舒勤 山东省建筑设计研究院 第四分院高级工程师
医院建筑由于其功能的复杂多样，对空调通风要求较高，使得其能耗远高于其它公共建筑。医院若想降低空调系统能耗，就必须综合利用各种手段。辽宁省肿瘤医院地处严寒地区，冬季空调室外计算温度为-20.7℃，室内温度为22℃，室内外温差将近43℃，这导致该院门急诊病房综合楼能耗较大。为降低能耗，该院不同功能用房使用了不同的空调系统。
辽宁省肿瘤医院位于辽宁省沈阳市，是三级甲等综合性医院。新建大楼为集门诊、医技、病房于一体的综合性大楼，建筑面积7.5万平方米。该大楼高度90.4米，地下2层，地上23层，地下二层为放射医技科室，地上裙楼部分为各科室门诊区及医疗街，主楼部分为各科室护理单元。
地下医技科室——多联热泵系统
综合楼地下二层为放射治疗及检查中心，包括8间直线加速器机房，数间CT机房，后装机房，核磁共振等。这些房间内部设备发热量大，在过渡季节甚至冬季仍需要运行空调进行降温。而且，设备工作时间相对独立，对温湿度的要求与其他医疗区域也不相同。
除了放射治疗和检查房间外，地下二层外围区域还有候诊区、医护人员办公室，这些区域的制冷及供暖需求基本随室外气候变化而变。考虑到这种需要同时制冷制热的功能特性，笔者将地下二层的空调进行合理分区，采用了带热回收的冷暖同步多联热泵式空调系统。
受到太阳、气候、室内发热源的各种影响，在同一时间，不同朝向、不同功能的房间可能在环境非常寒冷地方室内也会非常炎热。传统的多联机空调系统室外机根据第一台室内机开启时的运行模式决定制冷或制热，第一台室内机开启制热模式后，同一系统的其他内机则无法使用制冷功能，而同步冷暖多联机空调成功解决了室内机同时制冷制热的问题。
系统内制冷剂分配器的引入是实现双管式冷暖同步运转的关键。制冷剂分配器内集成了节流装置热交换过冷回路、截止阀和气液分离器，并通过内置的控制板与室内机和室外机进行通讯。通过收集室内机的容量需求信息，制冷剂分配器内的制冷元件相应地灵活控制调整，以确保适合状态的制冷剂流入每台室内机，达到用户需要的温度。
在综合性医院的大型放射科或检验科设置热回收型多联热泵式空调系统是十分有必要的。按照功能不同，合理的内外及房间分区可以节省该区域空调能耗30%以上，同时采用可以同时供冷与供暖的技术，可以实现同一季节不同房间甚至同一房间不同时段的冷热需求，从而解决过去传统的做法导致的冷热不均、不能按需分配冷热的问题。
新风系统——排风热回收
医院的新风量需求比普通公共建筑要大。国家有关规范对于医院新风有着明确的要求。例如：病房、诊室、放射室需要按照2次/小时的换气次数计算新风量。根据这个计算要求，一间标准病房的新风需求量约为180m³/h，而同面积的办公室按照人均30m³/h计算，新风量仅为90m³/h。可见，因为医院的特殊功能，新风量的需求比普通空间多出将近一倍；新风引入后要经处理到室内状态点，新风负荷除与新风量有关外，还与室内外温差有关。
在辽宁省肿瘤医院的案例中，由于上述原因，以及冬季室内外温差较大，导致该建筑的冬季新风负荷较大。后经过详细的负荷计算，得到的结果可以见到：新风负荷在整个建筑物的负荷中可以占到45%左右。因此，合理利用排风的余热，将其作为新风的预热,是相当必要的。
排风热回收原理
现在市面上较普遍的热回收新风机组大致可分为全热交换和显热交换两种，全热交换机组包括转轮式和板翅式，显热回收机组包括有板翅式、热管式、中间热媒式换热(例如乙二醇热交换机组)、热管式等；新风中显热和潜热能耗的比例构成是选择显热和全热交换器的关键因素。在类似沈阳这样的严寒地区，宜选用显热回收装置。同时考虑到医院存在通过空气交叉传染的可能性，所以在选择热回收机组的形式时采用显热板翅式热回收机组。
板翅式显热换热器采用了带涂层的金属铝箔作为传热导体，采用特殊工艺加工而成，当板的两侧的气流之间存在温度差时，两股气流之间将产生传热过程，从而进行热交换。在过渡季节，通过开启旁通阀,可将室外新风直接引入室内。板翅式换热器结构简单，运行安全可靠，无传动设备，不消耗动力，无温差损失，设备费用较低。
建筑采用排风热回收机组后的节能计算
本工程采用板翅式空调机组，通过回收排风的热量对新风进行预热。现以某层20000m³/ h的一台热回收机组在冬季运行的状况为例进行分析。
冬季室外设计参数：室外通风温度tw=-11℃，相对湿度φ=60%，焓值i=-8.93kj/kg；室内设计参数tn=22℃，相对湿度φ=50%，焓值i=43.36kj/kg；机组新风量20000m3/h，换算为质量为5.733kg/s。板翅式热回收器的效率为65％，则经热回收器后的送风温度可根据以下公式确定：
ts=tw-(tw-tn).η
其中，ts为送风温度，tw为新风温度，tn为回风温度，η为热回收效率。
求得：ts=10.45℃
新风负荷计算公式：
Qw=GwCp(tn-tw)
Gw——新风量
Cp——空气定压比热容
采用热回收的情况，新风负荷Qw=GwCp(tn-ts)=68.8kw；若不采用热回收的情况，新风负荷Q'w=GwCp(tn-tw)=188kw；则显热回收量为：△Qw=Q'w-Qw=120kw。
通过空气处理焓湿图可以看出，室外新风经过与排风的换热，从状态点W吸收显热量升温到W'，再与室内回风N混合到C'，经处理后达到送风状态点O，而后送入室内。若不经过热回收，则新风与回风的混合点将落在C点，所以由于对排风的合理热回收，使我们节省了△Qw=GC(tc'-tc)的热量。
节能情况分析
一台新风量20000m3/h的热回收机组，比同风量的常规机组增加的电机功率为3kw。而节约新风负荷120kw，节省电力（按COP=3.0计算）：减少装机容量40kw，按照平均电价为0.92元/kw·h，则每小时节省34元；按冬季每天4小时，共100天计算：共节省运行费用13600元；依以上算法计算，夏季（按每天4小时，共80天计算）可节省运行费用7856元，则全年可节省费用21456元；一台2000m3/h的板翅式热回收型空调机组较同种规格的常规空调机组增加投资约10000元。由此可见，排风的能量回收不仅可以节省能耗，在经济效益和社会效益上也是很可观的。
净化空调区域——变风量应用
权衡是否在医疗建筑中采用变风量空调系统时，应考虑是否满足以下两个条件：一是该区域有很长的无人期，二是空间显冷负荷的空气流量要求远大于最小通风空气量要求。
在典型的医疗科室，只有20%的房间每周有60个小时以上的使用期（例如急诊手术室，放射科等）。除这些房间外，其余的房间的使用时间很少超过这个时间，相关资料显示，病理科、手术室等区域无人时间较长，而这些区域又有着较大的通风换气次数的要求，因此在这些房间内采用变风量空调系统是可行的。
以手术室为例，传统的洁净手术部的通风方式为定风量方式，因为风量恒定是保证手术时洁净等级的关键。而手术室是个相对密闭的空间，其内部冷热负荷与外界环境的变化关系不是很大。因此，影响其负荷变化的主要原因是引入新风的能耗。而通常为了考虑节能，一般手术室的新风是按照最小新风量来设计的。但在使用过程中，系统长期运行后，进入的新风往往不能够满足要求，比如夏季会感到气闷，冬季会感到室内温度过高。而新风系统的定风量阀选择不当也会导致当新风量小于其最小调节下限时，风阀起不到任何作用。因此采用变新风量系统设计可以有效地解决手术室新风的问题。
在夏季工况下，由于室内负荷变化不大，通过适当加大新风量，对新风进行深度处理后，使新风承担手术室内的热湿负荷。然后与回风混合后送入室内，经过计算可知，此做法可以在系统上避免因除湿后再热而附加的能耗，因此也达到了节能的目的。
在过渡季节，冷热源均已关闭，应充分利用室外凉爽的新风。尤其是沈阳地区，过渡季节气候相对干燥，在这种情况下，不必对新风进行冷热处理，直接送入室内，就可以满足室内温湿度要求，节能效果更加明显。
在冬季需要加热加湿的情况下，采用最小新风量运行。可以减少能耗。因此，从全年新风运行能耗来讲，采用变新风量不但可以达到节能的目的，还能保证室内的空气新鲜度，品质更好。
门诊大厅——自然通风
建筑在四季的通风状态可分为三种：开窗通风、关窗、关窗加空调。过渡季节可以充分利用自然通风换气带走建筑余热余湿，在冬季和夏季的空调季节内关窗，并开启空调；另外还有一段时间是可以关闭窗户，利用建筑围护结构的热缓冲作用维持室内的热舒适性。这三种状态对通风量的要求是不一样的，开窗时是对通风量要求较大的时候，关窗时也有一定的换气次数要求，尤其是在空调季节也就是关窗时间，通风量的需求又与空调能耗产生了矛盾，在过渡季节和夏季空调季节，门诊大厅可利用自然通风降低空调能耗。
门诊区的中庭采用“诱导热压通风+缓冲腔体”。诱导热压通风是在设计中利用垂直腔体与温度分布，让建筑在特定开口之间产生适当热压差，以使通风流通更合理。热压通风的最终效果与高度差及温度差成正比。高大空间或者竖向腔体可以产生热风上行的烟囱效应，这是利用了高度差；加热出风口处的空气也可以加强通风效果，这是利用了温度差。在较大的建筑物中，因为风压不太稳定而不太被很好地利用。热压通风的利用方式比风压通风更加灵活可靠。根据该项目实测的中庭在热压作用下的风速图可以得出结论，在此处中庭采用诱导热压通风是可行的。
具体方法是：在门诊区的中庭上方设计电动可开启的天窗，同时在周围设置调速排风机数台，既可以兼顾火灾时的排烟，又可以做到诱导自然风的作用。在过渡季节，沈阳地区的室外风比较干燥凉爽，此时可以全部或者大部分关闭此区域空调系统及机械送排风系统，充分使用自然风。利用设置在中庭区域的若干个空气品质传感器及温湿度传感器，控制天窗的开启角度，当达不到相关要求时，开启屋面的一个或者多个通风机，通过热压和机械排风的共同作用加强中庭区域的自然通风，引入室外干燥凉爽的风对室内降温除湿。
空调水系统——节能自控系统
辽宁省肿瘤医院门急诊病房综合大楼动力中心设置在地下2层的机房内。夏季制冷由机房内变频离心机组提供冷源，对应冷却塔设置在裙楼的屋面，对应冷却泵及冷冻泵均在地下2层机房内。冬季供暖采用市政供热，设置一台整体式换热机组，内置的热水泵为变频调节。空调水系统为冷水机组定流量，末端变流量的一级泵系统。
动态变流量控制原理
当空调负荷发生变化时，通过采集一组参数值，经模糊运算，及时调节冷水机组、各水泵和冷却塔风机的运行工作参数，从而改变冷水机组的工作状态、冷冻(温)水和冷却水流量，改变冷却塔风机的风量，确保冷水机组始终工作在效率最佳状态，使供回水温度始终处于设定值，从而使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况。
具体方法是：当末端空调负荷减少时，反映到冷水机组上将出现冷却水出水温度降低的现象，温度传感器检测出这种变化趋势后，控制系统将自动降低冷却水泵的工作频率，降低冷却水进水流量，提高冷却水出水温度，并使进、出水温差控制在最佳设定值上，维持冷水机组的高效率运行。同时冷却塔风机接收到信号后会降低转速或者关掉其中一台或多台风机。当冷水机组采用变频式冷水机组时，也可以将相应控制参数并入到该控制系统，接收到相应信号后，自动改变压缩机的转速，从而达到节能的目的。
控制效果
动态变流量节能控制系统由于建立了优化模糊控制模型，对于中央空调系统可能出现的问题都给出了充分的估计，因此，在计算中存储的总决策表能提供最佳的控制方案，系统稳定性好，极少出现振荡现象，系统很快就能达到稳态。采用准确调节流量的方法去实现节能，水泵以及冷却塔等平均节能达40％～60％。由于采取了特殊措施保障中央空调主机的高转换效率，机组COP值始终处于最佳值，对于制冷主机可节电10％～30％。预计本工程每年节约中央空调总运行费用达40～60万元。
空调水系统采用动态变流量控制系统，能对机组、泵组、冷却塔实现全面综合控制，使其在第一时间内随末端用户侧的变化而做出合理的启停及变速调节。由于自控功能较全面，从而有可能实现无人值守管理和联网管理等，节省了人力、物力。
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