关于医院的能耗研究评测

“关于意大利布罗佐医院在降低能源需求以及优化能源管理方面的一套强大且灵活系统的提案”是一个研究项目，该研究项目由撒丁岛大区资助（大区法律 2007 年 8 月 7 日第 7 号），由 DIMCM 与布罗佐医院（AOB）合作推进。在该项目的框架内对医院大楼进行能耗评测活动，以了解其真实的能耗情况，以及确定和量化一些节能项目在成本-收益方面的情况。本文中介绍了所获得的诸项结果，为后续的工作提供了一些研究细节。
医院大楼
布罗佐医院（AOB）由发现头孢菌素的撒丁岛杰出科学家朱塞佩·布罗佐（Giuseppe Brotzu）教授（1885–1976）建立，它是撒丁岛最重要的一家医院。该大楼中有1900名职工，约600个床位，每年接待30,000名住院病人和约150,000名门诊病人。该楼坐落于卡利亚里市的一个非常安静的区域，附近还有其它一些重要医疗机构，提供专科门诊，成为撒丁大区首府以及整个撒丁岛的一个医疗中心。中心楼体（图1）建成于1982年，名叫“圣米凯莱医院”，是一座13层高的整体式大楼，其中共有20个部门和以下科室：外科；诊断和治疗特科；急救科；影像诊断科；内科；心脏-胸腰椎-血管疾病科；肾病科。AOB 还包括3个分离的楼体，分别是一个门诊中心、一个会议厅和输血中心。
管线系统情况
这座医院大楼运转所需的电能来自电网，而供热和供冷由热力站和制冷站提供（图2中的简化示意图），热力站有3台锅炉用于生产热水，每台有效功率为2.9MW（图 3），使用 BTZ 稠油（低硫含量）作为燃料，这是由于撒丁岛没有天然气（这些锅炉铭牌上的参数列在表1中）。热力站生产的流体介质被输送到8台板式热交换器，再由该热交换器连接到各个2管和4管的空气处理机终端机、发热体（风机盘管和散热片）输送回路和4台蓄热式交换器，这些蓄热式交换器用于生产整个医院的生活热水。
表1 – 医院大楼的锅炉参数
制冷站由4组压缩式制冷机组（表2）组成，能够生产的最大制冷功率为约5MW。它能够为空气处理机和风机盘管提供热流体介质，在夏季为医院各部门提供制冷。
表2 – 制冷机组参数
能源审计
从不同数据来源（表3）得到的能耗数据能够显示每年、每月、每天、每小时的曲线。每年和每月负载曲线对于为大楼内输送的能源流来说很关键，而每小时负载对于后续工作中给各节能方案分析工作设置计算模型来说是非常重要的。
表3 – 所获得的能耗数据类型及来源
以前，AOB 的一次能源年消耗量约为20,100MWh，相当于约1,730吨石油当量/年，其中57%（11,400MWh）是电能的形式，而其余43%（8,700MWh）构成的一次能源，相当于供应给热力站锅炉的燃料。
这些能源的每年购买成本可达约2,800,000€（该数据取自2009-2010），其中电能是通过以 MT 为单位的购买合同购买自电网，占2/3，约等于1,900,000€ 。
历史能耗数据重构非常重要，因为拥有一系列的历史能耗能够验证目前能耗数据并理解现在检测到的所处的情况是否具有一定的稳定性。反之，对这些载荷特征以往发展情况的研究对于预估未来运行条件以及确定这些提议项目的各种情况是否仍然有效，是很有必要的。
参照2004-2011，AOB 的年平均热能消耗（图4）稳定在8,700MHw左右，其实际表现出来的增长趋势是零。由于通货膨胀和石油市场相关能源价格的原因，燃料成本有所提高^[2]，这使每年的热能成本提高约7-8%（图5）。电能消耗每年约增加 5%。2012年上半年的初步数据证实了2003-2010期间检测到的增长趋势（图6）。考虑到电力消耗和价格综合每年提高约7%^[3]，就可以得出成本年增加几乎13%。这个增长率在7年中使得电力消耗成本翻一番，2003 年约700,000€，而2010年已超过1,600,000€。（图7）
为该医院大楼提供热能所消耗的燃料（图8）在1月-2月达到最大，这是冬季。最小值出现在6月和7月之间，这时大楼中唯一的热载荷是生活热水和空气处理机后加热所需的热能。卡利亚里的地中海式热带气候具有特别温和的春季和秋季，这决定了4月、5月、8月和11月的能耗相对较低。11月和4月之间的电能消耗稳定在约800MWh/月。在5月到8月炎热的夏季，由于各房间的制冷，电能消耗逐渐增加，在7月和8月达到最大。
各房间的空调（供暖和制冷）以及生活热水的生产显著地增加了总能源成本。这些即占给大楼输入的能源的55%，约11,000MWh，占总能源成本的46%，约1,300,000€。这些数值仅仅反映了生产冷、热流体介质所需要的能量，所以不包括泵、换气风机、空气处理机的电机等的耗电量。因此，对于上述分析的这个案例来说，在制定优化和节能计划阶段更详细地认识热力消耗是非常重要的。
除去损失之后每年热损失总计约12,200 MWh。各房间的供暖占46%（5,554MWh），制冷占38%（4,629MWh），生活热水的生产消耗约17%（2,015MWh）。这些消耗的按月分布对于能耗分析尤其重要（图9，表4）。对节能方案分析的一些考虑和建议就是由此而来。其中一个例子就是生活热水生产的热负荷在整年中保持恒定。对于这项消耗来说当然必须考虑使用太阳能热收集器。
能耗评价指标
针对能耗评测的目的，可以分析被评测的大楼的能耗是否是最佳的，以及得到的消耗是否符合同类建筑的消耗。这是一座医院大楼，要确定该医院大楼的能耗参数比确定居民居住型建筑^{[4] [5]}所使用的能耗参数要复杂得多。
这个问题的一个方案是利用一些能够评测消耗的工具软件，输入现行标准所建议规定大楼使用的具体条件。对于医院大楼来说，热力消耗（供热和制冷）的评测可以通过模拟建筑-管线系统的运行来实现，其中要输入 D.P.R. 14/01/97^[6]所规定的运行参数（温度、相对湿度、通风）。
通过动态建模工具，检查在能耗评测过程中检测到的消耗是否符合应得到的消耗，其中假设采用现行标准（DPR 14/01/97）所建议的湿热条件；
为了优化能耗，使用为测试项目方案而建立的这套虚拟模型，而不必实际干预正在医院大楼中运行着的管线系统。
节能的实施项目
在审计结果的分析阶段之后，需要安排所要采取的策略和活动，进行能耗管理优化以达到能源的节省。这些活动可以概括为以下三类：1、能源供应的多元化。2、储能替换系统的使用。3、能效的提高。
能源供应的多元化
第一阶段是利用竞争机制在市场上找到各种价格最低的能源（燃料和电）。这是具有最低投资成本和最快的实施时间，且不产生浪费和系统的低效的最简单的方法。在中长期上来看，由于能源原材料成本的上涨，这项工作将收效甚微。由于目前资产负债表的情况紧张，在短期内应该改把它看做是资助该项目的后续两个阶段所需要的经济资源的一部分。在本文涉及的这项研究项目中，由于本地能源市场的限制，比如没有天然气输送网络，即便是在分析使用液态天然气的可能性时，该阶段也缺乏介入性实施的可能性。
储能替换系统的使用
第二阶段是关于在有效地输入大楼的一次能源（动力、生活热水、热/冷流体介质、压缩空气等）转化中效率最佳技术的研究（燃料和电力）。同时需要安装一些专门的系统，以便使用可再生能源的“免费”一次能源。该阶段的介入实施时间通常为中短期，一般为几年。但是其建造成本偏高，对于本文所谈的这座大楼来说需要几百万欧元。在这个阶段各个系统中的很多低效因素都要被消除掉，但是若不直接干预最终能耗，就无法获得对公众和患者服务的提高。关于将该阶段落实到 AOB，在这个阶段关于安装热电联产、三联产、太阳热能和光伏设备的技术-经济-环境可行性的那些初步研究正在趋于完成。这些分析都是基于热力和电力使用终端的小时负荷曲线，其中对于所采用的每一种设备类型的不同配置都要从多能源（即同时使用四套方案系统）和多情形（根据燃料供应的不同经济情况）分析的角度建模。最终对哪些是最好的可实施配置进行研究，并将特征参数进行优化以最大化地提高投资的经济回报、其环境可持续性（温室气体排放）和社会的可持续性（一次能源消耗）。
能效的提高
最后阶段最复杂，但是对于达到提案目标具有显著作用。通过这一阶段可以直接干预能源的最终使用，消除那些对最终账单影响很大的浪费和低效因素，同时提高所提供的服务质量。这个阶段实施中的复杂之处在于为了改善能效，需要详细、准确地了解大楼中的能源系统特征，特别是其使用方式。为了详细地了解 AOB 中的使用终端及其有效使用，在本项目的范围内，特别安排了一系列活动，以改善对能耗的认识。因此，基于 AOB 的各管线设备和能源监测控制系统的条件，采取了以下几项工作：

• 修改子热力站中已有的热能（供暖和生活热水）监测系统，其运行曾多次出现问题。
• 安装了一套4组制冷机的制冷生产和相关耗电量的测量系统。
• 提议采用单独一个软件界面，用于远程集中管理大楼中的所有监测系统。
• 在 AOB 8楼的医疗1部安装一套热能消耗监测系统。这里几个样板间中已经安装了一些传感器，用于获取并记录相对湿度和温度数据。

结论
通过 AOB 的能耗评测可以确定往该楼输入的一次能源的量（燃料和电力）以及它们是如何被使用在所需要的各种服务中的。另外，能耗历史数据分析还能用于估计在未来几年中的预期增长趋势，这不可避免的会影响 AOB 的经济管理。还测量到热能消耗（空调和生活热水的生产）在总能源消耗中占有相当大的份额。这个情况使得注意力转移到对提高大楼-管线设备系统能效的方案研究上。能够通过动态模拟工具进一步深化对审计结果的研究，该工具能够确定出各系统正常运行所需的最小能耗，并确定非正常能源管理所引起的显著失衡。