（廈門合道設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

初探空氣源熱泵系統(tǒng)在某醫(yī)院的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧曉芳

（廈門合道設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

本文結(jié)合某工程實(shí)例，針對(duì)某醫(yī)院采用的空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)分析，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行綜合研究，探討了空氣源熱泵系統(tǒng)在醫(yī)院建筑中的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

空氣源熱泵；性能評(píng)估；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

醫(yī)院建筑具有使用要求高、功能復(fù)雜、總體能耗大等特點(diǎn)。暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗可占醫(yī)院總能耗的50%以上，單位建筑面積的暖通空調(diào)能耗是辦公建筑的1.6～2.0倍；其中空調(diào)冷熱源的能耗約占暖通空調(diào)總系統(tǒng)能耗的50%，降低空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的能耗是空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵，也是醫(yī)院節(jié)能的重點(diǎn)，人們?cè)谶@方面開展了相關(guān)的研究工作。

1 項(xiàng)目概況

1.1 醫(yī)院建筑能耗概況

該醫(yī)院是位于福建某三級(jí)甲等醫(yī)院。主要由病房樓、醫(yī)技樓、門急診樓、康復(fù)樓和行政辦公樓等九棟建筑組成。其中病房樓需要全年供應(yīng)生活用熱水.夏季供冷、冬季供暖的空調(diào)系統(tǒng)都是全天24小時(shí)運(yùn)行.其單位面積的空調(diào)系統(tǒng)能耗較高。改造前，醫(yī)院的空調(diào)、生活熱水等的供應(yīng)源于能源中心的燃油鍋爐和蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組。夏季通過燃油鍋爐產(chǎn)生的蒸汽提供給溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組制冷，冬季燃油鍋爐提供蒸汽，進(jìn)行熱交換后，提供空調(diào)系統(tǒng)的供暖用熱水；全年的生活用熱水也是用燃油鍋爐產(chǎn)生蒸汽作為熱源。

1.2 醫(yī)院改造方案

醫(yī)院運(yùn)營(yíng)成本的不斷攀升，給醫(yī)院帶來很大的負(fù)擔(dān)，故而，該醫(yī)院決定針對(duì)醫(yī)院的住院病房的其中A，B，C號(hào)樓進(jìn)行考察、改進(jìn)。這三棟樓的建筑面積將近3萬平米，空調(diào)協(xié)同及熱水供應(yīng)系統(tǒng)地耗能量非常大。該次調(diào)研中，分別將該三棟樓的空調(diào)及熱水供應(yīng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，均升級(jí)為兩組空氣源熱泵機(jī)組。其中一組冬季熱運(yùn)行，夏季冷運(yùn)行，可給樓中人員供熱。另一組全年運(yùn)行，負(fù)責(zé)給樓中用戶提供熱水。

2 空氣源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

此次改進(jìn)同時(shí)滿足了醫(yī)院這三棟樓的熱水供應(yīng)及夏季供冷、冬季供暖的目的，給醫(yī)院節(jié)省了大量的柴油及電力能源。以上空氣源熱泵機(jī)組中包含的兩臺(tái)設(shè)備采用如下所示的配置：

其一消耗10701124熱量，輸入功率是206/290kW。

其二消耗366/454熱量，輸入功率是102kW。

2.1 空調(diào)用冷熱源系統(tǒng)

雙螺桿壓縮機(jī)的使用，使得空氣源熱泵機(jī)組在運(yùn)行時(shí)沒有那么大噪音、振動(dòng)幅度小，并且具有較高的容積效率，負(fù)載大時(shí)可控制壓縮機(jī)增大輸出能量，反之則減少。殼管式熱交換機(jī)以及內(nèi)螺紋外螺旋無縫紫銅管均是效率較高的，故而該系統(tǒng)中水側(cè)熱交換器能夠在高熱效率的條件下運(yùn)行；空氣側(cè)熱交換器則是通過V型盤管樣式的設(shè)計(jì)，來提高熱量外散效率。此外，該機(jī)組采用并聯(lián)的方式布置數(shù)臺(tái)壓縮機(jī)，系統(tǒng)地可靠性則是通過壓縮機(jī)的冷媒回路來實(shí)現(xiàn)。

2.2 生活熱水用熱源系統(tǒng)

冬季時(shí)節(jié)，該系統(tǒng)能夠同時(shí)提供生活熱水及空調(diào)降溫用的冷水，生活熱水通過空調(diào)設(shè)備制熱而非電加熱的方式產(chǎn)生，并且能夠在-5℃～-43℃的范圍內(nèi)自動(dòng)切換熱水供應(yīng)模式來控制供應(yīng)熱水的溫度。

2.3 節(jié)能量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖1 原水冷冷水機(jī)組供冷季耗電量

圖2 改造前后水泵及冷卻塔等設(shè)備耗電量

在改進(jìn)后，該醫(yī)院采用電表計(jì)量額度控制的方式來監(jiān)控改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行，如果電表中計(jì)數(shù)有異常，則能夠及時(shí)報(bào)警來提高醫(yī)院設(shè)備的安全性。

3 空氣源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)性能評(píng)估

3.1 節(jié)能量、節(jié)能率的確定方法

該醫(yī)院在設(shè)備改進(jìn)前后的柴油及電力能耗情況分別是由改進(jìn)前后設(shè)備柴油耗油量及改進(jìn)后新設(shè)備的電量計(jì)數(shù)得出。而實(shí)際情況是，該醫(yī)院并沒有實(shí)時(shí)地統(tǒng)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)地電力消耗，在改進(jìn)實(shí)施后，對(duì)鍋爐柴油用量及改進(jìn)設(shè)備的電量都進(jìn)行了計(jì)量。故而改進(jìn)前的電力消耗可通過設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的記錄報(bào)表而分析機(jī)組及水泵等設(shè)備的額定功率、運(yùn)行了多少時(shí)間、設(shè)備的負(fù)載情況計(jì)算得出，改進(jìn)后除了上述方法計(jì)算水泵等沒有計(jì)量耗電情況的設(shè)備的耗電量外，還需讀取耗電計(jì)量的機(jī)組設(shè)備的耗電量。

表1 節(jié)能改造后的總節(jié)能量

圖3 節(jié)能改造后的節(jié)能率

3.2 節(jié)能量、節(jié)能率的確定

（1）改造后的鍋爐節(jié)能量

鍋爐的節(jié)能量主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：空氣源熱泵機(jī)組夏季替代蒸汽型溴化鋰機(jī)組供冷?？諝庠礋岜脵C(jī)組冬季替代鍋爐供暖；空氣源熱泵熱水機(jī)組全年替代鍋爐制取生活用熱水。節(jié)能改造前后鍋爐柴油耗量均有數(shù)據(jù)記錄，2009年柴油耗量1580t、2011年柴油量710t、其中節(jié)省柴油量870t、折合標(biāo)煤量1267.677t。

改造后空氣源熱泵機(jī)組和熱泵熱水機(jī)組全年運(yùn)行耗能節(jié)能改造后空氣源熱泵機(jī)組和熱泵熱回收機(jī)組安裝了電表.故可通過計(jì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到其耗能量如下：

2011年機(jī)組耗電量2996640/kWh，折合標(biāo)煤量898.992t。

在設(shè)備改進(jìn)前，三棟樓中A樓采用兩臺(tái)蒸汽型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組來完成夏季制冷功能；B樓則是兩臺(tái)螺桿式水冷冷水機(jī)組來完成，C樓中只有7、8層是調(diào)研范圍，只需一臺(tái)螺桿式水冷冷水機(jī)組來完成夏季制冷的目的。三棟樓中的機(jī)組在改進(jìn)前均未分項(xiàng)計(jì)量其耗電量，其改進(jìn)前的耗電情況（如圖1所示）可以通過改進(jìn)后機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)從而推斷改進(jìn)前機(jī)組的負(fù)載情況，并根據(jù)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間及額定的輸入功率計(jì)算得出。其具體的耗電情況如下所示：

2011年機(jī)組耗電量617980/kWh，折合標(biāo)煤量185.394t。

（2）改造前后水泵及冷卻塔等設(shè)備的耗電量（圖2）

由于節(jié)能改造前后水泵及冷卻塔等設(shè)備沒有進(jìn)行獨(dú)立的分項(xiàng)計(jì)量，故根據(jù)改造后設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和額定輸入功率等來計(jì)算這些設(shè)備的耗電量。改造前后水泵及冷卻塔等設(shè)備的耗電量如圖2所示。

3.3 節(jié)能指標(biāo)

（1）改造后的全年總節(jié)能量

該醫(yī)院改造后全年總節(jié)能量為改造前后鍋爐節(jié)能量、改造前螺桿式水冷冷水機(jī)組加蒸汽型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組、水泵以及冷卻塔等設(shè)備的耗能量之和減去改造后空氣源熱泵機(jī)組、空氣源熱泵熱水機(jī)組以及水泵等設(shè)備的耗能量。節(jié)能改造后全年總節(jié)能量詳見表1。

（2）節(jié)能改造后的節(jié)能率（圖3）

該節(jié)能改造項(xiàng)目實(shí)施后的節(jié)能率為21.6%。對(duì)比該地方標(biāo)準(zhǔn)《市級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)建筑合理用能指南》DB31/T553—2012）中的三級(jí)甲等醫(yī)院的能耗指標(biāo)先進(jìn)值為62kgce/（m2a），合理值為81kgce/（m2a），可見采用空氣源熱泵機(jī)組和熱水機(jī)組后，該建筑的能耗介于兩者之間。

表2 節(jié)能改造后全年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用

4 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

4.1 評(píng)估方法的確定

分項(xiàng)計(jì)算設(shè)備的能耗值，將其與能耗單價(jià)的乘積，同改進(jìn)前原設(shè)備的能耗值與能耗單價(jià)的乘積進(jìn)行比較，就能得出此次改進(jìn)工程的實(shí)施戰(zhàn)果，繼而評(píng)估該次設(shè)備改進(jìn)項(xiàng)目的合同及工程費(fèi)用的支付憑據(jù)。

4.2 全年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用

上文中已經(jīng)提到，電力及柴油是該醫(yī)院設(shè)備運(yùn)行的兩大必須能源，在節(jié)能改造項(xiàng)目實(shí)施之后，醫(yī)院在一年中的運(yùn)行費(fèi)用較改進(jìn)前的節(jié)省值在表2中詳細(xì)展示出來。

4.3 投資回收期的確定

項(xiàng)目改造的總投資約為600萬元。全年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用310.03萬元，其投資回收期約為2年。

結(jié)論

（1）醫(yī)院中住院病房采用的供冷、供熱設(shè)備在改進(jìn)前、后的能耗值比較之后，得出改進(jìn)后的設(shè)備能耗及運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果基本正常，均在醫(yī)院可接受的范圍。不過，改進(jìn)后需要全面考慮到建筑中的空調(diào)制冷、制熱及熱水供應(yīng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)冷、熱平衡的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）改進(jìn)后兩種機(jī)組的結(jié)合，有效的提高了季節(jié)變換期間及設(shè)備存在空閑的前提下設(shè)備運(yùn)行的效率，仍具有一定的優(yōu)化可發(fā)展空間。

（3）當(dāng)設(shè)備溫度超過室外溫度時(shí)，空氣源熱泵熱水機(jī)組的工作效率受到很大的負(fù)面影響，此時(shí)需要面面俱到，綜合分析全年室外氣溫變動(dòng)情況，并考慮到機(jī)組設(shè)備在一年之中運(yùn)行的時(shí)間，分析改進(jìn)后系統(tǒng)地技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)可行性，而不是僅憑短期的低效率就否定設(shè)備改進(jìn)的可行性。

（4）另外，可以以水冷冷水機(jī)組同空氣源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的方式，來更進(jìn)一步的改進(jìn)，此時(shí)需要更深入的研究組合的最優(yōu)化方案。

[1]朱薇,楊誠． 空氣源熱泵系統(tǒng)某醫(yī)院空調(diào)工程設(shè)計(jì)實(shí)例[J]．科技風(fēng), 2012 （05）．

[2]劉東,施赟,王亞文,等． 空氣源熱泵系統(tǒng)在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用研究——以某醫(yī)院空氣源熱泵供冷和供熱水系統(tǒng)為例[J]． 空調(diào)暖通技術(shù), 2014 （01）：5-9．

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