采用了单位面积能耗指标分析医院建筑能耗。
 

       上海4个医院建筑用能调研指出单位面积年耗电量为76~109 kW·h/(㎡·a),单位面积年耗燃油(气)量为8.2~16.2 m³/(㎡·a)[8]。对长沙市某医院建筑能耗进行了更为详细的实测分析,门急诊楼、住院楼、保健中心、胸科中心的总能耗密度分别为73.3、117.7、137.2、152 kW·h/(㎡·a)[6]。李著萱[4]等分别对综合医院和专科医院的能耗进行调研统计,采用将单位建筑面积能耗折合成标准煤和单位床年能耗折合标准煤后进行对比的方法,来比较综合医院与专科医院能耗。胡仰耆[18]等分析了上海11家医院的用能状况,利用统计数据计算出医院单位建筑面积年均能耗,并用其与美国医院单位建筑面积年均能耗比较,来分析我国能耗高的原因。江崇旭、邢金城[19]等人对天津市22家医院建筑能耗进行了调研,得到了天津市医院建筑能耗平均水平为348.5 kW·h/(㎡·a),并根据所消耗的能源种类不同,将所消耗的能量转化为碳排放量,采用医院建筑2010年的能耗平均值、碳排放平均值作为基准线,得出综合医院和专科医院建筑能耗基准线为381.2 kW·h/ ( ㎡·a)和309.3 kW·h/( ㎡·a),综合医院和专科医院建筑碳排放基准线为157.29 kgCO2/( ㎡·a)和130.46kgCO2/( ㎡·a)。
 

       2.1.2 单位床位能耗指标有学者提出利用单位床位能耗作为能耗指标的,但不同学者给出了不同的床日能耗计算方法。
 

       杜然[20]等对武汉市三级医院进行能源审计,指出建筑面积、床位数、住院量与能耗相关系数>0.7,提出利用医院单位床位能耗作为能耗评价指标来分段制定能耗定额的方法。田伟[21]、殷惠基[22]等人以上海市作为试点的3家三甲医院为例,提出利用q=Q/(n+p/3)(q为床日能耗量,kW·h/床日或者m³/床日;Q为年能耗总量,kW·h/年或者m³/年;n为年床日数,床日数/年;p为年门诊量,人数/年);作为能耗指标分析医院节能改造前后的节能效果,但指出由于各个医院建筑面积、用能方式、空调方式以及医疗业务性质不同,因此,该能耗指标不能用于医院之间的横向比较。
 

       2.1.3 其他能耗评价指标除上述2种能耗评价指标外,还有学者在综合医院空调系统的节能设计中利用医院每门诊人次能耗作为指标来分析医院能耗现状[23]。
 

       魏峥[24]等人通过借鉴英国所建立的医院建筑能耗基准评价方法,为考虑层高因素对建筑能耗的影响采用单位体积能耗指标来统计各类医院建筑能源消耗总基准指标,暖通空调系统能耗基准指标采用单位面积能耗来衡量,餐饮能耗基准指标采用单位床位能耗指标和单次用餐能耗指标衡量,并可将其转化为单位面积能耗指标,针对建筑分类和各个分项能耗,利用不同基准计算医院建筑的实际基准能耗,该方法考虑了建筑用途和运行情况等因素的差别对建筑能耗的影响。愈卫刚[25]通过对医院建筑能耗评价和节能对策的研究指出传统的单位建筑面积能耗指标无法反应医院真正能耗水平,通过聚类分析认为人均能耗指标(人均门急诊能耗指标)更能客观评价医院能耗。综上所述,国内学者分别提出建筑单位面积能耗、单位床位能耗、单位床日能耗、单位门诊人次能耗、单次用餐能耗等作为医院建筑能耗评价指标,它们分别单独考虑了围护结构、就诊人数和住院人数等对医院能耗的影响。
 

       2.2 国外医院建筑能耗评价指标
 

       2.2.1 单位建筑体积和面积能耗指标EPI 英国医院审计署[11]在1991年通过对200家医院的调研,利用每年每立方米能耗(GJ per 100m³ per annum)作为性能指标衡量医院能耗。

       分析指出大型急诊医院由于其医疗活动较多具有最高用电强度;长期住院区则由于医疗活动少而具有最低电耗。化石燃料需求也是急诊医院稍高,由于理疗所用蒸汽。英国学者后通过调研150家医院,假定建筑层高2.9m,利用单位面积能耗指标EPI(kW·h/㎡)代替单位体积能耗指标(GJ per 100 m³)更方便地衡量医院能耗。燃料消耗指标与机械通风的建筑面积成正比,相关系数r2为47%,47%的燃料消耗与机械通风面积有关,53%与其他因素如供热系统效率、热回收技术等有关。研究表明大进深建筑的电耗是小进深建筑电耗的2倍,燃耗多25%,因此,医院能耗和燃耗的指标采用单位面积能耗指标需要将医院建筑设计考虑进去。
 

       2.2.2 单位床位能耗指标CADDET (Centre For The Analysis And Dissemination Of Demonstrated Energy Technologies)1997[14]
 

       数据以单位床位能耗作为指标对比5个国家(CA-加拿大;NL-荷兰;AU-澳大利亚;SE-瑞典;BE-比利时)典型医院的年能耗大小,对于燃料消耗量CA>NL>AU>SE>BE,加拿大最高位43MW·h/床;对于电耗量AU>CA>SE>BE>NL,澳大利亚最大为28 MW·h/床,总能耗最大的为加拿大和澳大利亚,约为63 MW·h/床;同时,又以单位地板面积能耗对比各个国家医院的能耗,燃料消耗顺序CA>NL>BE>AU>SE;电耗顺序CA>AU>SE>BE;总能耗最大的为加拿大,约为940 kW·h/㎡。由此可见选取的能耗评价指标不同,所得到的不同医院之间的能耗对比情况也不同。印度政府ECO-III项目和能效局[13]同时以单位床位能耗指标和单位面积能耗指标计算医院建筑能效基准线,如印度西南部一家综合医院,360床位,具有50%以上的空调面积,根据印度能效局所指定的能效基准线的确定方法,得出该医院的能耗基准为84 kW·h/㎡和15 181 kW·h/床,以此判断医院能耗情况,进而实施节能策略。
 

       2.2.3 单位诊疗人数能耗指标新西兰学者[26]经调研分析得出:对于技术逐渐密集的普通病房、透析病房、手术病房,其病房年单位面积能耗逐渐升高,而其病房年单位诊疗人数能耗逐渐降低,因此,医院能耗与其医院技术强度和诊疗人数有着密切关系。
 

       在对医院病房的能耗评价指标进行研究中,指出仅仅利用单位面积能耗指标评价医院建筑能耗存在不合理之处,认为医院能耗评价指标应与医院的活动相关,提出单位诊疗人数能耗指标。
 

       3 讨论
 

       医院建筑能耗高于其他公共和民用建筑,且耗能部门多,耗能系统多,耗能时间具有差异性,评价指标具有多样性。我国医院建筑的能耗数据来源于调研统计数据,部分学者之间选取一种或者2种能耗评价指标对医院建筑能耗进行评价;部分学者根据调研数据分析能耗的影响因素,确定能耗评价指标,来判断医院的能耗情况,提出节能措施。大量文献使用单位建筑能耗指标来评价建筑能耗是不科学的,英国研究也指出EPI与建筑通风面积呈正线性相关。相关系数r2是0.85代表EPI的85%与建筑通风面积有关,其余15%与医院所提供的医疗服务有关。CADDET和新西兰都指出利用单位床位能耗指标、单位就诊人数能耗指标和单位面积能耗指标评价同一栋建筑得出不同的结果。按照医院的耗能部门来分析:第一类部门是门诊科室等室内人员相对固定可控的科室,与一般办公建筑类似,可以使用单位面积能耗指标;第二类是候诊大厅和挂号大厅等室内人数相对不固定不可控的部门,与医院的运营管理服务水平直接相关,且处于整个建筑内部,围护结构对能耗影响较小,如果使用单位面积能耗指标将不科学,可以采用单位门诊人次能耗。第三类是住院部,能耗是供给住院病人和陪护人员所需,与医院的医疗服务和住院人数也密不可分,因此应考虑使用单位床位能耗。其他还有医技科室、餐厅等部门能耗与医疗设备和就餐人数密切相关,应采取不同的能耗评价指标,但是整栋医院建筑如采用不同的能耗评价指标使用不便,医院能耗评价指标的确定需要进一步的理论分析和论证。
 

       4 结论
 

       对国内外医院建筑的用能模式能耗评价指标的已有研究进行综述分析,指出患者进入医院挂号大厅、候诊大厅、门诊部、医疗设备科室、手术室、住院部,一直在消耗能源,各个部门能耗的时空分布不同;影响能耗的因素有医院建筑所处气候区、医院建筑种类和级别、建筑面积、门诊量和床位数等,由此,目前衡量医院能耗指标主要有单位面积能耗、单位床位能耗、单位床日能耗、单位门诊人次能耗、单次用餐能耗等,其中以单位面积能耗指标应用最为广泛,办公建筑的能耗评价指标使用能量密度(能耗(W) / 单位地板面积(㎡) )可以取得良好结果是因为建筑功能单一,人数相对固定,但是对于医院建筑来说,医院建筑部门多、功能多,上述单独一个评价指标的使用具有局限性,不适合医院间横向对比。例如,建筑面积相同,门诊量和住院率高的医院,建筑能耗自然高,所以单纯使用单位建筑面积建筑能耗进行医院建筑之间的横向比较,显然是不准确的。因此,应该以某一气候区、某一种类和级别医院为研究对象,根据患者诊疗过程研究医院各部门用能模式、能耗的影响因素,应从理论上分析医院用能部门能耗、各个用能部门之间能耗的关联,在此基础上建立可量化的指标体系,确定医院建筑能耗综合评价指标。这对医院建筑采暖空调系统设计与运行、照明和电梯系统的节能运行和既有医疗建筑的能耗评价与节能改造等具有重要意义。


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