青岛西海岸医疗中心综合楼暖通空调设计
关键词：绿色医院 暖通空调 节能可持续发展
Qingdao West Coast Medical Center complex building Heating,Ventilating and Air Conditioning design
Wang Xinrong
(Senior Engineer,The 5th Branch of Shandong Provincial Architectural Design & Research Institute - Green Hospital Design & Research Institute, Jinan Shandong ,250001)
Abstract:Heat and cold source solutions for air-conditioning system of Qingdao West Coast Medical Center complex building is analysed according to aspects of energy conditions, system application conditions and so on. Introduce air-conditioning water system , new air system and ventilation heat recycling system . Introductions of issues like energy saving, energy using, water saving and indoor environment,combined with design requirement of green hospital. Discuss and introduce solutions in this project of air conditioning cold water and cooling water pipe laying in large hospital buildings.
Keywords : Green hospital, HVAC ,Energy saving sustainable development
0 前言
绿色建筑的概念是在争取人与自然环境协调可持续发展的基础上演化而来的，所谓的绿色建筑一般是指环境友好、注重生态、可持续的建筑类型。
绿色医院的概念在最近几年才开始在我国流行开来的。国内学者在97年就医院的发展方向提出了“绿色医院”的说法，但那主要是就医院建成之后与人的关系上进行的讨论，没有涉及到医院建筑在其整个寿命周期（规划、设计、建造、运行、维护和拆解）内对环境的影响。随着人们对绿色建筑认识水平的不断加深，对绿色医院也有了更加立体更加深刻的认识。
绿色医院建筑为在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为患者和医务人员等提供健康、适用、安全和高效的使用空间，与自然和谐共生的医院建筑。
一个设计合理的绿色医院，应具有以下三个基本特征：
保护医院接触人员的健康
保护周围社区的健康
保护全球环境和自然资源
1 工程概况
青岛西海岸医疗中心是一所全新建设的集医疗、教学、科研、预防保健于一体的三级甲等综合医院。医院主要功能为门诊、医技、病房和中心供应室等配套服务设施。青岛西海岸医疗中心位于齐长城路以南，五台山路以北，奋进路以西，三面环路，交通便捷。规划总用地13.43公顷，规划总建筑面积36.98万㎡。基底占地面积20594㎡，总建筑面积195033㎡，其中地上建筑面积153730㎡，负一层（东、西两侧室内地坪高于室外地坪）38134㎡，负二层（地下室）3168㎡。共设病床1440张，手术室20间，负一层车库单层停车时有412个车位。地上主楼24层，裙房5层；地下主楼部分2层，裙房部分1层。地上总面阔144米，总进深184.8米，建筑高度99.50米。
2 空调冷热源设计
2.1根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）中的规定，对每一空调房间或空调区域进行热负荷和逐项逐时的冷负荷计算，作为选择末端设备、确定管道直径、选择冷热源设备容量的基本依据。
绿色医院冷热源的设计应符合国家和地方公共建筑节能标准的要求，并要满足能源性、系统性、节能和安全可靠的要求。
国家《节约能源法》及《公共建筑节能设计标准》中明确规定，建筑物热源优先采用集中供热系统，在无集中供热或工厂余热的情况，可根据所在地区的条件、能源结构、环保规定等，通过比较合理地采用其他冷热源。国标GB50019-2003中6.3.10指出经技术比较合理时，中小型空调系统可采用变制冷剂流量分体空调系统，即变频多联机系统。
2.2对于现代化大型医疗建筑，采用何种空调形式来满足各医疗单元的使用要求，其实不一定非要采取一种空调形式，具有多种能源的地区，可采用几种能源合理搭配作为空调冷热源。对于医院中的手术室、ICU、医技科室等以及要求提前供热的门诊科室等，以采用风冷热泵系统、变频多联机系统为宜；而对于普通门诊科室、病房、办公等以舒适性空调为主的建筑则以采用水系统空调为宜。因此本工程空调系统采用：冷水机组+换热站（病房楼、门诊等）＋变频多联机系统（医技检查科室）＋风冷热泵净化空调系统（手术室、ICU、中心供应室）的多元化的能源结构、多形式的空调系统，来满足不同使用单元的要求。这样的空调系统可以充分发挥各自系统的技术优势，扬长避短，提高能源的一次能效，在技术上可行、方案上更为合理。
依据西海岸医疗中心市政能源条件，确定夏季采用离心式冷水机组作为空调冷源，冬季采用市政高压蒸汽作为空调热源。
2.3集中冷源
本工程夏季冷源选用5台离心式冷水机组，设置于负1层制冷机房内。冷水机组的额定制冷量3164kw/台，供回水温度为7/12℃，循环水量为543.6m3/h；冷水机组采用循环冷却水，设计选用5台角型横流超低噪音冷却塔置于裙房屋面，冷却水供回水温度为32/37℃。
2.4集中热源
本工程空调热媒为来自负1层换热站提供的低温热水，由4台单台换热面积为15.2㎡的双螺纹湍流型汽—水换热器提供，供回水温度为60℃/50℃。换热站一次热媒为0.6MPa的饱和蒸汽，由室外市政热网提供。
2.5净化空调冷热源：
手术部、ICU、中心供应室净化空调冷热源，夏、冬空调季节可使用集中冷热源；过渡季节，采用风冷热泵冷热水机组供冷供热。净化空调用风冷热泵冷热水机组设于裙房屋面。
3 全变频机房系统
青岛西海岸医疗中心夏季空调系统，设计采用了全变频机房系统，即变频离心式冷水机组+二次泵水系统+冷却塔变频风机。
3.1离心式冷水机组配置变频调速装置，即VSD(VariableSpeedDrive)采用独特的控制逻辑，同步调节导流叶片开关度和电机转速，通过变频驱动运行，机组节能效果显著。适用于医院住院大楼等24小时运行、且昼夜冷负荷有明显差异的场所，其主要特点如下：
3.1.1节能显著 。使用变频器后，离心式冷水机组主要从两个方面实现节能：一是部分负荷运行状态下的节能，二是低冷却水温度下的节能。与恒速离心机组相比，同样冷量的机组，使用变频驱动，年运行费用节省30%左右。
3.1.2优化冷冻机组启动性能，延长设备寿命 。恒速离心机通常配置星三角启动器，启动电流可能高达满负荷电流(FLA)的500%，而变频离心机的启动电流绝不会超过机组满负荷电流(FLA)的100%，这减少了设备的电流冲击，降低电器设备投资，且延长设备寿命。
3.1.3运行更安静 。离心式冷水机组的大部分噪声是由制冷剂高速排气造成的。变频调速离心式冷水机组，根据机组的性能和噪声控制要求，通过低负荷下降压缩机转速，从而降低了制冷剂气体的速度。VSD使机组的运行更宁静。VSD能大大降低机组在非设计工况下运行的噪声。同样由于速度的降低，延长了机组部件的寿命。
3.1.4防止喘振、提高机组可靠性 。 “喘振”是离心机组发生故障的罪魁祸首。配置了VSD后，变频离心机组可通过变速和导流叶片协同调节容量。机组能测定现在的工作点，选择相应的容量调节模式，并能精确地预测喘振区，从而可以在100%~10%负荷范围内避免“喘振”现象的发生。
3.2循环泵设置
夏季空调冷水采用二次泵系统，选用5台一次冷水循环泵，采取与冷水机组一一对应的抽吸式连接方式；按建筑使用单元，空调水系统划分为病房楼供水环路及门诊楼供水环路，分别采用3台及2台二次供水变频调速循环泵。
冬季空调热水采用一次泵系统，选用5台（4用1备）变频调速型热水循环泵，采取与换热器一一对应的抽吸入式连接方式。
夏季空调冷却水系统选用5台冷却水循环泵，采取与冷水机组一一对应的压出式连接方式。
3.3冷却塔风机采用变频控制技术：冷却塔风机变频驱动：可编程控制器根据回水温度信号控制变频器驱动风机，使风机工作在最经济状态而节约大量电能。
3.4全变频机房配置示意图如下：
4 空调水系统
4.1空调水系统采用冬、夏季共用一套管道的两管制二次泵系统，竖向不分区。季节改变时，通过转换控制环节自动切换运行工况。
4.2按建筑使用功能，空调水系统划分为：病房楼供水环路及门诊供水环路，各供水环路相对独立，以方便运行调节。
4.2.1A栋、B栋病房楼分别为独立环路，实现空调季节24小时空调。
4.2.2由于本工程的裙房部分面积较大、南北距离较远，裙房的门诊、医技部分空调水系统采用干管同程式环网供水方式。各医疗单元空调系统分别接入干管管网，同时分系统设控制阀门，可以实现不同的医疗单元提前和延长空调时间或不同时段使用要求，办公及普通门诊夜间可关闭其空调环路，节约运行费用。
采用干管同程式环网输水系统既方便独立控制，又方便运行调节，同时有利于解决不同空调环路之间水力平衡问题。
4.3空调冷冻水、冷却水干管敷设
医院内给水、空调、蒸汽等管道线路，种类繁多且线路较长，设计时要统筹规划，并配合其他专业做好管线综合设计。本工程门诊楼环路的空调主干管环路长400米，且管径较大，经方案比较，采用了地沟集中敷设、分区给水的方式。采用地沟敷设方式，既可以减少吊顶内管道占用的空间、提高了吊顶高度，同时减少了管道荷载，优化结构设计。
对于大型医院建筑，设备专业管道的敷设方式是一个需要各专业配合、协调的问题，也是一个设计难点。应结合工程的具体情况，分析比较确定管道敷设形式。同时应和结构专业密切配合，充分考虑设备专业管道荷载对结构专业的影响。
本工程负一层设冷却水系统干管敷设综合管沟长度87m，管沟截面尺寸2000(B)x2100(H)；空调冷热水系统干管敷设综合管沟长度295m，管沟截面尺寸1800(B)x1500(H)。
采用地沟集中敷设的空调冷热水系统干管同程式环网输水系统方式，可以使得空调干管环路最短，减少了投资，又可以节约能源，还便于日常的维修与管理、节约建筑空间。
5 新风系统及其节能设计
新风系统采用按医疗及护理单元分层、分区的供给方式，有利于分层、分区运行管理。每一个新风系统尽量不跨越不同医疗科室或护理单元，以避免或减少交叉感染的机会。
5.1普通门诊、医护办公用房、医技用房采用新风换气机系统，同时设送风、排风管道，各房间设送风口、排风口，满足新风及排风要求。
新风机组采用额定热回收效率不低于60%的显热旁通型新风换气机，分层设置在专用的机房内。显热旁通型新风换气机可以利用排风对新风进行预热或预冷处理，降低医院新风负荷，同时可避免可能产生的交叉感染。
5.2门诊大堂、共享空间采用分层空调的方式。门诊大堂、急诊大厅采用全空气系统，分别采用喷口及旋流风口送风。全空气空调系统可以实现全新风运行及可调新风比的运行。
5.3建筑内区房间过渡季节及冬季，合理利用室外新风消除房间余热，满足使用要求，同时减少了空调能耗。
6 废热及废水的利用
本工程冬季空调系统高峰时用汽量为19.72t/h，同时产生大量的蒸汽凝结水。如何回收蒸汽凝结水的热量和水量，降低能源消耗，提高高品位热源的用能效率，是设计者要解决的重要问题。在设计时对于冬季空调蒸汽凝结水，采用了回收利用措施。在B栋病房楼地下2层，即空调换热站的下部，设置了蒸汽凝结水回收水箱及供水设备，空调凝结水自流到凝结水箱，经加压处理，经过2级换热器换热，回收其中的热量，用作卫生热水的预热。充分利用了其热量，达到了节能的目的。
本工程冬季空调采暖季可回收凝结水量39172t，可回收热量8.2x109KJ ，折合节约标准煤279.7吨，减少二氧化碳排放量687.1吨。
7 室内环境控制设计
一般而言，室内温度、相对湿度和气流速度对人体热舒适感产生的影响最为显著，也最容易被人体所感知和认识，医院是病患聚集的场所，患者体质往往较差，对温度、相对湿度和气流速度等往往更敏感。医院某些科室病房甚至对温度、相对湿度的要求十分严格，以利于病人的康复。
医院建筑作为民用建筑的一部分，室内空气污染造成的健康问题近年来得到广泛关注。轻微的反应包括眼睛、鼻子及呼吸道刺激和头疼、头晕眼花及身体疲乏；严重的有可能导致呼吸器官疾病，甚至心脏疾病及癌症等。为此，应根据GB50325—2001《民用建筑工程室内环境污染控制规范》的规定，严格控制室内的污染物浓度，从而保证人们的身体健康。本工程空调系统末端设备的设计在满足使用房间室内温度、相对湿度和气流速度的要求外，对室内空气品质还采取了如下控制措施：
7.1门诊大堂、急诊门厅等全空气空调机组配置管道式净化杀菌装置。
7.2新风机组配置了电子除尘净化杀菌装置。
7.3用于餐厅、健康知识展览厅等人员密集公共场所的中央空调机组配置了回风口式净化杀菌装置。
7.4病理、实验等科室空调器回风口采用光触媒空气净化装置，可以将空气中的甲醛、氨、苯等有机物分解，并杀灭细菌、病毒，消除异味。
7.5风机盘管机组配置了纳米级TiO2 健康空气杀菌器及净化设备。纳米级TiO2健康空气杀菌器及净化设备能氧化、分解空气中的有害物质、有效杀灭几乎所有空气中传播的细菌和病菌、确保安全高效去除异味、有害微生物以及其他有害物质。
7.6医院建筑不同于其他公共建筑的最大区别在于很多功能房间因需要进行污染控制，故与其相邻相通房间之间往往有静压差要求。当需要保护某房间室内环境，避免临室污染渗透至该房间内时，该房间与临室之间需要保持正压差；当需要避免某房间室内污染，渗透至临室而污染该房间外部环境时，该房间与临室之间需要保持负压差。
本工程各层房间众多、使用功能要求不同，为保证各房间的风量平衡，满足各房间压差使用要求,各房间的送风、回风(排风)分支管上，采用恒风量调节器，无须借助任何外力，在系统中自动调节风量,精确控制、平衡各房间的送、排风量。
8 设计体会
8.1绿色医院与一般民用建筑相比的具有其复杂性及特殊性。医院建筑功能复杂，许多医疗房间对室内环境的要求高于一般民用建筑。为了满足不同医疗功能区的室内环境（温度、相对湿度、风速、空气洁净度）控制要求，暖通空调系统的配置也相应复杂。
综合医院建筑中通常有大型医技设备（如MR、CT等）用房。大型医技设备用房需要配置恒温恒湿机房空调机组，设备价格较高。
医院中的洁净手术部等功能区需要设置净化空调。净化空调系统配备独立的冷热源设备及净化空调机组，造价要远高于普通空调系统。
8.2青岛西海岸医疗中心为现代化大型医疗建筑，在设计中空调专业采用多元化的能源结构、多形式的空调系统，来满足不同医疗单元的使用要求。医技科室采用了多联机空调系统，手术部等净化空调采用风冷热泵系统，而对于病房、门诊、办公等以舒适性空调为主的部分则采用了集中冷热源水系统空调。冷热源的选择和确定应满足资源和系统适宜性的要求。
8.3建筑物处于部分冷热负荷时和仅部分空间使用时，采取有效措施节约通风空调系统能耗。医院建筑的空调系统都是按照最不利情况(满负荷)进行系统设计和设备选型的，而建筑在绝大部分时间是处于部分负荷状况，或者同一时间仅有一部分空间处于使用状态。
集中空调系统的夏季用电负荷中，冷水机组的用电负荷约占50%~60%[1]，大约25%~30%用电负荷消耗于冷水泵与冷却水泵的输配上。
本工程采用机房全变频配置，冷水机组配置变频器，变频工况IPLV=9.659，空调水系统采用二次泵系统，通过适当的运行策略，可以适应空调负荷的全年变化规律，满足季节及部分负荷要求。
8.4在设计中解决了建筑空间复杂、分区多、空调环路多、作用半径大、空调水系统及风系统的平衡问题。同时在设计中注重解决系统节能问题及医疗建筑公共场所的空气污染问题。与建筑专业密切配合合理设计防排烟系统及通风系统，既解决了系统的进风排风出路问题，又达到了不影响建筑外观的目的，获得了良好的设计效果。
8.5青岛西海岸医疗中心的建成与使用将对地方低碳城市建设，建筑节能技术的推广与应用具有良好的示范效应和积极的社会效益。同时极大地提高建筑节能设
计和节能技术应用水平，为建筑节能技术的普及推广与应用打下良好的基础。
参考文献：
[1] 汪训昌，空调冷水系统的沿革与变流量一次泵水系统的实践[ J]．暖通空调，2006,36（7）:32-40