低溫空氣源熱泵及輔助熱源復(fù)合系統(tǒng)在高原地區(qū)醫(yī)院建筑 的應(yīng)用

王玨

【摘要】高原地區(qū)由于氣候原因在供暖時(shí)應(yīng)考慮使用低溫空氣源熱泵，并設(shè)置輔助熱源進(jìn)行補(bǔ)充。本文以西藏自治區(qū)某醫(yī)院建筑為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)單一低溫空氣源熱泵供暖、低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源供暖以及低溫空氣源熱泵+電加熱輔助供暖三種不同的熱源方案進(jìn)行分析，對(duì)比其經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益和環(huán)保效益，得出如下結(jié)論：低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能系統(tǒng)與其他兩種方案相比費(fèi)用年值最低，節(jié)能減排量最高，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

【關(guān)鍵詞】低溫空氣源熱泵; 太陽(yáng)能; 高原地區(qū); 節(jié)能減排

空氣源熱泵從室外空氣取熱，以電力作為驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的熱力循環(huán)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。由于其具有安裝使用方便、初投資較低、對(duì)環(huán)境污染較小等特點(diǎn)，適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，被廣泛應(yīng)用于各類住宅及辦公建筑。

而對(duì)于高原高寒地區(qū)，如青藏高原腹心西藏自治區(qū)而言，其具有濕度低、氣壓低、氣溫低等顯著的高原寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組可能使得制熱量和能效比劇烈衰減，并出現(xiàn)結(jié)霜等問(wèn)題，使得機(jī)組在高原高寒地區(qū)無(wú)法高效運(yùn)行，難以滿足建筑內(nèi)人員的冬季采暖需求。

低溫型空氣源熱泵機(jī)組便可有效解決上述問(wèn)題，在-10℃～-30℃的環(huán)境溫度下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效地制熱，以取代其傳統(tǒng)的燃油、燃煤等取暖方式。解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下工作的不足，這種技術(shù)的推廣對(duì)藏區(qū)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、治理城市環(huán)境污染、解決電力結(jié)構(gòu)性過(guò)剩、促進(jìn)暖通空調(diào)的可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。

1. 工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1工作原理

在冬季，溫度低于-5℃時(shí)，空氣源熱泵的室外換熱器中制冷劑的蒸發(fā)效果變差，造成吸入壓縮機(jī)的氣體減少，制冷劑的循環(huán)流量降低，使得熱泵的制熱效果不理想。噴氣增焓系統(tǒng)是現(xiàn)階段低溫空氣源熱泵運(yùn)用較廣的一種技術(shù)方案，通過(guò)在傳統(tǒng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)里增加一個(gè)經(jīng)濟(jì)器回路，以此來(lái)提高制冷量和制熱量，同時(shí)提升整個(gè)熱泵系統(tǒng)的COP。實(shí)際工程中，帶有噴氣增焓系統(tǒng)的渦旋壓縮機(jī)，除常規(guī)的排氣口及吸氣口外，還增加了額外的蒸氣噴射口。熱泵機(jī)組工作過(guò)程中，制冷劑經(jīng)冷凝器冷凝后，除主循環(huán)路線外還設(shè)置有噴射回路，其中的制冷劑經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)橹袎簹?、液混合物，在?jīng)濟(jì)器內(nèi)與主回路中的制冷劑發(fā)生熱交換。隨后，這部分氣液混合物吸熱后形成制冷劑蒸氣，通過(guò)蒸氣噴射口噴射到渦旋盤的中間腔，以增加制冷劑流量，從而解決了由于低溫下制冷劑循環(huán)流量不足而導(dǎo)致的制冷制熱量下降的問(wèn)題，同時(shí)還可防止由于壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高引起的失效模式的發(fā)生[1]。

1.2技術(shù)特點(diǎn)

低溫空氣源熱泵系統(tǒng)作為新型環(huán)?？照{(diào)，存在著以下技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

1.2.1減少輔助電加熱器的使用

藏區(qū)長(zhǎng)久以來(lái)多采用傳統(tǒng)的采暖方式，如燃煤，燃油采暖，不能很好地適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求。但由于空氣源熱泵的工作特性，工程設(shè)計(jì)中常常需要增設(shè)輔助電加熱器來(lái)解決低溫環(huán)境下制熱量不足的問(wèn)題，其往往加在室內(nèi)水路或室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口前，這種方式不僅會(huì)增加初投資，還會(huì)使房間空調(diào)器吹出的熱風(fēng)較為干燥、舒適感差。同時(shí)，由于冬季供暖不保證時(shí)間持續(xù)時(shí)間很短，備用熱源諸如輔助電加熱或者鍋爐房的存在對(duì)于建筑面積的使用而言十分不合理。而低溫空氣源熱泵能夠在-10℃～-30℃的大氣環(huán)境中長(zhǎng)期高效、安全的運(yùn)行，可以省去后備熱源，這樣從初投資費(fèi)用來(lái)看具有極大優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 COP值提升

使用噴氣增焓技術(shù)后，系統(tǒng)制冷劑的循環(huán)流量增加。經(jīng)劉強(qiáng)[2]等研究人員測(cè)試，在蒸發(fā)溫度為-13℃，冷凝溫度為49℃，吸氣過(guò)熱11℃的運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)用噴氣增焓技術(shù)，對(duì)于R22制冷劑，制熱量提高19%，COP提高9%，排氣溫度降低12%;對(duì)于R134a制冷劑，制熱量提高約24%，COP提高約16%，排氣溫度降低8%。整個(gè)機(jī)組可穩(wěn)定、高效地運(yùn)行在低溫環(huán)境中。

2.復(fù)合系統(tǒng)在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用

2.1工程概況

某醫(yī)院建筑位于西藏自治區(qū)，有著典型的高原寒冷地區(qū)氣候，根據(jù)建筑熱工氣候分區(qū)，該建筑處于寒冷地區(qū)。該醫(yī)院總建筑面積為33282.7m2，其中地上30516.02m2，地下2766.68m2，建筑共分為七層，高度達(dá)30.9m。

該工程由一棟七層門急診住院綜合樓、一棟三層辦公及倒班樓、一棟二層傳染病樓、一棟單層洗衣房及食堂、一棟單層制氧站及高壓氧艙和一棟單層污水處理站及垃圾暫存間組成。根據(jù)建筑使用功能、時(shí)間和空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)以及各空調(diào)區(qū)域的位置分布，該建筑門診、急診、住院樓及傳染病樓分別設(shè)置了集中空調(diào)系統(tǒng)。門診部分及其他大空間公共區(qū)域空調(diào)面積約為8567m2，空調(diào)熱負(fù)荷為556.8kW，熱指標(biāo)為65W/m2;急診區(qū)及各住院病房空調(diào)面積約為10209m2，空調(diào)熱負(fù)荷達(dá)860.8kW，熱指標(biāo)為85W/m2;傳染病樓空調(diào)面積1245m2，空調(diào)熱負(fù)荷208.4kW，熱指標(biāo)略高，為167W/m2。

2.2 熱源方案

按照該地區(qū)的氣候特點(diǎn)，本建筑只設(shè)計(jì)冬季供熱中央空調(diào)系統(tǒng)，由于該地區(qū)既無(wú)天然氣，也不能采用燃油、燃煤供熱，只能采用電能作為空調(diào)熱源，最終選定采用大型空氣源熱泵機(jī)組作為中央空調(diào)的主要熱源。

考慮到西藏地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源，擁有優(yōu)秀的環(huán)保效益和節(jié)能效益，可使用太陽(yáng)能作為低溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的輔助熱源。由于低溫時(shí)空氣源熱泵的制熱量會(huì)降低，且此時(shí)太陽(yáng)輻射也較低，因此需要安裝蓄熱水箱來(lái)儲(chǔ)存熱量?？諝庠礋岜?太陽(yáng)能集熱器輔助熱源系統(tǒng)如圖2所示。

由于平板型太陽(yáng)能集熱器運(yùn)用最為普遍，且運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受熱面積大，是作為輔助熱源的最佳類型之一，因此本系統(tǒng)中選用該類型。

由于項(xiàng)目坐落地區(qū)無(wú)天然氣，也無(wú)法采用燃煤、燃油鍋爐，考慮使用電加熱設(shè)備作為另一種形式的輔助熱源。電加熱設(shè)備具有易操作和控制，便于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，且高原地區(qū)的電力供應(yīng)主要是靠水力以及地?zé)岚l(fā)電，因此也可納入可再生能源范疇，屬于環(huán)保、優(yōu)質(zhì)的輔助熱源類型。

為對(duì)比不同的冷熱源配置方案的優(yōu)劣及合理性，本文采用單低溫空氣源熱泵供暖、低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源以及低溫空氣源熱泵+電加熱設(shè)備3種熱源方案進(jìn)行對(duì)比分析。為盡可能降低其他因素影響，其中主要熱源均是同廠家同型號(hào)的低溫空氣源熱泵機(jī)組。具體方案設(shè)置如表1所示。

其中各方案熱源數(shù)量設(shè)置方法如下：

以該醫(yī)院建筑為例，該地區(qū)日平均溫度基本在-5℃～10℃之間。在進(jìn)行低溫空氣源熱泵選取時(shí)，其額定制熱量是在環(huán)境溫度為7℃測(cè)得，因此在該建筑的設(shè)計(jì)工況下需對(duì)其制熱量按樣本給出方法進(jìn)行修正。

如傳染病樓冬季空調(diào)依據(jù)計(jì)算熱負(fù)荷208.4kw，進(jìn)行融霜修正后熱源選用3臺(tái)額定制熱量為68kW的低溫空氣源熱泵。但當(dāng)室外溫度達(dá)到-8℃時(shí)，根據(jù)該型號(hào)熱泵的變工況性能，其制熱量降低為53.5kW，此時(shí)的熱泵實(shí)際制熱量低于建筑熱負(fù)荷，表明熱泵機(jī)組不足以完全提供建筑所需熱量，需輔助熱源進(jìn)行共同制熱。

因此，以最低溫度、以最不利情況確定低溫空氣源熱泵制熱量，其余建筑所需熱量則全部由輔助熱源提供。以此種計(jì)算方法可得出各方案中主熱源與輔助熱源分別要提供的制熱量。具體數(shù)值將在2.3節(jié)中給出。

2.3 方案各項(xiàng)效益對(duì)比分析

2.3.1節(jié)能效益分析

該醫(yī)院建筑所在地區(qū)供暖時(shí)間為11月1日～3月20日，且醫(yī)院建筑工作時(shí)間為全天24小時(shí)。通過(guò)上述方法對(duì)該醫(yī)院建筑整個(gè)供暖季進(jìn)行計(jì)算分析，得到各個(gè)方案的供暖數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖2可以看出，方案2，即低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源供暖系統(tǒng)的PER和HSPF都是最高的，其中PER比方案1高出62.7%，比方案3高出53.7%;HSPF比方案1高出40.5%，比方案3高出54.2%。

綜合來(lái)看，方案2的節(jié)能效益最好，能源利用率最高;方案1由于單一空氣源熱泵在低溫下制熱量會(huì)降低，導(dǎo)致其PER最低，而方案3由于采用電加熱系統(tǒng)作為輔助熱源，HSPF最低，節(jié)能效益低。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

費(fèi)用年值是衡量投資經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)，將各方案整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)的資金情況都納入考慮，以某一收益率為基礎(chǔ)，將初投資的資金值分?jǐn)偟秸麄€(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的年運(yùn)行費(fèi)用里。它考慮了方案的初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用等，總費(fèi)用最小的方案則為最優(yōu)[3]。

由圖3可以看出，以15年為使用年限的情況下，采用電加熱設(shè)備作為輔助熱源的方案3費(fèi)用年值明顯高于其他方案，經(jīng)濟(jì)性最差;方案2，即采用低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源，雖然初投資較高，但是運(yùn)行費(fèi)用明顯低于其他方案，因此其費(fèi)用年值也最低，較方案1和方案3分別節(jié)約17.0%和27.5%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。另外，不采用任何輔助熱源，僅使用低溫空氣源熱泵的方案1初投資費(fèi)用最低，在建筑使用年限較短的前提下也可以考慮采用該方案。

2.3.3環(huán)保效益分析

按照產(chǎn)生1MWh電能消耗310kg標(biāo)準(zhǔn)煤，1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.47kg二氧化碳、0.02kg二氧化硫、0.01kg粉塵及0.04kg氮氧化物進(jìn)行計(jì)算，各個(gè)方案在供暖季的主要環(huán)保參數(shù)對(duì)比如表6所示：

由表6可以看出，方案2的折算標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量最少，其排放的各種有害其他氣體和粉塵也較方案1和方案3同比減少21.6%和32.6%，可見其節(jié)能效益突出。

3.結(jié)論

對(duì)西藏自治區(qū)某醫(yī)院建筑的三種熱源方案，即單一低溫空氣源熱泵供暖、低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源供暖及低溫空氣源熱泵+電加熱輔助供暖進(jìn)行分析，對(duì)比了三個(gè)方案的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)型和環(huán)保性，得到如下結(jié)論：

3.1不采用任何輔助熱源，僅使用低溫空氣源熱泵的初投資費(fèi)用最低，運(yùn)行費(fèi)用適中，在項(xiàng)目使用年限較短時(shí)，可以考慮采用該方案。

3.2從節(jié)能性來(lái)看，低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源的節(jié)能效益最好，能源利用率最高。其一次能源利用率PER比方案1高出62.7%，比方案3高出53.7%;供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF比方案1高出40.5%，比方案3高出54.2%。

3.3從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，以15年為使用年限的情況下，采用電加熱設(shè)備作為輔助熱源經(jīng)濟(jì)性最差;低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源，雖然初投資較高，但是運(yùn)行費(fèi)用明顯低于其他方案，因此其費(fèi)用年值也最低，較方案1和方案3分別節(jié)約17.0%和27.5%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4從環(huán)保性來(lái)看，低溫空氣源熱泵+太陽(yáng)能輔助熱源與其他方案相比節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量高達(dá)32.6%，同比例減少有害氣體排放量，環(huán)境效益突出。

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（作者單位：1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，2.重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

【中圖分類號(hào)】TU833.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）01-0064-04