醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)中排風(fēng)熱回收技術(shù)適用性研究

楊振曉

醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)中排風(fēng)熱回收技術(shù)適用性研究

楊振曉

（宜昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 宜昌 443000）

分析了醫(yī)院對(duì)于空氣品質(zhì)和空調(diào)節(jié)能的要求，介紹了常用的空氣-空氣熱回收裝置的特點(diǎn)。以上海地區(qū)某醫(yī)院典型病房層為例對(duì)熱回收系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能效益評(píng)價(jià)，得出建議采用熱回收裝置室外氣象條件范圍和具體的熱回收控制策略。

排風(fēng)熱回收；空氣品質(zhì)；節(jié)能；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

醫(yī)院空調(diào)的能耗占到總能耗的50%～70%，因此對(duì)醫(yī)院的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能措施是非常有必要的。新風(fēng)負(fù)荷作為空調(diào)負(fù)荷的組成部分之一，一般占空調(diào)負(fù)荷的30%～50%，冬季甚至?xí)^(guò)60%。應(yīng)用排風(fēng)熱回收技術(shù)可以回收排風(fēng)中的能量來(lái)預(yù)冷（熱）新風(fēng)，有效減少新風(fēng)負(fù)荷。熱回收系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行了預(yù)處理，減少了空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用；減少了系統(tǒng)的最大負(fù)荷值，減少了初投資。醫(yī)院建筑與其他公共建筑相比，是一個(gè)非常特殊的場(chǎng)所。由于醫(yī)院中數(shù)量眾多的病人攜帶有各種病菌、病毒，特別容易造成交叉污染，對(duì)于身體虛弱的病人及長(zhǎng)時(shí)間此環(huán)境下工作的醫(yī)護(hù)人員，良好的室內(nèi)空氣環(huán)境是他們安全和健康的保證。此外，核醫(yī)學(xué)科、檢驗(yàn)科、病理科等科室在治療、檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、組織解剖時(shí)產(chǎn)生一些含放射性元素、甲醛等有害氣體，這些氣體排放均需要補(bǔ)充大量的室外新風(fēng)。醫(yī)院建筑中除了良好的氣流流向和壓力梯度控制外，需要大量新鮮、清潔的室外空氣用于稀釋有害氣體，滿足人體衛(wèi)生要求。因此，醫(yī)院建筑中，新風(fēng)量和排風(fēng)量相對(duì)較大，這就為采用熱回收系統(tǒng)達(dá)到良好的節(jié)能效果提供了條件。

1 常用熱回收裝置特點(diǎn)分析比較

按照工作原理不同，空氣-空氣熱回收裝置可分為：轉(zhuǎn)輪式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、熱管式換熱器、中間媒體式換熱器、溶液吸收式換熱器、熱泵式熱回收裝置。按照回收熱量的性質(zhì)的不同，熱回收分為全熱回收和顯熱回收。全熱回收裝置有轉(zhuǎn)輪式換熱器、板翅式換熱器、溶液吸收式換熱器、熱泵式熱回收裝置。顯熱回收裝置類(lèi)型包括中間熱媒式換熱器、板式換熱器和熱管式換熱器[3]。上述各種熱回收設(shè)備各具特點(diǎn)，在熱回收效率、設(shè)備費(fèi)用、阻力特性等方面具有不同的性能，以上設(shè)備的性能比較如表1所示。

表1 熱回收設(shè)備性能比較表

2 排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)性分析

排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的回收效率與熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益密切相關(guān)，并且有助于熱回收運(yùn)行策略制定，熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益的評(píng)價(jià)可明確系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行模式。

2.1 規(guī)范對(duì)于排風(fēng)熱回收效率的規(guī)定

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005中規(guī)定：建筑物內(nèi)設(shè)有集中排風(fēng)系統(tǒng)且符合下列條件之一時(shí)，宜設(shè)置排風(fēng)熱回收裝置。排風(fēng)熱回收裝置（全熱和顯熱）的額定熱回收效率不應(yīng)低于60%。

（1）送風(fēng)量大于或等于3000m3/h的直流式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且新風(fēng)和排風(fēng)的溫度大于或等于8℃；

（2）設(shè)計(jì)新風(fēng)量大于或等于4000m3/h的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且新風(fēng)與排風(fēng)的溫度差別大于或等于8℃；

（3）設(shè)有獨(dú)立新風(fēng)和排風(fēng)的系統(tǒng)。

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015中規(guī)定：設(shè)有集中排風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時(shí)，宜設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置。

由以上關(guān)于熱回收裝置設(shè)置要求的變化可以看出：新版《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015中關(guān)于熱回收裝置的設(shè)置要求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較計(jì)算后，才宜設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置。

《空氣-空氣能量回收裝置》GB/T 21087-2007規(guī)定的熱回收效率值如表2所示。

表2 熱回收裝置交換效率要求

2.2 空氣-空氣能量回收系統(tǒng)節(jié)能效益評(píng)價(jià)方法

熱回收效率包括顯熱回收效率、潛熱回收效率、全熱回收效率。

熱交換器效率計(jì)算方法如下：

判定適合熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行室外空氣參數(shù)區(qū)間的依據(jù)為：COPr＞COPs[2]（為熱回收系統(tǒng)的性能系數(shù)，為空調(diào)供冷供熱系統(tǒng)性能系數(shù)）。判斷過(guò)程如下：

（1）逐時(shí)計(jì)算一定熱回收效率下不同室內(nèi)外焓（溫）差下的回收熱量；

（2）計(jì)算熱回收系統(tǒng)增加的運(yùn)行能耗（主要為克服熱回收裝置、空氣過(guò)濾器、新回風(fēng)管道及豎井等設(shè)備和管路阻力的風(fēng)機(jī)耗能）；

（3）計(jì)算不同室內(nèi)外焓（溫）差下熱回收系統(tǒng)的性能系數(shù)：COPr=①÷②，式中①為逐時(shí)變化值，②可以設(shè)為定值（其中空氣過(guò)濾器阻力可以取初終阻力的平均值）；

（4）計(jì)算夏季制冷系統(tǒng)和冬季供熱系統(tǒng)的性能系數(shù)COPs（包括冷熱源及介質(zhì)輸送系統(tǒng)），不同能源要折算。對(duì)于水冷式電制冷系統(tǒng)，COPs通常在2.5～5之間，通常取3.5；對(duì)于風(fēng)冷式電制冷系統(tǒng)，COPs通常在1.5～2.5之間，通常取2；對(duì)于吸收式冷水制冷系統(tǒng)，COPs通常在0.75～1.1之間，通常取0.9；對(duì)于燃?xì)饣蛘呷济汗峄蚣訚裣到y(tǒng)，COPs通常在0.9～0.95之間，通常取0.9[2]。

（5）按照適合運(yùn)行期間實(shí)際回收熱量計(jì)算全年熱回收節(jié)能收效，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化，必須有完整的自控策略，如通過(guò)室內(nèi)外焓差或者溫差來(lái)實(shí)施熱回收裝置控制、旁通閥開(kāi)關(guān)控制等。

2.3 判斷計(jì)算實(shí)例

以上海地區(qū)某醫(yī)院典型病房層為例進(jìn)行節(jié)能效益評(píng)價(jià)，上海市典型氣象年全年逐時(shí)氣象參數(shù)從清華大學(xué)和中國(guó)氣象局統(tǒng)計(jì)的中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集選取[5]。上海市商業(yè)用電平均電價(jià)為1.2元/kWh。住院部病房夏季室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)為25℃，相對(duì)濕度為60%；冬季室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)為22℃，相對(duì)濕度為40%。典型樓層新風(fēng)量為4000m3/h，排風(fēng)量為3600m3/h。系統(tǒng)全天24小時(shí)運(yùn)行。熱回收裝置采用板翅式熱回收裝置，新風(fēng)側(cè)壓降為200Pa，排風(fēng)側(cè)壓降為200 Pa，新風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)效率值均取為60%。熱回收裝置效率按照《空氣-空氣能量回收裝置》GB/T21087-2007規(guī)定的熱回收效率值選取。夏季冷源選為水冷式機(jī)組，系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COP=3；冬季熱源為空氣源熱泵機(jī)組，系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COP=2。

（1）當(dāng)利用板翅式全熱交換器時(shí)

風(fēng)機(jī)增加軸功率：

=新風(fēng)+排風(fēng)

=（新×新）/+（排×排）/

=（4000/3600×200）/0.60+（3600/3600×200）/0.60

=0.70kW

若采用原系統(tǒng)制冷，當(dāng)系統(tǒng)綜合COP=3時(shí)，同樣能耗可以制得冷量為=0.70×3=2.1kW

回收冷量計(jì)算式為：=××（h-h）×η

則有

h=/（××η）+h

=2.1/（1.11×1.169×0.5）+55.6

=58.8kJ/kg

即在供冷季節(jié)室外焓值大于58.8kJ/kg，采用全熱交換器可以達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)室外焓值小于58.8kJ/kg，采用全熱交換器達(dá)不到節(jié)能的目的。

若采用原系統(tǒng)供暖，當(dāng)系統(tǒng)綜合COP=2時(shí)，同樣能耗可以制得熱量為=0.7×2=1.4kW回收熱量計(jì)算式為：=××（h-h）×η

則有

h=h-/（××η）

=38.97-1.4/（1.11×1.169×0.55）

=37.01kJ/kg

即在供暖季節(jié)室外焓值小于37.01 kJ/kg，采用全熱交換器可以達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)室外焓值大于37.01 kJ/kg，采用全熱交換器達(dá)不到節(jié)能的目的。

（2）當(dāng)利用板式顯熱交換器時(shí)

風(fēng)機(jī)增加軸功率：=新風(fēng)+排風(fēng)

=（新×新）/+（排×排）/

=（4000/3600×200）/0.6+（3600/3600×200）/0.6

=0.7kW

若采用原系統(tǒng)制冷，當(dāng)系統(tǒng)綜合COP=3時(shí)，同樣能耗可以制得冷量為=0.7×3=2.1kW

回收冷量計(jì)算式為：=××C×（t-t）×η

則有

t=/（××C×η）+t

=2.1/（1.11×1.169×1.01×0.6）+25

=27.67℃

即在供冷季節(jié)室外溫度大于27.67℃，采用顯熱交換器可以達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)室外溫度小于27.67℃，采用顯熱交換器達(dá)不到節(jié)能的目的。

若采用原系統(tǒng)供暖，當(dāng)系統(tǒng)綜合COP=2時(shí)，同樣能耗可以制得冷量為=0.7×2=1.4kW

回收熱量計(jì)算式為：=××C×（t-t）×η

則有

t=t-/（××C×η）

=22-1.4/（1.11×1.169×0.65）

=20.34℃

即在供暖季節(jié)室外溫度小于20.34℃，采用顯熱交換器可以達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)室外溫度大于20.34℃，采用顯熱交換器達(dá)不到節(jié)能的目的。此時(shí)，應(yīng)停止熱交換模式，開(kāi)啟旁通模式。

2.4 熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

在確定適用的熱回收裝置類(lèi)型時(shí)，一般需要進(jìn)行熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析，以便進(jìn)行回收期的比較。

熱回收系統(tǒng)全年回收能量的計(jì)算方法一般采用以下三種：

（1）焓頻法：所謂焓頻，是根據(jù)某地全年室外空氣焓值的逐時(shí)值，計(jì)算出來(lái)一定間隔的焓區(qū)段中焓值在全年或某一期間內(nèi)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)，即焓值的時(shí)間頻率。焓頻從能量角度表征了室外空氣全熱分布特性[1]。

（2）干頻法：所謂干頻，是根據(jù)某地全年室外空氣干球溫度值的逐時(shí)值，計(jì)算出來(lái)一定間隔的干球溫度區(qū)段中干球溫度值在全年或某一期間內(nèi)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)，即干球溫度值的時(shí)間頻率。干頻從能量角度表征了室外空氣顯熱分布特性[1]。

（3）逐時(shí)計(jì)算法：在全年8760h不同時(shí)間中，室外新風(fēng)的逐時(shí)溫度和逐時(shí)焓值均在不斷變化，因此，合理的計(jì)算熱回收能量需要計(jì)算逐時(shí)不同的溫度和焓值下新風(fēng)節(jié)能量，累加起來(lái)計(jì)算出全年節(jié)能量[1]。

其中第三種方法計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，因而得到較多的使用。

回收周期按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

假如是改造項(xiàng)目，初投資為熱交換器設(shè)備投資、材料費(fèi)和安裝費(fèi)用等；假如是新建項(xiàng)目，要考慮機(jī)組設(shè)備容量減少所帶來(lái)的初投資減少，即初投資=顯熱交換器和全熱交換器等的初投資-設(shè)備容量減少所減少的初投資。

每年節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

本案例采用逐時(shí)計(jì)算法，計(jì)算得出上海地區(qū)采用熱回收裝置經(jīng)濟(jì)性分析表如表3所示。

表3 熱回收裝置經(jīng)濟(jì)性分析表

2.5 小結(jié)

由以上經(jīng)濟(jì)性分析可以看出：醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)中采用排風(fēng)熱回收系統(tǒng)是節(jié)能的；全熱回收系統(tǒng)，投資回收期短；在投資回收期結(jié)束后，采用全熱交換器和顯熱交換器系統(tǒng)每年將分別節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約為45624元和23912元。然而醫(yī)院建筑空調(diào)的熱回收系統(tǒng)因其功能房間較多而導(dǎo)致室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)各異，且考慮具體工程熱回收裝置效率、風(fēng)機(jī)效率、設(shè)備初投資等均有所不同，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體工程情況，合理地選擇排風(fēng)熱回收方式。

3 結(jié)論

新風(fēng)處理需要的能耗在醫(yī)院總能耗中占有較高的比例，對(duì)醫(yī)院排風(fēng)進(jìn)行熱回收將有效的降低新風(fēng)能耗。由于醫(yī)院內(nèi)空氣成分比較復(fù)雜，有些區(qū)域含菌量高，有些區(qū)域含化學(xué)污染物濃度高，有些區(qū)域異味大，甚至有些區(qū)域含放射性污染物，因此，在確定熱回收方式時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。在選用熱回收裝置時(shí)，應(yīng)盡量避免選用易產(chǎn)生排風(fēng)滲透污染的轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置，在進(jìn)行熱回收系統(tǒng)布置時(shí)，應(yīng)盡量使排風(fēng)管處于負(fù)壓狀態(tài)，使新風(fēng)管路處于正壓狀態(tài)，以最大限度地避免排風(fēng)滲透至新風(fēng)中。在此次新冠肺炎事件中，醫(yī)護(hù)人員感染與新排風(fēng)的運(yùn)行方式也有部分關(guān)聯(lián)。從精細(xì)化設(shè)計(jì)角度考慮下，新風(fēng)熱交換類(lèi)型裝置是否適用于醫(yī)院的各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，以及是否節(jié)能需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算論證才能得出具體結(jié)論，不能認(rèn)為一個(gè)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用一定是好的應(yīng)用。根據(jù)以上計(jì)算，得出醫(yī)院具體的熱回收控制策略如表4所示。

表4 熱回收控制策略表

[1] 王麗慧,黃晨,吳喜平.焓頻法及其在全熱回收節(jié)能潛力分析中的應(yīng)用[C].上海市制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì), 2009.

[2] 徐文華.空氣-空氣能量回收裝置的節(jié)能效益[J].暖通空調(diào),2011,41(5):22-25.

[3] 溫新華.空氣熱回收裝置的分類(lèi)和應(yīng)用[J].建筑節(jié)能,2011,1(39):9-12.

[4] 柯瑩,王鑫,袁旭東.空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收的生命周期成本分析[J].制冷與空調(diào),2007,5(7):29-32.

[5] 中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:9-19.

The Applicability Analysis of Exhaust Air Heat Recovery System in Air Conditioning System for Hospital

Yang Zhenxiao

( Yichang Urban Planing and Design Research Institute, Yichang, 443000 )

This paper analyzed the requirements of air quality and air conditioning energy saving in hospital, and introduced the characteristics of different air-to-air heat recovery equipment. According to the energy-saving benefit evaluation for the heat recovery system of hospital in Shanghai, proposed the outdoor meteorological conditions and specific heat recovery control strategies in the heat recovery system.

exhaust air heat recovery; air quality; energy-saving; economic analysis

1671-6612（2021）03-427-05

TU831.4

B

楊振曉（1987.10-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：1296798400@qq.com

2020-08-21