太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組在醫(yī)院建筑的應(yīng)用分析

蒙捍生

摘要：以廣西欽州某醫(yī)院的太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計為例，通過對該醫(yī)院熱水系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計計算，將太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組的綜合應(yīng)用與醫(yī)院供應(yīng)衛(wèi)生熱水的其它方式進(jìn)行比較分析，指出太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組的綜合應(yīng)用更能夠充分發(fā)揮清潔能源的優(yōu)勢，實現(xiàn)穩(wěn)定的衛(wèi)生熱水供應(yīng)，節(jié)約建筑能源消耗。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水系統(tǒng)；風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組；綠色醫(yī)院；節(jié)能

0 前言

我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展和醫(yī)療改革的推進(jìn)，使得醫(yī)院的建設(shè)得到了前所未有的發(fā)展，醫(yī)院作為衛(wèi)生熱水使用的耗能大戶之一，其能耗比例占整個建筑能耗的20%以上，太陽能以其可持續(xù)性、清潔性、經(jīng)濟(jì)性等特點，使得太陽能熱水系統(tǒng)在醫(yī)院建筑應(yīng)用取得較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，下面以廣西欽州某醫(yī)院大樓的太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計為例，就太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組在醫(yī)院建筑的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 工程概況

本項目由綜合大樓、愛心護(hù)理院樓、感染性疾病治療樓及后勤服務(wù)樓組成，總用地面積為59096.79m2，項目總建筑面積為144272m2，住院病床總規(guī)模600張，門診量5000人次/日，項目建成后達(dá)到國家綠色建筑二星級標(biāo)準(zhǔn)。其中綜合大樓的病房、門診及安心護(hù)理院的病房均全天供應(yīng)熱水。熱水設(shè)計采用太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵機(jī)熱水組聯(lián)合供應(yīng)。

2 熱水系統(tǒng)參數(shù)的確定

2.1 項目所在地域氣候情況

欽州位于廣西南部沿海，地處北部灣頂端，年平均氣溫21.5～22℃，日平均氣溫基本穩(wěn)定在10℃以上。7月最熱，歷年月平均氣溫27.9～28.3℃；1月最冷，歷年月平均氣溫12.8～13.5℃。年總?cè)照?612至1768h，年平均日輻照量為14.393MJ/（㎡.d）。

2.2設(shè)計日用熱水量

衛(wèi)生熱水計算供水溫度不小于50℃。冷水計算溫度選15℃（《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》表5.1.4規(guī)定，廣西的冷水計算溫度為10-15℃），熱水出水溫度設(shè)計為60℃。

熱水供應(yīng)范圍：綜合大樓1～5層門診、6層手術(shù)室、7～18層病房及醫(yī)務(wù)人員；愛心護(hù)理院3～22層病房及醫(yī)務(wù)人員。

2.3熱水系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）太陽能集熱器和風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組選用屬節(jié)能、環(huán)保、安全型產(chǎn)品，太陽能集熱器利用太陽能產(chǎn)生生活熱水，無需消耗能源；陰雨天和冬季采用風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組產(chǎn)生生活熱水，其能效比最高可達(dá)4.5，其用電量極少，其總體經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。兩者組合進(jìn)行衛(wèi)生熱水的供應(yīng)，保證了全天候的穩(wěn)定工作。

（2）系統(tǒng)設(shè)計時考慮安全性、可靠性、先進(jìn)性等特點，使系統(tǒng)達(dá)到最佳使用效果，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能、運行管理節(jié)能，減少電能消耗，達(dá)到節(jié)能減耗的目的，為醫(yī)院全天24小時提供舒適的生活熱水。

3太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計及原理

3.1太陽能及風(fēng)冷熱泵機(jī)組選型設(shè)計

3.1.1太陽能集熱器配置

直接式太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積根據(jù)用戶的每日用水量和用水溫度，依據(jù)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50364-2005，太陽能面積按下式計算：

AC=Qw·Cw·（tend-ti）·f·ρ/JT·ηcd·（1-ηL）

式中：AC—直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；Qw—日均用水量，172 m3/日；Cw—水的定壓比熱容，4.18kJ /（kg·℃）；tend—貯熱水箱內(nèi)水的設(shè)計溫度，60℃；ti—水的初始溫度，15℃；JT—南朝向，傾角為欽州當(dāng)?shù)鼐暥鹊钠矫嫔夏昶骄仗栞椪樟浚?4393kJ/m2；f—太陽能保證率，%；綜合系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻照、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、欽州各月平均日照時數(shù)和日照百分率等因素考慮，取0.47；ρ—水的密度，取1000kg/m3；ηcd—太陽能集熱器年平均集熱效率，根據(jù)集熱器熱效率曲線及機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)效能，取0.635；ηL—管路及貯水箱的熱損失率，經(jīng)驗值取0.15～0.25，取0.2；

代入數(shù)據(jù)計算，所需集熱器面積為：Ac=2080m2；

3.1.2風(fēng)冷熱泵機(jī)組選型設(shè)計

（1）工作條件設(shè)定：年平均溫度：環(huán)境溫度15℃，進(jìn)水溫度15℃；

（2）全天用水量172 m3；

（3）衛(wèi)生熱水全天耗熱量

考慮到陰雨天氣冬季條件下，太陽能集熱器基本不產(chǎn)生熱水，因此輔助加熱系統(tǒng)必須按滿負(fù)荷用水量設(shè)計。計算公式：

Q= Qw·c（tr-tl）/860（kcal/kWh）/T

式中：Q—熱泵額定制熱量（kWh）；Qw—日均用水量，172 m3/日；c—水的比熱，取1kcal/kg·℃；tr—設(shè)計熱水溫度（60℃）；tl—自來水補水溫度（按15℃）；T—名義工況下設(shè)計運行時間（取11小時）；

熱泵額定制熱量Q=820kW。

選用風(fēng)冷熱泵機(jī)組每臺額定輸入功率16kW、制熱量68kW，共12臺。多臺設(shè)置，保證單臺熱泵機(jī)組故障時穩(wěn)定的熱水供應(yīng)。

（4）保溫水箱

由于供水系統(tǒng)為全天候24小時供熱，水箱容積應(yīng)能滿足儲熱與供熱的需求，且要結(jié)合現(xiàn)場實際分配情況三種因素確定。系統(tǒng)日均用水量為172m3，最高時用水量為25.2m3/h。一般為滿足供熱水需求，水箱容積應(yīng)為最高時用水量的3-4倍，且鑒于本項目中，考慮到樓面集熱器分為三個區(qū)域，且分布距離較遠(yuǎn)，可以采用3個35立方保溫水箱，內(nèi)膽為304不銹鋼、聚氨酯整體發(fā)泡。

3.2 太陽能及風(fēng)冷熱泵機(jī)組熱水系統(tǒng)原理

3.2.1太陽能熱水系統(tǒng)+風(fēng)冷熱泵機(jī)組原理圖，如圖1所示。

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

4 系統(tǒng)節(jié)能效益分析

4.1運行能耗的比較

在條件相同的狀況下，利用不同的熱源設(shè)備制熱水所消耗的電量、燃料及費用等詳見表2所示。

注：①以上能耗比較基于1m3溫度為10℃的水加熱至60℃所消耗的電量或燃料費用；

②電價按照0.7元/（kWh），柴油按照5.8元/kg；

③全年按照360天計，陰雨天為90天，太陽能年有效工作時間為270天。

4.2系統(tǒng)節(jié)能效益

4.2.1系統(tǒng)年節(jié)能量及節(jié)省費用

（1）太陽能熱水系統(tǒng)+風(fēng)冷熱泵機(jī)組的年節(jié)能量：

Qs=Am·JT·（1-ηL）·ηcd

式中，Qs—太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能量，MJ；AC—直接系統(tǒng)集熱器總面積，2080m2；JT—年平均日太陽輻照量，4598MJ；ηL—管路及貯水箱的熱損失率，經(jīng)驗值取0.15～0.25，取0.2；ηcd—太陽能集熱器年平均集熱效率，根據(jù)集熱器熱效率曲線及機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)效能，取0.635；

則本系統(tǒng)的節(jié)能量Qs=4858430.72MJ。

（2）壽命期內(nèi)總節(jié)省費用：

Ss=Pi（Qs·C-A·DJ）-A

式中，Ss—系統(tǒng)壽命期內(nèi)總節(jié)省費用（壽命期為15年），元；Pi—折現(xiàn)系數(shù)，9.82；Qs—太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能量，MJ；C—常規(guī)能源價格，0.2元/MJ；A—太陽能熱水系統(tǒng)總投資，385萬元；DJ—維修費用，一般為總投資的1%；

則本系統(tǒng)的節(jié)能費用Ss =5313888元。

5結(jié)束語

在醫(yī)院建筑對熱水的需求量大且要求供應(yīng)時段較為集中，然而在通常的太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)陰雨天或冬季安裝太陽能集熱器面積不能滿足熱水需求的情況，建議采用風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行補充，在確保太陽能熱水系統(tǒng)優(yōu)先運行的情況下，利用風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)行輔助運行，提高太陽能熱水系統(tǒng)的全年適用性，采用太陽能熱水系統(tǒng)與風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組共同供應(yīng)穩(wěn)定的衛(wèi)生熱水，即符合國家現(xiàn)有關(guān)于節(jié)能減排的要求，也可以節(jié)約業(yè)主的運行費用。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞衛(wèi)剛.醫(yī)院能耗評價與節(jié)能對策[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009；

[2] GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S]；

[3] GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S]；