醫院蒸汽鍋爐節能改造案例分析

張穎慧，黃 婷（上?，F代建筑規劃設計研究院有限公司，上海 200040）

0 引 言

2014年7月1日起實施的GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》規定了鍋爐煙氣中煙塵、二氧化硫和氮氧化物的最高允許排放濃度和煙氣黑度的排放限值。但迄今為止，很多醫院采用的燃油、燃氣鍋爐已使用年限長達15年以上，為達到排放限值而被迫增加運行及維護成本。

隨著我國醫療技術的快速發展，醫院改造及擴建項目日益增加。在我國提倡節能減排的前提下，燃油、燃氣鍋爐的局限性也逐漸展現在人們面前。燃油、燃氣鍋爐在步入設備壽命的后半期時，鍋爐老化、熱效率降低、運行費用明顯增加、維保成本也逐年升高，同時運行存在較大的安全隱患。因此，通過改造熱水機房、鍋爐房的能源設備及熱水系統，做到節能減排，對醫院的循環經濟起著舉足輕重的作用。如何改造，既安全、節能，又經濟、環保，尤為重要。本文通過分析實際工程的使用現狀，對改造方案進行綜合闡述，提供一些改造的路徑和思路。

1 鍋爐設備使用現狀

某醫院門急診醫技綜合樓(南樓和北樓)的空調供暖及生活熱水熱源采用2臺燃氣蒸汽鍋爐及1臺燃油蒸汽鍋爐。蒸汽鍋爐使用板式汽水熱交換器實現熱交換，為南樓和北樓部分提供冬季的空調供暖，并在每年4月至11月補充醫院部分生活熱水需求?？照{供暖部分采用蒸汽管網輸送，管網壓力0.3 MPa。具體設備，如表1所示。整個醫院全年用電量2 306萬kW·h，鍋爐天然氣用量701 629 m3。

表1 某醫院鍋爐設備表

2 當前存在的主要問題

現有空調供暖及生活熱水采用的熱源為燃氣、燃油蒸汽鍋爐。蒸汽鍋爐為特種設備，其工作原理較為復雜，系統中儲存著大量的熱能，鍋爐外殼不僅要承受高溫、高壓，還要承受冷凝水的侵蝕。鍋爐老化，熱效率降低，運行、維保成本升高，同時運行存在較大的安全隱患。

醫院現有蒸汽管道敷設在5號樓21病區的走廊下。根據壓力管道設計基本要求，壓力管道不應敷設在有人員活動的場所下，故此蒸汽管道也存在較大的安全隱患。

當前供鍋爐的燃氣管道因房屋沉降，沉降量已達7 cm，若沉降量達到安全警戒線10 cm，燃氣公司為避免燃氣泄漏引起中毒及爆炸事故，將切斷氣源，造成整個醫院無氣可供，將影響醫院的供暖及生活熱水供應。

燃氣鍋爐房天然氣泄漏除了員工違章操作引起和外力引起外，還有很多原因，如燃氣管線的泄漏、鍋爐本體的泄漏、燃燒器泄漏等。而燃油的運輸、儲存的危險性高，同樣易出現事故，嚴重時還會造成人員傷亡。

另外，鍋爐運行對工作人員的技能要求較高，必須由培訓合格并取得特種設備作業人員證的持證人員操作，使用中必須嚴格遵守操作規程和“八項制度”“六項記錄”。因此，醫院的人工成本也相應增加。

3 空調供暖及生活熱水系統改造

3.1 改造的思路與目標

將存在安全隱患的蒸汽鍋爐廢除，徹底消除不安全因素，并且用節能產品取代蒸汽鍋爐，減少有害氣體排放，做到既環保又經濟，在承擔社會責任的同時，取得一定的經濟效益。

3.2 替換設備方案比選

常用的替代燃氣、燃油蒸汽鍋爐設備為風冷熱泵、空氣源熱泵。風冷熱泵、空氣源熱泵及燃氣蒸汽鍋爐3種設備在制熱性能、相對運行費用、內部結構、系統安裝等方面的對比，如表2所示。

表2 能源設備綜合對比分析表

與其他2種設備相比，燃氣蒸汽鍋爐因相對運行費用較高、占用建筑面積、需接入燃氣且有安全隱患、會產生高溫煙氣污染大氣等缺點，應被取而代之。

風冷熱泵與空氣源熱泵雖然均具備供熱功能，但卻是不同的產品。對于一套蒸汽壓縮式機組而言，由于制冷、制熱的工況功能完全不一樣，在這套機組設計的時候，必須有一個標準的工況和功能，在這個標準下，再兼顧到其他工況和功能的應用。要么是制冷工況，要么是制熱工況，功能的差異必然導致設計理念的差異。對于風冷熱泵而言，系統所有的元器件都是以滿足制冷性能為先，再兼顧制熱性能；而對于空氣源熱泵機組來說，系統所有的元器件都是先滿足制熱性能，再兼顧制冷性能。因此，從設備本身的設計原理來說，用于制熱時，空氣源熱泵比風冷熱泵更具優勢。

3.3 空調供暖及生活熱水系統改造方案

3.3.1 空調供暖能源機組改造

現大樓空調熱源全部由蒸汽鍋爐提供，為減少蒸汽的消耗及輸送管道的消耗，現改造選用制熱量為120 kW的54臺空氣源熱泵熱水機組，進行空調冬季熱水的制取。根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，總建筑面積51 704 m2，單位面積熱負荷65 W/m2，所需總熱負荷為3 360.8 kW。選擇54臺空氣源熱泵機組KFXRS-120II替代原鍋爐系統，為醫院門急診醫技綜合樓提供冬季供暖。機組額定工況下制熱量6 480 kW，－2.2 ℃室外環境溫度工況下機組制熱量5 184 kW，－7 ℃室外環境溫度工況下機組制熱量3 560 kW，完全能夠滿足現有醫院門急診醫技綜合樓在冬季極端氣溫條件下的采暖需求。

采暖系統改造原理，如圖1所示?？照{空氣源熱泵機組屋頂平面布置，如圖2所示。

圖1 采暖改造系統原理圖

圖2 空調空氣源熱泵機組屋頂平面布置圖

3.3.2 生活熱水能源機組改造

醫院目前的床位數1 234張，員工人數1 851人，按此配置來計算生活熱水用量，每天需要278 t熱水（55 ℃）。在冷水溫度5 ℃時，日耗熱量為16 216.7 kW·h。選用12臺額定制熱量為120 kW的空氣源熱泵熱水機組，在5 ℃最冷工況下機組的制熱量為23 040 kW·h，在－7 ℃氣溫下機組的制熱量17 280 kW·h，完全能夠滿足病人及醫務人員在冬季極端氣溫條件下的熱水需求。

生活熱水系統改造原理，如圖3所示。生活熱水空氣源熱泵機組屋面平面布置，如圖4所示。

圖3 生活熱水系統改造原理圖

圖4 生活熱水空氣源熱泵機組屋面平面布置圖

3.3.3 空氣源熱泵熱水機組震動及噪聲控制

由于醫院使用熱水的高峰期集中在晚上，空氣源熱泵機組放置于室外屋頂，如果有較大的震動及噪聲會通過空氣傳遞至周圍建筑和房間內，給病人及工作人員的休息和睡眠帶來嚴重的困擾。因此，如何做好對空氣源熱泵設備的減震及降噪措施至關重要。

（1）運行震動的控制措施。在鋼結構平臺與混凝土柱子之間設置橡膠減震器，同時在設備基礎下再設置減震裝置（如圖5所示）。2道減震措施降低混凝土材料的固有頻率，消除混凝土的固體傳聲。

圖5 鋼結構平臺減震措施安裝

（2）噪聲的控制措施。1號樓屋面設置的空氣源熱泵熱水機組因離周邊建筑距離較遠，且高于附近居民建筑，按噪聲向上傳播的原理，對周邊建筑無影響；3號樓裙房屋面設置的空氣源熱泵熱水機組，雖然只有12臺機組，噪聲不大，但因上面有病房，屆時將設置隔音板，將噪聲降至最低限度，減少對病房的影響。

4 經濟效益與環保效益分析

4.1 用電量計算

醫院目前可用的配電系統主要有位于1號樓的2號變壓器（主要提供冷凍機房制冷，單臺總容 2 000 kV·A）及位于3號樓的5號和6號變壓器（主要用于3號樓的新晃風冷熱泵＋5號樓屋頂的雙效風冷熱泵＋3號樓照明及醫療設備等）。

所采用的空氣源熱水機組，其每臺額定消耗功率為28.8 kW，采暖部分采用54臺，熱水部分采用12臺，共計66臺，總輸入功率為1 900.8 kW。

目前醫院剩余電容量約為1 500 kW，但用于制冷的3臺1 758 kW的特靈機組，冬季冷水機組不運行，處于關閉狀態，可借其用電量。冬天空氣源熱泵熱水機組采暖，夏天特靈機組制冷，完全滿足使用要求。主要利用位于1號樓的2號變壓器配電容量，少部分可利用3號樓的5號變壓器的配電容量。具體分配，如表3所示。

表3 配電分配表

選擇空氣源熱泵熱水機組代替鍋爐制熱，現有的用電量滿足要求，無須新增電量。

4.2 天然氣、柴油、空氣能熱水器成本計算

（1）天然氣熱水器成本。天然氣的熱轉換率為70%，每立方天然氣的最大熱量Q＝35 615×70%＝24 930 kJ，則每噸熱水的耗天然氣量為：167 600÷24 930＝6.72 m3。天然氣的價格為4.4元/m3（各地價格略有差異），則每噸熱水費用為：6.72×4.4＝29.57元。

（2）柴油熱水器成本。柴油的熱轉換率為70%，每千克柴油產生的最大熱量Q＝42 738 ×70%＝29 917 kJ，則每噸熱水所耗的柴油量為：167 600 ÷29 917＝5.6 kg。0號柴油為8元/kg（各地價格略有差異），則每噸熱水費用為：5.6×8＝44.8元。

（3）空氣能熱水器成本?？諝饽軣崴魅昶骄鶡嵝适请姛崴鞯?倍，每千瓦時電產生的熱量Q＝3 603×95%×3＝10 268 kJ，則每噸熱水的耗電量為：167 600÷10 268＝16.32 kW·h。根據商業用電（峰時段與谷時段)平均電價為0.558元/kW·h，則每噸熱水費用為：16.32×0.558＝9.11元。

對比分析可知：理論上空氣源熱泵熱水機組的經常費是天然氣的1/3，是柴油的1/5。

4.3 經濟效益分析

（1）直接經濟效益。原鍋爐2 0 1 5 年全年耗氣量701 629 m3，總費用308萬元；改造后超低溫空氣源熱泵全年耗電量184萬kW·h，總費用160萬元，節約能源費用148萬元。超低溫空氣源熱泵系統智能化管理，可節省8個人力成本，節省費用120萬元。原鍋爐系統的維護費用每年120萬元，可完全節省。節約費用表，如表4所示。設備生命周期內（按15年計算），醫院可節約費用累計將達到5 820萬元。醫院鍋爐供熱系統節約費用率達到了48%，投資回收期約3.0～3.3a。

表4 空氣源設備機組節約費用統計表

（2）間接經濟效益。原鍋爐房面積約420 m2，層高約8 m，有條件增加鋼結構隔建成2層約800 m2室內空間，重新開發利用。

4.4 環保效益分析

空氣源熱泵機組創造約300 t標準煤/a的節能量，降低碳排放757 t/a，減少氮氧化物減排量2.19 t/a，減少二氧化硫排放量2.53 t/a。

5 結 語

在醫院蒸汽鍋爐節能改造中，用空氣源熱泵熱水機組代替原有蒸汽鍋爐，無安全風險，模塊式機組根據不同季節、不同負荷，自動調整熱泵熱水機組運行的臺數，智能調節，節能環保；用電與天然氣的綜合能耗比為1∶3.4，能大大降低日常運行費用，且引入智能管理平臺，可實現無人管理，大大提高設備利用率，年產生直接經濟效益可觀，投資回收期短。這樣的改造方案既徹底排除了安全隱患，又能取得經濟、環保、節能、社會等綜合效益。