某医院综合能源系统能效提升以及效益分析

李处林中节能唯绿（北京）科技有限公司

摘要：医院建筑由于其项目公益性质、各建筑功能性、能源系统多样性等特点，导致其能源系统难以得到良好的控制和高效管理，致使医院类建筑能耗远远高于各个城市公共建筑能耗平均值。基于现有的新能源技术应用、高效能设备更新以及智慧化的用能模型搭建，从技术应用以及经济性角度论证了该类项目综合能源托管应用的可行性。

关键词：综合能源；新技术应用；能源托管；经济性

0.引言

自2020年“双碳”目标提出以及2021年“30/60碳达峰和碳中和”行动方案制定以来，从太阳能、风电、生物质能等能源供给侧结构调整以及能源使用侧虚拟电厂调度、储能优化利用、AI模型预测等新旧技术加速应用，都在彰显由“3060”政策带来的“碳市场”活跃，而2022年9月7日国家机关事务管理局、国家发展改革委、财政部联合印发的《关于鼓励和支持公共机构采用能源费用托管服务的意见》更是吹响了存量建筑体系综合能源系统提升和专业管理的号角，而单体和园区建筑的综合能源托管，更是我国存量建筑能源托管市场呈爆发式增长。

1工程概况

该医院位于南方某城市，建筑面积21万平方米，建设6座建筑，建筑功能主要为门诊、宿舍、辅助用房，总建筑面积21.5万㎡左右，建筑年代为2015~2019年。

该医院主要能源形式为燃气、电力资源、水资源，其中：电力资源占比较高，其电力资源为单一浮动电价，基准年电力单价为0.845元/kwh。

2. 系统设计

目前门诊楼以及办公区域中央空调系统采用水冷机组+冷塔集中供冷技术形式，该系统供能区域为1#主楼以及6#楼除手术室外区域，总供能面积在16万㎡左右。

2.1设备概况

该医院目前普通区域中央空调系统建设选用某品牌水冷型离心机，设备装机台数为3台，设备参数为：名义工况（7/12,32/37℃）：制冷量：3516kw，输入功率：583.1kw，性能系数6.03；

输配系统建设有4台冷冻循环泵以及冷却循环水泵，设备均为3用1备。冷冻水循环水泵参数：流量：550m³/h，功率：90kw，扬程：38m。冷却水循环水泵参数：流量：750m³/h，功率：90kw，扬程：28m。

冷却设备建设有3台横流式冷却塔，设备建设年限为2015年，每组冷却塔配备有4台风机，单台风机设备功率为11kw，每组塔设备总功率为44kw，每组设备冷却能力为5814kw，冷却水循环水量为1000m³/h，设计供回水温度为37/32℃，环境湿球温度28℃。

2.2运行现状

全年系统供冷时间为为3.15日~11.15日，正常区域日供冷时间为早8:00-晚22:00，住院部分为全天24小时供冷，实际运行状态为1台主机全天24小时供冷（根据情况运行主管会在18:00~22:00期间停供2小时，此时由管网冷量供冷），日间早8点开启第2台制冷主机，运行至下午5~8点时间段，单台主机制冷负荷降低50%时，由运行主管判断进行减机操作。

日间2台主机同时供冷期间负载率维持在50%~95%之间，系统全年供回水温度为10℃，供冷期间不做调节，实际供回水温差在3~4℃左右。

其中冷冻水循环系统建设有1套变频控制系统，系统实际运行情况为手动控制，水泵频率以工频49~50hz运行。冷却水循环系统未建设有变频控制系统，循环水泵以工频方式运行。目前水泵与主机联动开启状况为，1台主机对应2台水泵（冷冻水泵以及冷却水泵各2台），其中制冷主机开启2台时冷冻以及冷却水泵仍开启2台。

3空调系统能耗统计

3.1制冷主机部分能耗测算

由于缺乏持续的数据，本方案负荷测算采用运行记录上负载率统计数据进行测算：

4-11月日间8:00~18:00开启2台主机，平均负载率90%，日供冷时长为10h；

4-11月日间17:00~21:00开启1台主机，平均负载率65%，日供冷时长4h；

4-11月夜间00:00~07:00开启1台主机，平均负载率60%，日供冷时长为3h；

11-次年3月全天开启1台主机，平均负载率40%，日供冷时长为24h；

全年制冷主机部分的耗电量为372.25万kwh。计算结果如下：

表格 3‑1普通区域制冷主机日耗电量测算分析

分项名称	4~11月2台主机	4~11月1台主机	4~11月1台主机	11~3月1台主机
负载率（%）	0.9	0.65	0.6	0.4
日运行时长（h）	10	4	3	24
开启台数（台）	2	1	1	1
日耗电量（kwh）	10495.8	1516.06	1049.58	5597.76

表格 3‑2普通区域供冷季年耗电量测算分析

分项名称	4~11月小计	11~3月小计
日总耗电量（kwh）	13061.44	5597.76
年供冷天数（天）	225	140
供冷季主机耗电量（kwh）	2938824	783686.4
全年总耗电量（kwh）	3722510.4

3.2循环水泵及冷却塔能耗测算

按照实际运行记录：

冷冻水泵为48~49hz定频运行，对应运行功率为90*0.88=79.2kw，其中1台运行时长为17h（见主机部分时长计算），另外1台运行时长为10h，经统计分析开启1台工况冷冻水泵部分日耗电量为988kwh，开启2台工况冷冻水泵日耗电量为1039kw。

冷却水泵为50hz工频运行，对应运行功率为90kw，其中1台运行时长为17h（见主机部分时长计算），另外1台运行时长为10h，经统计分析开启1台工况冷却水泵部分日耗电量为1633kwh，开启2台工况冷却水泵日耗电量为2233kw。

冷却塔为50hz定频运行，对应运行功率为44kw，其中1台运行时长为17h（见主机部分时长计算），另外1台运行时长为10h，经统计分析开启1台主机工况2台冷却塔部分日耗电量为1721kwh，开启2台主机工况2台冷却塔日耗电量为1728kw。

4节能改造方案

4.1屋面分布式光伏建设

根据meteonorm7的太阳能辐射数据对该地区的太阳能资源进行分析，该地区太阳能资源属于丰富地区，适宜进行屋面分布式光伏系统建设。本工程采用“自发自用余电上网”模式，即光伏系统产生的电能部分被本地负荷消耗，其余部分的电能直接馈入电网。

组件部分选用高效单晶硅550Wp组件，组件效率为21.2％及以上。

安装地点位于1#主楼、2#楼、3#宿舍楼、6#楼屋顶上，为保证发电量和安全性，采用朝南5~10度角倾斜安装。根据初步设计预计可安装1929块550wp光伏板，总装机容量为1060.95kw。

4.2智慧化高效机房建设

控制系统实时采集中央空调系统各个运行参数和室外气象数据，当负荷变化时，自适应地调整空调系统运行参数，协调控制各空调设备运行状态，从而实现冷热源能量输出的优化控制。系统通过冷水机组群控策略，实现各个机组运行在高效区内，并根据机组运行时间轮换。

4.3新增高效磁悬浮主机

由制冷季空调运行记录资料得知：

原有冷水机组水冷机组运行时间较长，其中1台制冷主机接近于全天24小时供冷，现有离心主机原出厂设计性能系数为二级能效，将1台3516kw螺杆式冷水机组机升级为磁悬浮离心冷水机组，其余3台原有冷水机组作为尖峰备用，直至生命周期完成。

4.4冷却水泵及冷却塔变频控制改造

该医院现有冷却水泵流量为750m³/h，原始设计制冷主机与冷却水泵、冷却塔均为1对1运行，单台制冷主机满载制冷量为3516kw，设计供回水温差为5℃，实际需求冷却水流量为604.6m³/h。而冷却塔部分单台设计冷量为5814kw，均存在运行同需求偏离。增加冷却水泵以及冷却塔变频控制系统，通过调整冷却水泵以及冷却塔风机的运行频率以匹配对应的制冷主机需求参数。

5节能减排效益分析

5.1节能效益分析

5.1.1屋面分布式光伏部分节能效益分析

根据上述章节发电量测算，如果按照能源托管10年期进行计算，前10年平均发电量104.06万度；10年总发电量为1040.63万kwh，25年总发电量2504.67万度。

首年收益约为91.27万元，前10年年均收益为88.04万元，25年平均收益为84.76万元。

表格 5‑1发电量分析

年份	年发电量 (万 KWh/年)	电力资源单价（元/kwh）	年节能收益（万元）
第1年	107.89	0.845983	91.27
第2年	105.73	0.845983	89.45
….	….	….	….
….	….	….	….
第25年	94.22	0.845983	79.71

5.1.2磁悬浮主机部分节能量分析

根据厂家提供IPLV性能曲线分析，磁悬浮主机不同负载率下对应IPLV系数增长较大，部分负荷IPLV性能系数最高可以达到13及以上，本方案按照：

90%负载率下磁悬浮主机为7.65（额定7.04），离心机组为6.03（额定6.03）；

65%负载率下磁悬浮主机为9.8（额定7.04），离心机组为5.2（额定6.03）；

40%负载率下磁悬浮主机为10.03（额定7.04），离心机组为5.0（注：此种工况受限于主机最大功率影响，制冷量降低，若要达到同样制冷量，需增开机组，本工程暂按照最大功率运行计算）；

实际运行过程中，磁悬浮机组作为高效能机组，运行应本着最大效益化的目的，增加其使用时间，即全天优先运行磁悬浮主机，计算结果如下：改造前单台主机年耗电量为280.6万kwh，更换为磁悬浮制冷主机后，该机组年耗电量为180.637万kwh，设备节能率为35.63%，改造后年节能量约为91.39万kwh。

5.1.3高效机房部分节能量分析

(1)冷却水泵部分节能量以及效益分析

根据现有主机冷却侧满负载工况下需求流量，为604.6m³/h，冷却侧流量考虑1.15系数，频率可降低11.33%，功率降低30%，单系统可节约21.3万kwh。

(2)冷却水泵部分节能量以及效益分析

根据现有主机冷却侧满负载工况下需求散热量为3517kw，现有冷却塔部分散热量为5814kw，考虑风机性能曲线，风量可降低20%，功率降低48.8%，单系统可节约30.7万kwh。

5.1.4综合节能量分析以及节能效益分析

机房节能改造部分节能量为117.49万kwh，光伏部分年发电量为104.06万kwh，其中电力系统综合节能率为8%，年节能收益为187.4万余元。

表格 5‑2预估节能量以及节能收益分析

序号	分项名称	预估节能量（kwh）	节能收益（元）
1	磁悬浮制冷主机部分	913910.0189	773152.3395
2	冷却塔变频控制部分	76789.85	64962.90767
3	冷却水泵变频控制部分	184211.1681	155839.5166
4	机房节能改造部分	1174911.037	993954.7638
5	屋面分布式光伏部分	1040630.00	880355.29
6	合计	2215541.04	1874310.05
7	改造前基准耗电量（kwh）	28256880
8	系统节能率（%）	8%

5.2经济性分析

根据初步测算，整个项目改造总投资费用为940万余元，其中：

(1)高效制冷机房部分总投资为515万余元，包含1台3516kw磁悬浮制冷机组以及配套阀门管路改造、高效机房控制、冷却水泵以及冷却塔变频控制等；

(2)屋面分布式光伏部分初步定总装机容量为1060.9kw，总投资为424.5万余元。

项目静态投资回收期为5.02年。

表格 5‑3投资分析

序号	分项名称	价格（元）
1	机房节能改造部分	5152950
2	屋面分布式光伏部分	4248011.95
3	合计（元）	9400961.95
4	年节约费用（元）	1874310.05
5	静态投资回收期（年）	5.02

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6结论

通过对该医院进行新能源利用、设备替代、用能方式及策略模型化、智慧化改造后，对比改造前用能数据，改造后项目年均增加104万kwh以上的清洁电力输入，并在用能侧降低117.49万kwh的电力能源消耗。

项目建设完成后，无论是从社会效益、环境效益方面还是其项目经济性效益方面，该项目都有较为良好的可行性。

因此，该类别高能耗的单体、园区项目进行新能源引入、综合能源系统改造以及引入全新的“能源托管”合作模式是必要的，技术上以及合作模式上均是可进行实操和推广的。

参考文献：

【1】国务院.2030年前碳达峰行动方案.2021.全文

【2】国家机关事务管理局、国家发展改革委、财政部.于鼓励和支持公共机构采用能源费用托管服务的意见.2022.全文

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