初探空氣源熱泵系統在某醫院的優化設計

（廈門合道設計集團有限公司，福建 廈門 361000）

初探空氣源熱泵系統在某醫院的優化設計

鄧曉芳

（廈門合道設計集團有限公司，福建 廈門 361000）

本文結合某工程實例，針對某醫院采用的空氣源熱泵系統的實際應用效果進行總結分析，根據實際的運行數據，從技術性和經濟性兩方面進行綜合研究，探討了空氣源熱泵系統在醫院建筑中的優化設計。

空氣源熱泵；性能評估；優化設計

引言

醫院建筑具有使用要求高、功能復雜、總體能耗大等特點。暖通空調系統能耗可占醫院總能耗的50%以上，單位建筑面積的暖通空調能耗是辦公建筑的1.6～2.0倍；其中空調冷熱源的能耗約占暖通空調總系統能耗的50%，降低空調冷熱源系統的能耗是空調節能的關鍵，也是醫院節能的重點，人們在這方面開展了相關的研究工作。

1 項目概況

1.1 醫院建筑能耗概況

該醫院是位于福建某三級甲等醫院。主要由病房樓、醫技樓、門急診樓、康復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生活用熱水.夏季供冷、冬季供暖的空調系統都是全天24小時運行.其單位面積的空調系統能耗較高。改造前，醫院的空調、生活熱水等的供應源于能源中心的燃油鍋爐和蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組。夏季通過燃油鍋爐產生的蒸汽提供給溴化鋰冷水機組制冷，冬季燃油鍋爐提供蒸汽，進行熱交換后，提供空調系統的供暖用熱水；全年的生活用熱水也是用燃油鍋爐產生蒸汽作為熱源。

1.2 醫院改造方案

醫院運營成本的不斷攀升，給醫院帶來很大的負擔，故而，該醫院決定針對醫院的住院病房的其中A，B，C號樓進行考察、改進。這三棟樓的建筑面積將近3萬平米，空調協同及熱水供應系統地耗能量非常大。該次調研中，分別將該三棟樓的空調及熱水供應設備進行升級，均升級為兩組空氣源熱泵機組。其中一組冬季熱運行，夏季冷運行，可給樓中人員供熱。另一組全年運行，負責給樓中用戶提供熱水。

2 空氣源熱泵系統的應用

此次改進同時滿足了醫院這三棟樓的熱水供應及夏季供冷、冬季供暖的目的，給醫院節省了大量的柴油及電力能源。以上空氣源熱泵機組中包含的兩臺設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 空調用冷熱源系統

雙螺桿壓縮機的使用，使得空氣源熱泵機組在運行時沒有那么大噪音、振動幅度小，并且具有較高的容積效率，負載大時可控制壓縮機增大輸出能量，反之則減少。殼管式熱交換機以及內螺紋外螺旋無縫紫銅管均是效率較高的，故而該系統中水側熱交換器能夠在高熱效率的條件下運行；空氣側熱交換器則是通過V型盤管樣式的設計，來提高熱量外散效率。此外，該機組采用并聯的方式布置數臺壓縮機，系統地可靠性則是通過壓縮機的冷媒回路來實現。

2.2 生活熱水用熱源系統

冬季時節，該系統能夠同時提供生活熱水及空調降溫用的冷水，生活熱水通過空調設備制熱而非電加熱的方式產生，并且能夠在-5℃～-43℃的范圍內自動切換熱水供應模式來控制供應熱水的溫度。

2.3 節能量監測系統

圖1 原水冷冷水機組供冷季耗電量

圖2 改造前后水泵及冷卻塔等設備耗電量

在改進后，該醫院采用電表計量額度控制的方式來監控改進系統的運行，如果電表中計數有異常，則能夠及時報警來提高醫院設備的安全性。

3 空氣源熱泵系統的技術性能評估

3.1 節能量、節能率的確定方法

該醫院在設備改進前后的柴油及電力能耗情況分別是由改進前后設備柴油耗油量及改進后新設備的電量計數得出。而實際情況是，該醫院并沒有實時地統計空調系統地電力消耗，在改進實施后，對鍋爐柴油用量及改進設備的電量都進行了計量。故而改進前的電力消耗可通過設備在運行時的記錄報表而分析機組及水泵等設備的額定功率、運行了多少時間、設備的負載情況計算得出，改進后除了上述方法計算水泵等沒有計量耗電情況的設備的耗電量外，還需讀取耗電計量的機組設備的耗電量。

表1 節能改造后的總節能量

圖3 節能改造后的節能率

3.2 節能量、節能率的確定

（1）改造后的鍋爐節能量

鍋爐的節能量主要體現在三個方面：空氣源熱泵機組夏季替代蒸汽型溴化鋰機組供冷。空氣源熱泵機組冬季替代鍋爐供暖；空氣源熱泵熱水機組全年替代鍋爐制取生活用熱水。節能改造前后鍋爐柴油耗量均有數據記錄，2009年柴油耗量1580t、2011年柴油量710t、其中節省柴油量870t、折合標煤量1267.677t。

改造后空氣源熱泵機組和熱泵熱水機組全年運行耗能節能改造后空氣源熱泵機組和熱泵熱回收機組安裝了電表.故可通過計量數據統計分析得到其耗能量如下：

2011年機組耗電量2996640/kWh，折合標煤量898.992t。

在設備改進前，三棟樓中A樓采用兩臺蒸汽型溴化鋰冷水機組來完成夏季制冷功能；B樓則是兩臺螺桿式水冷冷水機組來完成，C樓中只有7、8層是調研范圍，只需一臺螺桿式水冷冷水機組來完成夏季制冷的目的。三棟樓中的機組在改進前均未分項計量其耗電量，其改進前的耗電情況（如圖1所示）可以通過改進后機組的運行數據從而推斷改進前機組的負載情況，并根據機組運行時間及額定的輸入功率計算得出。其具體的耗電情況如下所示：

2011年機組耗電量617980/kWh，折合標煤量185.394t。

（2）改造前后水泵及冷卻塔等設備的耗電量（圖2）

由于節能改造前后水泵及冷卻塔等設備沒有進行獨立的分項計量，故根據改造后設備的運行時間和額定輸入功率等來計算這些設備的耗電量。改造前后水泵及冷卻塔等設備的耗電量如圖2所示。

3.3 節能指標

（1）改造后的全年總節能量

該醫院改造后全年總節能量為改造前后鍋爐節能量、改造前螺桿式水冷冷水機組加蒸汽型溴化鋰冷水機組、水泵以及冷卻塔等設備的耗能量之和減去改造后空氣源熱泵機組、空氣源熱泵熱水機組以及水泵等設備的耗能量。節能改造后全年總節能量詳見表1。

（2）節能改造后的節能率（圖3）

該節能改造項目實施后的節能率為21.6%。對比該地方標準《市級醫療機構建筑合理用能指南》DB31/T553—2012）中的三級甲等醫院的能耗指標先進值為62kgce/（m2a），合理值為81kgce/（m2a），可見采用空氣源熱泵機組和熱水機組后，該建筑的能耗介于兩者之間。

表2 節能改造后全年節省運行費用

4 系統的經濟性評估

4.1 評估方法的確定

分項計算設備的能耗值，將其與能耗單價的乘積，同改進前原設備的能耗值與能耗單價的乘積進行比較，就能得出此次改進工程的實施戰果，繼而評估該次設備改進項目的合同及工程費用的支付憑據。

4.2 全年節省的運行費用

上文中已經提到，電力及柴油是該醫院設備運行的兩大必須能源，在節能改造項目實施之后，醫院在一年中的運行費用較改進前的節省值在表2中詳細展示出來。

4.3 投資回收期的確定

項目改造的總投資約為600萬元。全年節約運行費用310.03萬元，其投資回收期約為2年。

結論

（1）醫院中住院病房采用的供冷、供熱設備在改進前、后的能耗值比較之后，得出改進后的設備能耗及運行費用結果基本正常，均在醫院可接受的范圍。不過，改進后需要全面考慮到建筑中的空調制冷、制熱及熱水供應系統的整體運行，使設備實現冷、熱平衡的運行狀態。

（2）改進后兩種機組的結合，有效的提高了季節變換期間及設備存在空閑的前提下設備運行的效率，仍具有一定的優化可發展空間。

（3）當設備溫度超過室外溫度時，空氣源熱泵熱水機組的工作效率受到很大的負面影響，此時需要面面俱到，綜合分析全年室外氣溫變動情況，并考慮到機組設備在一年之中運行的時間，分析改進后系統地技術性及經濟可行性，而不是僅憑短期的低效率就否定設備改進的可行性。

（4）另外，可以以水冷冷水機組同空氣源熱泵系統相結合的方式，來更進一步的改進，此時需要更深入的研究組合的最優化方案。

[1]朱薇,楊誠． 空氣源熱泵系統某醫院空調工程設計實例[J]．科技風, 2012 （05）．

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

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