太陽能熱水系統和風冷熱泵熱水機組在醫院建筑的應用分析

蒙捍生

摘要：以廣西欽州某醫院的太陽能熱水系統設計為例，通過對該醫院熱水系統主要參數設計計算，將太陽能熱水系統和風冷熱泵熱水機組的綜合應用與醫院供應衛生熱水的其它方式進行比較分析，指出太陽能熱水系統和風冷熱泵熱水機組的綜合應用更能夠充分發揮清潔能源的優勢，實現穩定的衛生熱水供應，節約建筑能源消耗。

關鍵詞：太陽能熱水系統；風冷熱泵熱水機組；綠色醫院；節能

0 前言

我國國民經濟的持續穩步發展和醫療改革的推進，使得醫院的建設得到了前所未有的發展，醫院作為衛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，太陽能以其可持續性、清潔性、經濟性等特點，使得太陽能熱水系統在醫院建筑應用取得較為可觀的經濟效益和環境效益，下面以廣西欽州某醫院大樓的太陽能熱水系統設計為例，就太陽能熱水系統和風冷熱泵熱水機組在醫院建筑的應用進行探討。

1 工程概況

本項目由綜合大樓、愛心護理院樓、感染性疾病治療樓及后勤服務樓組成，總用地面積為59096.79m2，項目總建筑面積為144272m2，住院病床總規模600張，門診量5000人次/日，項目建成后達到國家綠色建筑二星級標準。其中綜合大樓的病房、門診及安心護理院的病房均全天供應熱水。熱水設計采用太陽能熱水系統和風冷熱泵機熱水組聯合供應。

2 熱水系統參數的確定

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℃。年總日照1612至1768h，年平均日輻照量為14.393MJ/（㎡.d）。

2.2設計日用熱水量

衛生熱水計算供水溫度不小于50℃。冷水計算溫度選15℃（《建筑給水排水設計規范》表5.1.4規定，廣西的冷水計算溫度為10-15℃），熱水出水溫度設計為60℃。

熱水供應范圍：綜合大樓1～5層門診、6層手術室、7～18層病房及醫務人員；愛心護理院3～22層病房及醫務人員。

2.3熱水系統設計原則

（1）太陽能集熱器和風冷熱泵熱水機組選用屬節能、環保、安全型產品，太陽能集熱器利用太陽能產生生活熱水，無需消耗能源；陰雨天和冬季采用風冷熱泵熱水機組產生生活熱水，其能效比最高可達4.5，其用電量極少，其總體經濟效益十分可觀。兩者組合進行衛生熱水的供應，保證了全天候的穩定工作。

（2）系統設計時考慮安全性、可靠性、先進性等特點，使系統達到最佳使用效果，實現系統節能、運行管理節能，減少電能消耗，達到節能減耗的目的，為醫院全天24小時提供舒適的生活熱水。

3太陽能熱水系統設計及原理

3.1太陽能及風冷熱泵機組選型設計

3.1.1太陽能集熱器配置

直接式太陽能集熱系統集熱面積根據用戶的每日用水量和用水溫度，依據《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》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—貯熱水箱內水的設計溫度，60℃；ti—水的初始溫度，15℃；JT—南朝向，傾角為欽州當地緯度的平面上年平均日太陽輻照量，14393kJ/m2；f—太陽能保證率，%；綜合系統使用期內的太陽輻照、系統經濟性、欽州各月平均日照時數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，根據集熱器熱效率曲線及機械循環系統效能，取0.635；ηL—管路及貯水箱的熱損失率，經驗值取0.15～0.25，取0.2；

代入數據計算，所需集熱器面積為：Ac=2080m2；

3.1.2風冷熱泵機組選型設計

（1）工作條件設定：年平均溫度：環境溫度15℃，進水溫度15℃；

（2）全天用水量172 m3；

（3）衛生熱水全天耗熱量

考慮到陰雨天氣冬季條件下，太陽能集熱器基本不產生熱水，因此輔助加熱系統必須按滿負荷用水量設計。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—設計熱水溫度（60℃）；tl—自來水補水溫度（按15℃）；T—名義工況下設計運行時間（取11小時）；

熱泵額定制熱量Q=820kW。

選用風冷熱泵機組每臺額定輸入功率16kW、制熱量68kW，共12臺。多臺設置，保證單臺熱泵機組故障時穩定的熱水供應。

（4）保溫水箱

由于供水系統為全天候24小時供熱，水箱容積應能滿足儲熱與供熱的需求，且要結合現場實際分配情況三種因素確定。系統日均用水量為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域，且分布距離較遠，可以采用3個35立方保溫水箱，內膽為304不銹鋼、聚氨酯整體發泡。

3.2 太陽能及風冷熱泵機組熱水系統原理

3.2.1太陽能熱水系統+風冷熱泵機組原理圖，如圖1所示。

圖1 太陽能熱水系統原理圖

4 系統節能效益分析

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系統節能效益

4.2.1系統年節能量及節省費用

（1）太陽能熱水系統+風冷熱泵機組的年節能量：

Qs=Am·JT·（1-ηL）·ηcd

式中，Qs—太陽能熱水系統的節能量，MJ；AC—直接系統集熱器總面積，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，根據集熱器熱效率曲線及機械循環系統效能，取0.635；

則本系統的節能量Qs=4858430.72MJ。

（2）壽命期內總節省費用：

Ss=Pi（Qs·C-A·DJ）-A

式中，Ss—系統壽命期內總節省費用（壽命期為15年），元；Pi—折現系數，9.82；Qs—太陽能熱水系統的節能量，MJ；C—常規能源價格，0.2元/MJ；A—太陽能熱水系統總投資，385萬元；DJ—維修費用，一般為總投資的1%；

則本系統的節能費用Ss =5313888元。

5結束語

在醫院建筑對熱水的需求量大且要求供應時段較為集中，然而在通常的太陽能熱水系統的設計過程中，經常會出現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，建議采用風冷熱泵熱水機組進行補充，在確保太陽能熱水系統優先運行的情況下，利用風冷熱泵機組進行輔助運行，提高太陽能熱水系統的全年適用性，采用太陽能熱水系統與風冷熱泵熱水機組共同供應穩定的衛生熱水，即符合國家現有關于節能減排的要求，也可以節約業主的運行費用。

參考文獻：

[1]俞衛剛.醫院能耗評價與節能對策[D].上海：同濟大學，2009；

[2] GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范[S]；

[3] GB50015-2003建筑給水排水設計規范[S]；