现有医院电气化供热案例研究——普罗维登斯圣彼得医院脱碳案例研究 - 健康研究

前言和执行摘要 - 现有医院电气化供热案例研究

普罗维登斯圣彼得医院脱碳案例研究

医疗保健设施的可持续发展路线图

医疗保健设施可持续发展术语表

HealQuestTM 下载执行摘要

购买完整案例研究

前言

鉴于医疗保健行业日益增长的脱碳兴趣，美国医疗保健工程学会（ASHE）希望支持那些希望对其设施进行脱碳的成员。2023年4月，ASHE开始与普罗维登斯讨论关于全面案例研究的需求，以探讨现有医院建筑脱碳的可行性。尽管在指导新建医院建筑脱碳方面已有大量努力，但关于现有医院建筑脱碳的信息却很少。此外，从技术和财务角度来看，现有医院建筑脱碳的可行性也存在争议。

当ASHE探索赞助案例研究并调查现有医院建筑脱碳的可行性时，普罗维登斯因其在环境可持续发展方面的领导地位及其广泛分享经验的愿望而被确定为关键合作伙伴。普罗维登斯圣彼得医院（PSPH）位于华盛顿州奥林匹亚市，被选为案例研究项目。该医院面积为733,000平方英尺，拥有372张许可床位，其第一阶段建于1969年，当时全国范围内建造了数千家医疗机构。地理位置和气候在选择案例研究医院时被考虑在内，奥林匹亚市温和的气候被认为是合适的，因为它代表了一个展示温带地理区域脱碳可行性的基准案例研究。此外，PSPH在其脱碳旅程中已经领先于许多其他机构，这一点也被考虑在内。该医院拥有强大的公用事业和建筑计量系统，并使用100%可再生能源。作为医疗保健系统，普罗维登斯制定了一个气候行动计划，包括麻醉气体、交通、废物和电力的脱碳策略。对于PSPH来说，整体脱碳策略中缺失的部分是热能负荷。因此，ASHE的研究专门调查了热能负荷的脱碳问题。

研究的主要发现

首先，从技术上讲，PSPH可以实现热能负荷的脱碳。然而，由于医院是一个患者护理环境，需要正常运营，因此实现热能负荷的碳中和将需要10到15年的时间。这是一个重要的因素，因为它展示了组织在寻求脱碳时需要仔细规划和早期准备。

其次，对于这家医院来说，从财务上讲，实现热能负荷的脱碳也是可行的。研究估计，热能负荷的全面电气化将花费每平方英尺约100美元的资本支出。今天有许多财务机制可以帮助PSPH推进电气化，例如2022年通货膨胀削减法案中的激励措施。

最后，值得注意的是，脱碳技术正在不断涌现，持续变化并且进展迅速。今天处于尖端的技术到热能系统全面电气化时可能已经不再适用。这是一个关键的考虑因素，强调了早期规划的重要性，并且要意识到技术将会发生变化。

案例研究提供了实现这一目标的详细步骤。然而，明确一点，本出版物并不是任何给定医院电气化的操作手册，也不是衡量其他医院追求这一目标的标准。完整的电气化路径是一个极其复杂且量身定制的过程。每个电气化计划都必须根据特定医疗保健设施或系统的具体目标以及管理该设施的法规要求和其所服务社区的需求进行量身定制。

作为一名致力于医疗保健环境管理和可持续发展的机械工程师，这个案例研究项目虽然是一项巨大的工作，但也是一份热爱和愉快的经历。我要感谢Fred Betz博士在领导这项研究中的不懈努力，以及其他贡献者，包括Peter Dahl、Sagar Rao（NeuMod Labs）、Walt Vernon（Mazzetti）和Kyle Victor（McKinstry）。其他关键贡献者包括Yousif Alshaba、Scott Acker和Mark Thynes（McKinstry）、Jennifer Ashlock（Puget Sound Energy）、Jeff Probst（Konvekta）和Tom Gelin（Air Flow, Inc.）。特别感谢普罗维登斯西南华盛顿基金会的环境管理基金和华盛顿州医疗保健工程协会的慷慨捐赠，这些捐赠确保了这项重要研究的完成。我还要感谢我的普罗维登斯朋友们，包括Ali Santore、Elizabeth Schenk博士、Dave Thomsen和Geoffrey Glass，感谢他们的领导和承诺。最后，我要感谢PSPH设施团队，特别是Clay Ciolek和Gregory Pries，他们的奉献和专业知识非常宝贵。

我希望这个案例研究能够成为一个成功的故事，旨在激励并证明这一曾经看似不可能的目标实际上是可以实现的。如果医院电气化是一场竞技运动，PSPH将是奥运会金牌得主。毫无疑问，医院的非凡努力树立了新的标准，提高了可持续性的可能性。虽然不是每家医院都能达到PSPH设定的标准，但它们的例子应该鼓励更多的医疗保健设施尝试。正如人们所说，水涨船高。

Kara Brooks, MS, LEED AP BD+C, 高级可持续发展主任, AHA

执行摘要

美国医疗保健工程学会（ASHE）资助了一项在华盛顿州奥林匹亚市普罗维登斯圣彼得医院（PSPH）进行的脱碳可行性案例研究，目标是验证在PSPH实现范围1和范围2碳中和的技术和财务可行性。该设施被选为典型的大型住院医院，代表了医疗保健行业的合理参考。医院的运营和独特特点，如需要蒸汽进行灭菌，使得它们比许多其他商业建筑更复杂，难以电气化。

本研究解决了两个主要挑战：（1）确定在维持能源供应弹性和支持全面运营的同时实现供热系统电气化的途径；（2）确定实现有益电气化对电力供应的影响。PSPH的目标是通过电气化现有的供热系统（两台双燃料锅炉）来消除基于燃烧的范围1排放。这一目标还包括停止天然气供应，以消除相关的上游甲烷泄漏，并补充医院已购买的100%可再生电力。

评估和脱碳PSPH的方法是仔细分析现有条件、能源使用和按用途划分的峰值供热需求。下一步是识别通过投资某些技术来减少供热负荷的方法，并考虑整体影响。根据ASHRAE指南14的要求，开发了一个校准的能源模型，以填补数据空白并进一步支持能源和财务分析。推荐的策略是基于系统思维方法，尽可能多地采取需求侧节能措施以减少工厂负荷。安装的供热能力为每小时2500万英热单位（MMBtu/hr）或7,327千瓦（kW），测量的峰值负荷为20 MMBtu/hr（5,861 kW），如果所有需求侧措施都得以实施，可以减少到11 MMBtu/hr（3,224 kW）。减少的供热负荷将在供热热水（HHW）分配方面提供更大的灵活性，包括更小的管道尺寸和更低的温度。目标峰值HHW温度为140°F，以实现高效的热泵运行。然而，这取决于需求侧措施的实施水平，特别是围护结构升级。

完成分配系统升级后，供热工厂可以升级为空气源热泵作为正常运行的主要热能来源，并通过热回收冷水机组和100,000加仑的HHW储存进行增强。

脱碳策略的实施需要分阶段进行，具体实施时间取决于可用资源。

弹性策略

短期内，将保持现场柴油燃料存储，以支持发电机和锅炉。升级后的发电机将包括发动机夹套水热回收，以在工厂升级期间停电时支持供热需求。热回收有效地将发电机转变为联合热电系统，在停电期间为医院提供电力和热能。锅炉将保留，直到熟练掌握热泵工厂和发电机热回收的操作。当前的测试和应急电源使用占年度现场燃烧排放的大约4%。随着技术的成熟，将重新评估热储存和微电网等弹性解决方案以替代锅炉。

目前，一些医院正在实施微电网，可以作为本研究的参考，并应与该项目的时间表一致。目前，现场燃料存储被接受为弹性解决方案，因为运行时间少，排放量小，有助于消除导致甲烷泄漏的天然气连接。

根据最近通过的西雅图建筑排放绩效标准的监管框架，研究了医院在2024年至2041年间四种潜在情景。

情景0 是现状案例，医院接受一次性750万美元罚款，并随着时间的推移逐步进行资本改进。
情景1 是最小干扰情景，仅用两台电动电阻锅炉和支持发电机替换现有的双燃料锅炉，其余系统保持不变。
情景2 实施100%室外空气系统的需方节能措施，用电热泵或独立电动锅炉替代电加热工艺负荷，并采取一系列其他需方节能措施。然后将实施空气源热泵工厂，以支持16 MMBtu/hr（4,689 kW）的供热负荷。
情景3A 增加围护结构节能措施，更换单层窗户并在未隔热或部分隔热的墙壁上增加隔热材料。围护结构措施将供热负荷减少到11 MMBtu/hr（3,224 kW）。
情景3B 分离出来以单独评估隔热改进的影响，因为这是一个成本高昂且回报率低的升级。

第三方成本估算用于告知三种脱碳情景。第7章“资本设备和成本”中详细列出了系统、组件和材料。情景1的资本成本估计为57,711,000美元，即每平方英尺79美元；情景2的资本成本估计为62,171,000美元，即每平方英尺85美元；情景3A的资本成本估计为80,425,000美元，即每平方英尺110美元；情景3B的资本成本估计为68,400,000美元，即每平方英尺93美元。作为参考，医院的完整租户改进（TI）费用在每平方英尺100美元到150美元之间。然而，这里的面积是整个医院，即733,000平方英尺。此外，TI几乎完全集中在基础设施改进上，这是不寻常的。

使用2024年的美元建立了17年的成本模型，汇总了资本成本、能源成本和碳罚款。成本估算、能源模型和基于当前西雅图建筑排放绩效标准罚款结构的未来奥林匹亚市碳罚款估计用于编制成本结果。成本结果汇总如下图所示。