利辛縣人民醫院新區中央空調系統設計分析

張抗，楊孝鵬，張勇合肥工業大學建筑設計研究院

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利辛縣人民醫院新區中央空調系統設計分析

張抗，楊孝鵬，張勇
合肥工業大學建筑設計研究院

摘要：中央空調系統能耗約占建筑能耗的40％，為節約能源以及合理的利用能源，本文對利辛縣人民醫院新區中央空調系統設計、應用進行分析。將空調系統逐時冷負荷的綜合最大值作為空調系統設備裝機容量的選型依據，降低了系統的裝機容量，系統采用地下水地源熱泵空調系統，地下水潛水泵采用大溫差變頻控制，末端循環水采用二級泵系統，降低了水泵輸送能耗。

關鍵詞：中央空調；地下水地源熱泵；二級泵系統；節能

1　項目概述

安徽省利辛縣人民醫院新區位于該縣城工業園新區淝河大道中段和文州大道交叉處，是一所集醫療、教學、科研、康復、保健、預防和急救為一體的二級甲等綜合性醫院。項目占地面積115.3畝，總建筑面積97584m2，可提供床位1300張，新區分兩期建設，一期建筑面積64618m2，其中2#病房樓建筑面積20133m2；門診樓及醫療街建筑面積17070m2；醫技樓建筑面積19067m2；急診及行政樓建筑面積8348m2，根據業主要求并考慮初期建設投資及市政設施未來的發展，空調冷、熱負荷用量僅考慮一期工程建設的需要，二期工程空調冷、熱源單獨建設。

2　能源利用分析

本工程設計時其周邊的基礎設施、能源供應條件均不完善，沒有燃氣管網、熱力管網及其它可利用的能源，項目周邊僅有一路10KV高壓電源可接入，空調的用能形式非常單一，空調冷、熱源只能采用電能解決。

工程設計前期，考慮到安徽省采用蓄冷、蓄熱技術的優惠電價與商業電價比約為1:4，其經濟性較直接采用電制冷機要好，最主要是能解決冬季的供熱問題，空調設計采用冰蓄冷和電蓄熱的冷、熱源形式，但在實施過程中，因安徽省電力公司要求按空調設計日計算負荷的60％蓄能，其蓄冷、蓄熱設備用房面積太大，設備初投資回收期較長，經技術經濟比較不采用蓄冷、蓄熱技術。另外，項目所在地地處淮河流域，冬季溫度較低且濕度較大，采用風冷熱泵機組，冬季效果較差，室內溫度波動較大，不利于病人的康復。結合當地的地下水資源較為豐富條件，并考慮安全、可靠、合理利用地下水資源，設計前，建議業主對地下水資源的開采利用進行分析論證，并提供相關的測試參數。經水資源論證分析，地下水水質、水量和水溫均能滿足工程設計要求，并能保證開采利用的地下水100％同層回灌且不受污染，確定采用地下水地源熱泵系統來解決。

地下水地源熱泵系統的技術應用符合國家相關節能減排政策，也符合安徽省地方有關的規定和要求，是安徽省可再生能源應用推廣的適宜性技術之一，此技術的利用，既解決本工程供冷、供熱需求，也達到了節能減排的目的。

3　技術特色

3.1合理計算空調負荷及設備裝機容量，降低運行能耗和建設費用

本工程各單體空調冷、熱負荷設計計算值分別為：2#病房樓冷負荷2011kW，熱負荷1387kW；門診樓及醫療街樓冷負荷1544kW，熱負荷938kW；醫技樓冷負荷1890kW，熱負荷1292kW；急診及行政樓冷負荷1442kW，熱負荷965kW；空調系統總計算冷負荷6887kW，計算熱負荷4582kW。通過對各單體建筑空調逐時冷負荷表的分析計算，確定空調系統逐時冷負荷的綜合最大值為6354kW，并作為空調系統設備裝機容量的選型依據，降低了空調主機設備、空調循環水泵、潛水泵等設備的裝機容量，減少了設備的運行能耗和輸送能耗，也降低了設備和管網的建設費用。

不同單體逐時冷負荷見以下圖表，其中2#病房樓和急診具有夜間冷負荷：

表1　2#病房樓逐時冷負荷表

表2　門診樓及醫療街逐時冷負荷表

表3　醫技樓逐時冷負荷表

表4　急診及行政樓逐時冷負荷表

表5　綜合逐時總冷負荷表

3.2合理利用地下水地源熱泵系統，降低空調系統的運行費用，達到節能減排目的

根據水資源論證報告（由業主委托相關資質單位編制），項目所在地的地下水資源較為豐富，潛水單井出水量可達500-1000m3/d，承壓水單井出水量為1000-3000m3/d，屬地下水資源較發達地區，地下水溫度18-21℃，水質滿足水源熱泵機組直接使用條件，開采和利用的價值較高。

根據水資源論證報告建議，結合本工程空調設計負荷特點，以夏季空調系統逐時冷負荷的綜合最大值作為計算熱源井（井數量、井總流量等參數）的依據，設計井深約150m左右，夏季制冷時取地下水溫差為14℃，系統最大需水量為490m3/h，冬季供暖時取地下水溫差為12℃，系統最大需水量為412m3/h，單井出水量按70m3/h計，單井真空回灌量按30m3/h計，共設計8口開采井（7用1備）和20口回灌井數（18用2備），為避免取水井與回灌井串通，并保證有效的取水和回灌，結合場地條件，按井間最小距離25m設計水井位置。本工程抽水目的層是第四系更新統承壓水含水層，同層回灌。

根據系統性能檢測報告（由業主委托安徽省產品質量監督檢驗研究院編制），本工程夏季制冷系統能效比為3.82，冬季制熱系統能效比為3.31，均遠高于《可再生能源建筑應用工程評價標準》[1]中的制冷系統能效比3.10和制熱系統能效比2.50的規定值，達到較高的節能效果，實現了減排目的。

3.3合理的空調水系統設計，降低空調循環水泵和潛水泵的運行能耗

本制冷制熱機組主要為2#病房樓、門診樓及醫療街、醫技樓冷和辦公科研樓等4個單體建筑提供空調冷、熱源，制冷（熱）機房距空調水系統最不利點管線總長度約900米，經水力計算，一次側水系統阻力約12m,二次側最不利環路水系統阻力約20m，二次側最小阻力環路水系統阻力約17m，通過計算分析，一次側與二次側空調水系統阻力存在較大差異，二次側不同空調水系統各環路間阻力基本相同，采用二級泵系統設計具有較好的節能效果，考慮到各環路阻力基本相同，二級泵采用集中合用水泵以滿足系統的流量變化，二次泵臺數根據單臺水泵滿足夜間負荷流量設置（主要為病房樓和急診部分）。地下水井側夏季采用14℃和冬季采用12℃的大溫差設計，減小地下水的設計流量，有利于取水、回灌和水資源保護，潛水泵采用變頻（溫差）控制，降低了水泵輸送能耗和管網建設費用。

3.4運行策略

為保證空調二級泵系統的高效節能運行，必須要解決好主機、一級泵和二級泵間的啟停變化和運行策略，應進行合理的系統控制設計。根據設計要求，本工程的空調水系統供回水管路上設置了溫度、壓力、流量、流量開關、壓差控制等監測儀表和傳感設施，通過采集數據并分析計算可實現空調系統的高效節能運行。

本工程主機和一級泵采用負荷控制法進行臺數控制，根據供回水干管的溫度傳感器和回水干管上的流量傳感器的數據訊號，得出即時冷（熱）量值與設定值比較，以啟停冷（熱）水主機和對應的一級泵。二級泵采用壓差變頻空制，用戶負荷側變化時，根據供回水干管上設置的壓差傳感器調整二級變頻泵的運行頻率，得到與負荷匹配的流量與揚程，并根據供水干管上的流量傳感器的數據訊號調整二級變頻泵的運行臺數，得到與負荷匹配的流量與揚程。地下水潛水泵采用溫差變頻控制，負荷變化時，根據供回水干管上設置的溫度傳感器調整潛水變頻泵的運行頻率，得到與負荷匹配的流量與揚程，同時，為保證主機所需的最小流量值，設定潛水變頻泵的最小運轉頻率，并根據供水干管上的流量開關與主機聯鎖控制以保證主機所需的最小流量。

4　綜合效益

項目一期工程建成投入使用后，已實現年門急診量約50余萬人次，出院病人5.6萬人次，完成各類手術約1.2萬臺，為該縣及附近縣區的病人提供了較好的醫療條件和健康保障。根據安徽省產品質量監督檢驗研究院（安徽省可再生能源能效測評機構）出具的能效測評報告，可實現二氧化碳減排量達2416.74噸/年，二氧化流減排量達19.57噸/年，煙塵減排量達9.78噸/年，全年常規能源替代量達978.44噸標煤，年節約費用141.5萬元，取得了很好的經濟、社會和環境效益。同時，該項目被評為安徽省可再生能源應用示范項目，并獲得400萬元國家專項節能補助資金。

參考文獻：

[1]《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）.北京：中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2012，12.

CENTRAL AIR-CONDITIONGING SYSTEM DESIGNING ANALYSIS OF LIXIN COUNTY PEOPLE’S HOSPITAL

ZHANG Kang,YANG Xiao-peng,ZHANG Yong
HFUT Institute of Architectural Design

Abstract:Central air-conditioning system energy consumption accounts for about 40％of building energy consumption,to save ener-gy and rational use of energy,this paper analyzes the design and appli-cation of central air-conditioning system of Lixin County People's hospital.Will hourly air conditioning system cooling load of the com-posite maximum as the equipment in air conditioning system installed the basis for the selection of installed capacity,reduce the installed ca-pacity of the system,the system uses the groundwater source heat pump air conditioning system,groundwater submersible pump with frequency conversion control,large temperature difference,at the end of the circulating water using a secondary pump system,reduce the pump conveying energy consumption.

Keywords:central air- conditioning；groundwater heat pump；Two stage pump system；energy conservation