《ENERGY AND BUILDINGS》：Hospital energy systems under transition: global consumption patterns, technology integration, and pathways toward fully renewable healthcare facilities
医院因连续运行和严格的可靠性要求而表现出非常高的能源需求。本研究综述了医院能源使用、可再生能源整合以及向能源自主发展的路径。全球医院能源强度因气候、基础设施和运行条件而异。新兴技术如氢能（hydrogen）、微电网（microgrids）和三联供（trigeneration）仍有限但至关重要。完全可再生能源医院尚未实现，需要集成多能源系统（multi-energy systems）和储能（storage）解决方案。
论文主体部分内容总结如下：
**2. 能源使用与资源强度**
2.1 医院能源使用与成本强度：医院作为连续运行（24/7）的复杂基础设施，能源需求极高。能源使用强度（EUI）以kWh/m
2为单位，是标准化基准指标。全球平均EUI因气候、医疗实践和建筑标准差异显著，如美国等高消耗地区与东南亚等低需求地区差距明显。典型地中海气候（如西班牙）医院EUI约为270 kWh/m
2·年。主要能源载体为电力（51%）和天然气（37%），合计占近90%终端消费。暖通空调系统（HVAC）是最大能耗端，占美国医院总能耗约52%（供暖29%、通风12%、冷却11%），热水供暖占11%，合计约63%。医疗设备能耗占比较小，表明医院能效改进应优先聚焦建筑服务而非临床流程。水消耗间接影响能源，医院每日每床用水量约400–1200升，水使用强度（WUI）约2.5–5 m
3/m
2/年。能源支出占运营成本重要部分，美国医院电力成本占能源总支出的69%–85%，成本强度以USD/m
2/年或每千kWh计量。
2.2 医院能源使用国际比较：各国医院EUI差异显著。美国2020年医院平均EUI为544.8 kWh/m
2，大型医院占47%建筑面积但消耗64%能源。中国（30家医院）平均297 kWh/m
2，马来西亚234 kWh/m
2，泰国148.8 kWh/m
2，韩国电力128 kWh/m
2、热力452 kWh/m
2。欧洲：西班牙平均270 kWh/m
2，德国每床每年约6000 kWh电力和29000 kWh热能，希腊104.46 kWh/m
2，英国289 kWh/m
2。差异受气候、建筑年代、GDP、医疗强度等因素影响。能源接入问题在低收入国家突出，世界卫生组织（WHO）报告显示南亚12%、撒哈拉以南非洲5%的医疗机构缺乏可靠电力。
2.3 案例研究：西班牙韦尔瓦的胡安·拉蒙·希门内斯大学医院（JRJUH）：该医院建筑面积70,000 m
2、620床位，2023年电力消耗11,106.93 MWh，天然气（一般用途）15,082.39 MWh，厨房用气285.71 MWh，咖啡厅用气128.14 MWh，水144,662 m
3。季节性明显：电力峰值在8月（1164.52 MWh），天然气峰值在1月（1739.97 MWh）。典型日负荷曲线显示夏季日用电量（37.57 MWh/d）高于冬季（26.81 MWh/d）。年能耗成本约403.59万欧元，电力占67.22%，天然气占23.19%，水占8.97%。归一化后，JRJUH电力强度158.67 kWh/m
2/年，天然气强度215.46 kWh/m
2/年，水强度2.07 m
3/m
2/年，分别低于西班牙基准值约21%、20%，但水消耗高出约42%。研究指出月度热需求数据缺乏高分辨率，可能影响峰值负荷估算。
**3. 可再生能源技术在医院中的应用**
3.1 太阳能光伏（PV）：光伏系统是最广泛应用的再生能源技术，约占全球医院可再生能源安装的60%，受成本下降（自2010年降低72%）和效率提升（商业模块达23%）驱动。双面PV面板在屋顶应用中可提升8%–12%性能。PV系统主要满足白天电力需求，通常以屋顶安装（50–500 kW，占75%）为主，但受间歇性限制，需与电池储能系统（BESS）或混合配置结合。研究显示：罗马尼亚医院PV改造实现显著减排和成本节约；沙特NEOM模拟医院减少49%碳排放；英国NHS医院混合PV-电池-电网系统降低27%CO
2排放；瑞典PV主导多联产系统在峰值日照期间接近自给自足；伊朗医院通过需求侧管理使可再生能源利用率提高21%。但经济障碍仍存，BESS高初始成本和不确定回收期是主要挑战。
3.2 风能：风能在医院中应用有限，主要受限于风速条件、空间需求和声学约束。通常与光伏和BESS结合形成混合系统。伊朗医院模拟光伏-风能混合系统可提高供应稳定性，中国医院在平均风速5–7 m/s条件下实现自发电容量增加20%、电网依赖减少30%、CO
2排放减少25%。微/中型风机在风速低于5 m/s时效率较低，且维护要求高。
3.3 太阳能热利用：太阳能热系统主要应用于生活热水（DHW）、空间供暖和消毒过程。热需求占医院总能耗40%–60%，太阳能热系统可提供40–120 °C热量。西班牙公立医院太阳能热系统实现年节能45%，每院每年减少CO
2排放约25吨。中国太阳能热收集装置热效率超过65%。混合配置中，太阳能热与吸收式制冷机结合可支持空调需求，与储能系统结合可减少总能耗60%以上。香港和塞浦路斯的研究显示，太阳能热加常规热备份可覆盖70%–80%热负荷。但受气候、朝向和建筑限制，通常需辅助备份。
3.4 生物质能：生物质在医院中应用较少，主要因燃料供应、存储和排放控制等物流约束。巴西研究显示，混合光伏-太阳能热-生物质系统中，生物质是热生产最经济方案，提供约87%热需求。西班牙医院用颗粒锅炉替代燃油锅炉，五年内减少45%化石燃料消耗、35%运营成本和40%CO
2排放。沙特西北部医院微电网中，沼气发电满足67.6%电力需求，减少84%CO
2和81%柴油消耗，平准化电力成本（LCOE）为$0.21/kWh。土耳其大学医院沼气三联供系统实现50%–60%节能。生物质锅炉热效率70%–85%，沼气热电联产（CHP）系统总效率超65%，中型医院可覆盖高达80%年热需求。
3.5 地热能：地热系统因稳定连续供热特性适合医院，通常通过地源热泵（GHP）或含水层热能储存（ATES）实现。性能系数（COP）值3.5–5.9，回收期1.2–10年。西班牙医院GHP系统COP 4.0–5.5，年节能30%–40%。巴拿马地热-太阳能混合系统减少25%总能耗。比利时医院ATES系统季节性能效因子5.9，年节约�54,000。台湾水源热泵COP 3.62（供热）和2.62（供冷），回收期约1.2年。美国马萨诸塞总医院地源热泵系统显著降低供暖制冷成本。新西兰罗托鲁阿医院利用130–150 °C地热流体完全满足校园供暖需求。混合地热-太阳能系统可提升季节性能效，COP 3.5–4.0，回收期低于6年。
**4. 迈向100%可再生能源医院：关键技术及实施框架**
实现“100%可再生能源医院”需综合部署新兴可再生技术、分布式发电系统及关键使能技术。本节提出结构化四层框架：第一层（需求层）包括医院能耗和需求侧管理（建筑围护结构改进、HVAC优化、能效措施）；第二层（发电层）包括光伏、风能、太阳能热、生物质和地热系统；第三层（储能层）包括电池储能系统（BESS）和氢基系统，用于管理可再生波动性；第四层（控制与韧性层）包括监控控制、微电网和先进能源管理系统，确保电网扰动时的可靠运行。框架强调需求减少是设计基础，直接影响可再生发电和储能容量需求。使能技术包括：CHP/CCHP系统（效率超80%）、高效热泵（COP 3–4）、氢基技术（电解槽ELEC、燃料电池FC、氢涡轮机）及微电网（可孤岛运行）。
4.1 CHP与CCHP：医院因连续运行和高热/电负荷非常适合CHP/CCHP。美国新泽西医院三联供系统满足60%电力需求，年节约$200万，减少10,000吨CO
2。英国皇家什鲁斯伯里医院1.15 MWe CCHP系统年节约￡780,000，减排约2000吨CO
2。意大利佩鲁贾医院1.5 MWe三联供加190 kW光伏，覆盖50%需求，年减排4825吨。希腊雅典医院500 kWe CHP加吸收式制冷机，2008–2013年持续运行，显著降低燃料消耗和运营成本。希腊比雷埃夫斯医院燃气CHP发动机年运行约8000小时，实现能源成本降低32%，一次能源减少28%，内部收益率（IRR）19%。模拟研究显示，意大利太阳能辅助CCHP节能27%，中国四联供系统减少35%能耗。
4.2 热泵：热泵基于蒸气压缩循环，COP值通常3–4。意大利医院多阶段改造策略整合热泵，实现12%一次能源节省和25%生命周期成本降低。韩国水源热泵比常规HVAC系统COP更高。马来西亚混合PVT-热泵系统总效率51%–69%，病房温度降低0.5–3.9 °C。加拿大医院废水热回收热泵系统可行性研究显示COP达4.8。英国赫尔皇家医院多管冷水机组与热泵整合，五个月内天然气消耗减少69%。英国诺斯维克公园医院结合空气源/水源热泵、光伏和BESS，预计年节约￡1.9M，减少CO
2约2500吨。匈牙利布达佩斯军医院污水源热泵COP 6.5–7.1，提供3.8 MW供暖和3.3 MW制冷，年节约�340,000。
4.3 氢技术：氢基系统通过燃料电池（FC）和电解槽（ELEC）实现电热联产，效率可达80%，同时可生产医用级氧气。希腊克里特岛医院研究安装1397 kW FC系统加光伏，可完全覆盖年电力需求4895 MWh，并产生额外2451 MWh热能，年需368吨氢，投资�419万。德国赫尔曼-约瑟夫医院部署十台100 kW SOFC系统满足基荷，年减排CO
2约150吨。以色列医院用氢FC替代柴油备用电源，年运营节约超$100,000。西班牙医院现场电解制氢产氧，年减排CO
2约20吨。马来西亚模拟PV-FC混合系统满足85%医院电力需求，运营成本降低30%。希腊研究显示质子交换膜（PEM）FC比柴油备用系统减排45%。意大利研究显示电解制氧比传统供应链节约约20%成本。
4.4 微电网：医院微电网整合分布式资源（PV、BESS、FC、CHP等），可并网或孤岛运行。西班牙医院500 kW PV、1 MWh BESS加柴油备用，在停电期间维持运行72小时，年节约能源成本�147,000。美国加州儿童医院微电网（1.32 MW PV、2.2 MW FC、1.4 MWh BESS）预计满足约80%需求，减排超50%。伊朗模拟医院屋顶光伏加遮阳系统，夏季冷却负荷降低32%，风机盘管电力减少15%。土耳其医院利用电动汽车二次电池实现电费降低9.4%，电网能耗减少13.4%。印尼龙目岛混合PV-BESS微电网在三天停电期间，CO
2排放从216,902 kg/年降至63,292 kg/年。布基纳法索模拟300 kW PV微电网，LCOE为$0.153/kWh，年节约约$65,500。孟加拉国模拟显示PV和BESS可满足60%关键负荷。
**5. 讨论**
5.1 能源需求与结构决定因素：医院EUI范围为200–1000 kWh/m
2，电力占50%–70%，热力占20%–40%。需求受地理位置、设施规模、部门强度（如手术室）和电网可靠性影响。JRJUH案例验证了季节性模式：夏季电力峰值（冷却）、冬季天然气峰值（供暖），电力占年能源支出三分之二以上。建筑年龄、围护结构质量、HVAC基础设施等物理特性显著影响能耗，多数现有医院建于现代能效法规之前，存在大量低效问题。因此，需求侧措施（建筑改造、HVAC优化、热绝缘改进）是减少基准消耗的关键，可降低可再生发电和储能容量要求，改善技术经济可行性。
5.2 可再生能源技术趋势与性能：文献分析显示技术应用层次：PV占27%，太阳能热15%，BESS 14%，地热12%，FC 12%，风能8%，生物质6%，ELEC 7%。PV减排25%–50%，但屋顶限制使直接覆盖10%–30%电力需求。太阳能热覆盖45%–80%热负荷，但依赖气候和空间。地热COP 3.5–6，节能30%–60%，回收期1–10年。风能应用较少，但PV-风混合在风资源丰富地区有潜力。生物质热效率70%–85%，需稳定燃料供应链。氢基系统效率高但资本密集，回收期可能超10年。从能源产出看，68%系统以电力为主，17%产热，15%产氢。结论：单一技术无法独立满足医院全部需求，混合多载体配置是实现高可再生能源渗透率的现实路径。
5.3 研究分布、分析方法与实施成熟度：亚洲（45%）和欧洲（43%）主导研究，美洲10%，非洲仅2%。中国（14%）和日本（10%）贡献最大，其次美国（8%）。方法上，能效性能评估占57%（主要为模拟），技术经济分析占31%，环境评估仅2%。模拟研究占主导，实验验证约4%，实际部署约6%，表明大规模运营验证有限。微电网模拟显示CO
2减排20%–50%，峰值负荷减少20%。JRJUH案例估算年碳排放约5653.38吨CO
2，高可再生能源渗透下可减少40%–50%。但完全可再生且高韧性的实际大型医院系统仍缺乏，多数依赖电网或化石备用。
5.4 迈向完全可再生能源医院的差距与战略展望：全球仅5%–8%医院可再生能源渗透率超50%。“100%可再生能源医院”概念在现有技术条件下仍具挑战，主要障碍包括城市空间限制、建筑限制、可再生间歇性、法规约束及临床环境严格的可靠性要求。现有最全面配置多为模拟混合微电网，实际系统仍保持并网冗余。解决路径：需综合多技术组合、需求侧管理、建筑改造、HVAC现代化及围护结构改进。拟议的四层框架（需求层、发电层、储能层、控制与韧性层）为设计提供结构化方法，强调需求削减是起点，各层顺序影响后续容量。权衡包括可再生渗透率与可靠性平衡、大规模储能经济性、混合配置操作复杂性。未来需结合工程、医疗规划、经济建模、法规和政策协同推进。
**6. 结论**
医院是高能耗且运行要求最严格的建筑类型之一。本综述表明，向低碳和可再生医疗设施转型在技术上是可行的，但实现完全可再生能源运行仍是重大系统性挑战。单一技术无法独立满足连续、可靠且高度灵活的能源需求。使能技术（BESS、氢系统、CHP/CCHP、热泵、微电网）是未来医院能源系统关键组成部分。拟议的四层框架作为主要贡献，将需求侧、可再生发电、储能和韧性控制整合为统一系统级方法。尽管过去十年取得显著进展，模拟优化研究与实际大规模部署之间仍存在巨大差距。未来研究应聚焦于综合方法，包括详细需求表征、多年分区能源分析、建筑评估、能效评估及混合可再生系统优化设计。四层框架为整合这些发展并支持向高可再生、高韧性、运行可靠的医院能源系统转型提供了结构化的系统级基础。
