多功能熱泵冷熱水機組研究及在醫(yī)院設(shè)計中的應用探索

張 圓 郝 玲 Danny Chen

（1.中國中建設(shè)計集團有限公司醫(yī)療專業(yè)院，北京 100044；2.臺灣東元空調(diào)江西東成空調(diào)設(shè)備有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

在常規(guī)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，對生活熱水的需求有一定的特殊性，即供應時間長、需求量大。常規(guī)的設(shè)計空調(diào)冷量和生活熱水的供應分別來自2套獨立的系統(tǒng)，即獨立的空調(diào)系統(tǒng)和熱水供應系統(tǒng)。雖然熱水供應系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)相互獨立、互不干擾、便于調(diào)節(jié)，但存在的問題同樣不容忽視：

（1）空調(diào)冷凝熱即廢熱，直接排放造成很大的能源浪費?？照{(diào)冷凝熱一般為冷負荷的1.25倍左右，尤其對于大型空調(diào)系統(tǒng)，直接排入大氣的冷凝熱從數(shù)量上看相當龐大；

（2）將空調(diào)冷凝熱排放至大氣還要消耗能量，一般的水冷式能耗約占總能耗的10%；

（3）冷凝熱的直接排放造成周圍環(huán)境溫度升高。從大范圍看，是引起當前環(huán)境問題——“熱島效應”的主要因素之一，從自身小范圍看，惡化了空調(diào)機組的工作環(huán)境，降低了系統(tǒng)COP，空調(diào)耗能增加；

（4）在夏季冷凝熱直接排放的同時，人們依然有熱量的需求，不得不開著鍋爐房燒熱水，又要消耗其他的能量，使得用戶能源費用大幅度增加；

（5）在春秋的過渡季中，同樣存在著開著空調(diào)燒著鍋爐，一邊制冷一邊制熱的不合理情況。

縱觀國內(nèi)的關(guān)于冷凝熱回收的研究，筆者發(fā)現(xiàn)針對于醫(yī)院的項目空調(diào)和生活熱水系統(tǒng)合并設(shè)計的研究實驗還是比較少的，本文將從醫(yī)院空調(diào)與熱水系統(tǒng)綜合設(shè)計為熱泵熱回收加熱生活熱水的系統(tǒng)，包括了三位一體的多功能熱泵冷熱水主機工作原理研究及在醫(yī)院設(shè)計方案中的應用探索。

1 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組工作原理

1.1 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組的內(nèi)涵

什么是三位一體的多功能熱泵冷熱水機組：其是熱泵與熱回收的混合集成系統(tǒng)，功能如下：可以單獨制冷；可以同時制冷與加熱（免費余熱）；可以單獨制熱，以上完全是根據(jù)系統(tǒng)的需求和環(huán)境的情況自動切換的熱泵熱回收冷水機組系統(tǒng)。

1.2 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組的節(jié)能優(yōu)勢

為什么發(fā)展三位一體的多功能熱泵冷熱水機組：其是利用了冷凝熱回收，提升了能效系數(shù) （雙重的應用效應，即同時制冷并提供熱源，提高了電源的輸入效率），提升了冷水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)和衛(wèi)生熱水的整體效率。尤其是提升了醫(yī)院等建筑物應用能效的解決方案來適應新的綠色節(jié)能要求（不使用一次性化石類燃料）。

1.3 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組工作方式

每個多功能熱泵冷熱水機有3個熱換熱器：

主熱交換器即蒸發(fā)器（可轉(zhuǎn)換成冷凝器）→冷凍水或采暖熱水

次熱交換器或者叫熱回收器，僅供生活熱水

冷凝器（可轉(zhuǎn)換成蒸發(fā)器）→熱排放源或作為取熱源

每種操作模式中，都有2個熱交換器（主、次）被使用，第3個即冷凝器（可轉(zhuǎn)換成蒸發(fā)器）可以被旁通。

所有的工作是完全自動進行的，由冷水機的控制操作面板進行管理。

1.4 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組工作原理

多功能熱泵冷熱水機組最重要的一點在于各種模式之間的自動切換，切換的條件在于室外環(huán)境溫度與室內(nèi)使用要求之間的關(guān)系判定，從而優(yōu)化出在滿足使用要求的情況下最節(jié)能的工作狀態(tài)。如圖1所示。

2 多功能熱泵冷熱水主機在醫(yī)院設(shè)計方案中的應用

2.1 醫(yī)院空調(diào)及生活熱水的設(shè)計要求和現(xiàn)狀

由于醫(yī)院空調(diào)不僅僅是一種環(huán)境的控制，而且也是一種確保診斷、治療疾病、減少污染、降低死亡率的技術(shù)措施。除了治療部門的特殊要求外，醫(yī)院最主要的服務(wù)對象是病人。不同的病人對室內(nèi)空氣環(huán)境要求不同。最適宜的空氣溫、濕度能使病人的代謝降到最低，有利于健康恢復，這對生理調(diào)節(jié)機能降低的重病人尤為重要。

醫(yī)院能耗特點和節(jié)能措施：

醫(yī)院屬于高能耗的建筑，醫(yī)院能耗包括暖通空調(diào)、給排水、電力照明以及醫(yī)務(wù)所需的負荷等。表1為一些大型綜合醫(yī)院的科室空調(diào)負荷指標，其數(shù)值均高于一般的民用建筑。

圖1 自動切換模式系統(tǒng)工作原理示意圖

醫(yī)務(wù)所需負荷有熱水供給、餐廚供應、消毒滅菌和洗滌等。其中醫(yī)務(wù)所需的負荷為院內(nèi)最大的負荷，要占全年負荷消耗的25%～38%。過去只注意一些高壓滅菌釜、消毒器、熱管道的傳熱和泄漏等會轉(zhuǎn)化成空調(diào)負荷，現(xiàn)在大型的診療設(shè)備、新型的醫(yī)療設(shè)施（如水療康復室）、大型計算機系統(tǒng)、一些生物潔凈室系統(tǒng)的風機發(fā)熱等，都已成為不可忽視的空調(diào)負荷，大大改變了醫(yī)院建筑的空調(diào)負荷的組分及各組分的比例。

隨著我國醫(yī)院現(xiàn)代化的發(fā)展，這些空調(diào)負荷的組分及各組分的比例已逐漸接近國外，表2是國外醫(yī)院的空調(diào)負荷的組分及各組分的比例，可供參考。

表1 醫(yī)院各科室空調(diào)負荷指標

表2 醫(yī)院各房間空調(diào)設(shè)計參數(shù)

國內(nèi)醫(yī)院多以燃煤/燃氣鍋爐為熱源，醫(yī)院的蒸汽用量很大，據(jù)日本的資料介紹，鍋爐的能耗占全院能耗的70%，而電力占18%，燃氣占12%。

醫(yī)院到處是廢熱水、冷卻水、冷凝水，可利用熱泵來回收這些廢熱，進行升溫再供熱。這是一種間接利用廢熱的方法，它與廢熱中是否存在污染無關(guān)，不會引起交叉感染，很適合醫(yī)院。三位一體的多功能熱泵冷熱水機組雖然投資高一些，但回收廢熱量相當可觀。對于一些提前采暖及延遲停止采暖的部門，如果采用這種多功能冷熱水機組進行合理的冷熱量配置，節(jié)能效果將相當顯著。三位一體的多功能熱泵冷熱水機組在不同季節(jié)的工作原理如圖2～圖4所示。

2.2 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組的應用優(yōu)勢

具有很大的靈活性：可以同時或獨立地產(chǎn)生冷凍水和熱水功能適合于系統(tǒng)的需求。機組在不用短暫的切換循環(huán)方式下長時間使用可提高機組的可靠性，也是滿足目前節(jié)能環(huán)保及綠色建筑要求的一種新的方式，尤其適合于綜合醫(yī)院的管理和使用需求。比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約了大量的能源，并且在未來具有相當大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 多功能熱泵冷熱水機組與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的比較

案例模式：某醫(yī)院建筑物位于意大利米蘭，4管制系統(tǒng)提供制冷和制熱，如圖5、圖6所示。

白天操作模式：制冷范圍要求從-5 ℃（15%）～35 ℃（100%）；采暖范圍要求從-5 ℃（100%）～18 ℃（20%）；制冷/采暖負荷需求是隨著氣溫線性變化。

建筑物系統(tǒng)設(shè)計選擇方案：

方案1：選擇某型號制冷量為550 kW的風冷多功能冷熱水機組，可以提供單冷模式、同時制冷制熱的部分熱回收和全部熱回收模式、單獨供熱的采暖模式，全年不需要采暖鍋爐。

如圖7～圖9所示，當多功能冷水機組的操作模式超過18 ℃時，機組工作在單冷模式；在5～18 ℃之間，機組可同時滿足冷負荷和熱負荷需求；低于5 ℃時，機組可以同時提供冷負荷需求及一小部分熱負荷的需求，其余的熱負荷需求要求機組必須工作在制熱模式下獲得。

兩管制系統(tǒng)的應用

圖2 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組兩管制系統(tǒng)工作原理——夏季工況

圖3 三位一體的多功能熱泵冷熱水機組兩管制系統(tǒng)工作原理——冬季工況

四管制系統(tǒng)的應用

建筑物室外環(huán)境條件

圖5 當?shù)厥彝鉁囟惹€參數(shù)

建筑物的負荷參數(shù)—夏季和冬季

圖6 案例建筑負荷參數(shù)

圖7 方案1風冷多功能冷熱水機組的冷熱容量

圖8 方案1風冷多功能冷熱水機組在采暖模式及熱回收模式下的熱容量

圖9 方案1風冷多功能冷熱水機組的運行模式（綜合）

方案1（風冷多功能冷熱水機組）的能耗分析如圖10所示，結(jié)果如下：

在計算總能耗時，考慮全年利用率系數(shù)0.75。

取意大利現(xiàn)行電價：0.15 €/kW·h

總耗電量=323 458.5 kW·h/年，全年的運行費用：323 458.5×0.15=48 518.78 €/年

圖10 方案1全年能耗分析

方案2：風冷單冷冷水機+燃氣鍋爐。

選擇某型號制冷量為550 kW風冷單冷冷水機提供全年的冷負荷需求，從室外溫度35 ℃時100%冷負荷直到室外溫度-5 ℃時提供15%的冷負荷。

選擇某型號制熱量為420 kW鍋爐提供全部的熱負荷，從室外溫度-5 ℃時的100%到室外溫度18 ℃時的20%。鍋爐要求如下：冷凝鍋爐，使用天然氣，室內(nèi)安裝，鍋爐效率105%。如圖11所示。

圖11 方案2全年冷熱負荷分布圖

方案2（風冷單冷冷水機組+燃氣鍋爐）的能耗分析如圖12所示，結(jié)果如下：

在計算總能耗時，考慮全年利用率系數(shù)0.75

全年冷水機組的耗電量：260 013.5 kW·h

全年鍋爐供熱系統(tǒng)的能耗：3 867 007 kW·h

鍋爐的燃氣耗量：（3 867 007×3 600）/35 880=38 800 Nm3

意大利的電價：0.15 €/kW·h

意大利的燃氣價格：0.60 €/Nm3

總運行費用：260 013.5×0.15+38 800×0.60=62 282.03 €/年

圖12 方案2全年能耗分析

2.4 全年的運行費用比較

全年的運行費用比較如表3所示。

表3 方案1與方案2的全年運行費用比較

由表3可以看出，每年可節(jié)省運行費用高達22%。

2.5 安裝費用

以下僅為概算數(shù)值，真實數(shù)值由于實際條件的不同而產(chǎn)生較大的差異。

方案1客戶購買某型號風冷多功能冷熱水主機的設(shè)備及安裝費用：125 160.00 €

方案2總的費用：97 650.00 €

其中，普通單冷風冷冷水主機的費用：72 650.00 €

機房、輔助用房及鍋爐的費用：25 000.00 €

風冷多功能冷熱水機系統(tǒng)的設(shè)備及安裝費比傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備及安裝費多出27 500 €。由于運行費用的節(jié)省，靜態(tài)投資回收期為2年。

2.6 數(shù)據(jù)分析小結(jié)

與常規(guī)系統(tǒng)相比，多功能熱泵冷熱水機組具有明顯的節(jié)能效益，可大幅度節(jié)省全年運行費用，并且可以在4管制系統(tǒng)沒有鍋爐的情況下同時滿足冷熱負荷需求。

3 結(jié)論

冷凝熱是隨著冷負荷的變化而變化的，而冷負荷又隨著氣象參數(shù)、人員流動、地理位置以及時間等參數(shù)變化；同樣，生活用熱也受到生活習慣、年齡結(jié)構(gòu)以及天氣情況的制約，因此冷凝熱和生活用熱均顯示出很大的波動性，若要有效解決冷凝熱的回收利用問題，必須掌握兩者的日逐時變化規(guī)律。

在設(shè)計醫(yī)院過程中，應當充分了解各個區(qū)域的使用功能及需求，從冷熱負荷的分布及使用的特性上合理布局，從而達到優(yōu)化的效果。從以上分析可知，將空調(diào)供熱、制冷及生活熱水有機地結(jié)合成一個系統(tǒng)，無論是從“環(huán)保、節(jié)能”角度，還是從醫(yī)院的運營費用和使用性的角度來看，都具有很大的發(fā)展前景。這是一項既有理論價值又有重要工程實用價值的課題。

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