淺析熱管熱回收技術(shù)在醫(yī)療建筑空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陸瓊文

華東建筑設(shè)計(jì)研究院總院

1 引言

目前，公共建筑已成為工業(yè)建筑外的主要能耗載體。公共建筑能耗包括供暖、空調(diào)、生活用熱水、照明等方面內(nèi)容，其中供暖、空調(diào)約占50%以上[1]，而在各類型公共建筑中，醫(yī)院建筑能耗相對(duì)處于較高的水平。

在空調(diào)負(fù)荷中，新風(fēng)負(fù)荷占了較高的比例。在新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置能量回收裝置，使新風(fēng)與排風(fēng)進(jìn)行熱交換，將排風(fēng)所攜帶的冷/熱量傳遞給新風(fēng)，可有效地減少新風(fēng)系統(tǒng)的耗冷量/耗熱量，是降低建筑能耗的有效措施之一。《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）、《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）等規(guī)范均建議在設(shè)置集中排風(fēng)的系統(tǒng)中設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置。

2 常用的空氣-空氣能量回收裝置

在空調(diào)熱回收系統(tǒng)中，目前較常用的有轉(zhuǎn)輪式換熱器、板式換熱器、盤管換熱器和熱管換熱器。

2.1 轉(zhuǎn)輪式換熱器

轉(zhuǎn)輪熱回收分顯熱回收和全熱回收兩種方式。顯熱回收的材質(zhì)一般為鋁箔，全熱回收中的材質(zhì)為具有吸濕表面的鋁箔材料或其他蓄熱吸濕材料。轉(zhuǎn)輪作為蓄熱芯體，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中排風(fēng)與新風(fēng)逆向經(jīng)轉(zhuǎn)輪各自釋放或吸收熱量，完成全熱交換。其優(yōu)點(diǎn)是熱回收效率可達(dá)到70%～80%。轉(zhuǎn)輪式換熱器需要設(shè)置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，需日常維護(hù)。對(duì)于排風(fēng)中含有害物、有毒物質(zhì)的場(chǎng)所并不適用。

2.2 板式換熱器

板式換熱器分為平板式顯熱換熱和板翅式全熱換熱器兩種，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)傳動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)。但存在壓力損失大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，凝結(jié)水、結(jié)冰現(xiàn)象影響使用壽命等缺點(diǎn)，它一般適用于風(fēng)量較小的通風(fēng)系統(tǒng)。

2.3 盤管換熱器

盤管換熱器是一種空氣+液體的換熱器，由布置在新、排風(fēng)管道上的兩個(gè)換熱器、循環(huán)泵、膨脹箱、排氣閥和管道配件等組成。管道內(nèi)的傳熱液體采用乙二醇或水，傳熱液體將排風(fēng)中的熱量通過(guò)換熱傳遞給新風(fēng)。該系統(tǒng)布置靈活，新排風(fēng)系統(tǒng)可分開布置，新風(fēng)排風(fēng)介質(zhì)不接觸，安全可靠。但由于系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)日常維護(hù)要求較高，且需經(jīng)過(guò)兩次換熱，熱回收效率較低。

2.4 熱管換熱器

熱管由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)熱管的一端受熱后，吸液芯中的液體吸收外界熱量迅速汽化，在微小壓差下流向熱管的另一端，在向外界放出熱量后冷凝成為液體，液體借助于貼壁金屬網(wǎng)的毛細(xì)抽吸力返回到加熱段，并再次受熱汽化。如此不斷循環(huán)，熱量就從管的一端傳向另一端。熱管換熱器依靠工作液體的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱，換熱效率高且無(wú)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，且新、排風(fēng)介質(zhì)不接觸，安全可靠。

圖1 熱管結(jié)構(gòu)原理圖

由于醫(yī)院建筑排風(fēng)中含有一定量的污染物，因此公共建筑中常用的轉(zhuǎn)輪熱回收系統(tǒng)，很少在醫(yī)療建筑設(shè)計(jì)中采用。根據(jù)《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51039-2014）中的規(guī)定[2]，醫(yī)療用房的集中空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量不應(yīng)低于40 m3/h·P或2次/h換氣，其新風(fēng)量及新風(fēng)負(fù)荷占比均高于辦公、商業(yè)等一般公共建筑。因此，若采用新排風(fēng)熱回收技術(shù)，回收部分排風(fēng)能量，能在一定程度上降低新風(fēng)能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

各類換熱器之間的性能比較見(jiàn)表1。為了避免新風(fēng)與排風(fēng)之間的交叉污染，獲得較高換熱效率，且系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，醫(yī)院中采用熱管換熱器是一種較好的選擇。

本文以上海市某醫(yī)院設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)為例，分析醫(yī)院建筑中使用熱管熱回收技術(shù)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)技術(shù)性以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

3 熱管熱回收技術(shù)在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用分析

3.1 項(xiàng)目概況

表1 多種能量回收系統(tǒng)的性能比較

該醫(yī)院總建筑面積185 000 m2，包括門診、急診急救、住院、后勤綜合、感染科等功能。其中5層至22層為住院部，建筑面積約57 000 m2，床位數(shù)為1 200床。住院部設(shè)置集中新風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用熱管熱回收技術(shù)。熱回收裝置在設(shè)備層和屋面集中布置，總新風(fēng)量184 000 m3/h，總排風(fēng)量160 000 m3/h，共分為8個(gè)子系統(tǒng)，單臺(tái)熱回收型新排風(fēng)機(jī)組新風(fēng)量23 000 m3/h,排風(fēng)量20 000 m3/h。圖2為住院樓中某子系統(tǒng)的通風(fēng)原理圖。

3.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

由于熱管技術(shù)無(wú)動(dòng)力設(shè)備，液體工質(zhì)是依靠重力或者毛細(xì)管力回流至蒸發(fā)段，因此需實(shí)現(xiàn)全年熱回收的熱管熱回收器，新排風(fēng)機(jī)組應(yīng)水平布置，不可疊放。在布置機(jī)房上應(yīng)充分考慮設(shè)備占地。

熱管熱回收裝置宜設(shè)置旁通回路，當(dāng)新排風(fēng)溫度不具備熱回收條件時(shí)，可將新風(fēng)旁通送入新風(fēng)機(jī)組。

在北方寒冷地區(qū)使用熱管熱回收裝置，宜在新風(fēng)入口設(shè)置預(yù)熱段，保證進(jìn)入熱管熱回收裝置的新風(fēng)高于-10℃，避免出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。本項(xiàng)目位于上海，因此未增加預(yù)熱段。

3.3 熱管熱回收節(jié)能特性分析

在同一工況下，熱管換熱器的換熱特性受熱管排數(shù)、換熱工質(zhì)類別以及換熱管材料等的影響。根據(jù)文獻(xiàn)，熱管換熱器的效率與壓力損失如表2所示。

表2 熱管換熱器效率與壓力損失[3]

根據(jù)AHRI Standard 1060-2011[4]規(guī)定，用于空氣-空氣能量回收通風(fēng)裝置中的空氣-空氣換熱器的顯熱效率，可用下列公式計(jì)算：

圖2 住院樓中某子系統(tǒng)通風(fēng)原理圖

式中，Gs——送風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；Gmin——排風(fēng)質(zhì)量流量與送風(fēng)質(zhì)量流量的最小值，kg/s；t1——排風(fēng)入口溫度，℃；t2——新風(fēng)出口溫度，℃；t3——新風(fēng)入口溫度，℃。

當(dāng)新風(fēng)、排風(fēng)流量不變時(shí)，顯熱效率僅和介質(zhì)溫度有關(guān)。在已知新、排風(fēng)流量，新風(fēng)入口溫度（室外溫度），排風(fēng)入口溫度（室內(nèi)溫度），可以根據(jù)式（1）計(jì)算出新風(fēng)出口溫度t2，進(jìn)而根據(jù)新風(fēng)流量和新風(fēng)進(jìn)、出口溫度獲得熱回收量：

由于熱管熱回收裝置存在壓力損失，且為了保護(hù)熱管需在排風(fēng)入口側(cè)額外增設(shè)空氣過(guò)濾器，故實(shí)際收益需要扣除該部分造成的風(fēng)機(jī)電量增量：

依據(jù)上海市電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、天然氣標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合上海地區(qū)氣象資料[5]，筆者計(jì)算了全年工況熱管熱回收裝置的收益情況。計(jì)算過(guò)程中有如下假定：

1） 每年3月15日～4月14日，10月15日～11月14日為非空調(diào)季；

2） 當(dāng)新風(fēng)溫度不滿足熱回收條件時(shí)，即夏季室外溫度低于室內(nèi)溫度，冬季室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，開啟旁通；

3） 供冷工況空調(diào)系統(tǒng)綜合COP按3.0取值；

4） 供熱工況空調(diào)系統(tǒng)按燃?xì)鉄崴仩t作為熱源，鍋爐效率按93%取值，并假設(shè)熱水泵揚(yáng)程為30 m H2O。

5） 非空調(diào)季節(jié)和新風(fēng)溫度不滿足熱回收條件時(shí)，熱管熱回收裝置會(huì)增加風(fēng)機(jī)能耗，增加的運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)式（5）。冬季運(yùn)行費(fèi)用按式（6）計(jì)算，夏季運(yùn)行費(fèi)用按式（7）計(jì)算，當(dāng)熱回收節(jié)能量大于風(fēng)機(jī)能耗時(shí)運(yùn)行會(huì)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，反之增加。

其中，C——運(yùn)行費(fèi)用，元；Pe——電價(jià)，元/kWh[6]；Pg——燃?xì)鈨r(jià)，元/kWh[7]；ηb——鍋爐效率，取0.93；ηp——水泵效率，取0.80；?H——熱水泵揚(yáng)程，取30 m H2O；Gws——熱水流量，t/h，系統(tǒng)溫差取10℃；SCOP——冷水系統(tǒng)綜合制冷系數(shù)，取3.0。

根據(jù)式（5）～式（7），可以計(jì)算全年逐時(shí)室外溫度情況下的熱管運(yùn)行費(fèi)用，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，由于熱管熱回收為顯熱回收技術(shù)，新排風(fēng)溫差是主要驅(qū)動(dòng)力，夏季新排風(fēng)溫差小，熱回收裝置節(jié)能量較少，運(yùn)行收益為2 167元，僅占總節(jié)能量的3%；冬季新排風(fēng)溫差大，熱回收裝置節(jié)能量遠(yuǎn)大于夏季工況，運(yùn)行收益為68 130元，占總節(jié)能量的97%。同時(shí)，由于采用熱管熱回收需要風(fēng)機(jī)提供額外的風(fēng)機(jī)壓頭，當(dāng)新排風(fēng)溫度不具備熱回收條件或熱回收量較小的情況下，會(huì)出現(xiàn)負(fù)收益的情況，該部分的總費(fèi)用約為8 613元。

圖3 6排管工況熱管熱回收裝置全年收益/元

根據(jù)計(jì)算，6排的熱管熱回收裝置全年運(yùn)行收益為61 683元，全年共有3 758 h能實(shí)現(xiàn)新、排風(fēng)熱回收，時(shí)間占比43%。

3.4 熱管熱回收盤管排數(shù)收益分析

根據(jù)3.2節(jié)中介紹的計(jì)算方法，筆者分別計(jì)算了2排、4排、6排、8排、10排工況的全年收益情況，并計(jì)算了靜態(tài)回收周期，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 不同排數(shù)工況下熱管熱回收器全年收益與靜態(tài)回收周期

圖4 熱管排數(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

由圖4可知，隨著熱管排數(shù)的增加，年收益逐步增大，但增速與排數(shù)的增量不成正比。靜態(tài)回收周期的趨勢(shì)也驗(yàn)證了該結(jié)果。6排管工況是比較經(jīng)濟(jì)的配置方案，該項(xiàng)目最終也選取了6排的熱管熱回收器。由于熱管換熱器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，又便于清洗，其使用壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于轉(zhuǎn)輪換熱器、盤管換熱器，因此可以考慮較長(zhǎng)的回收周期，以獲得更大的節(jié)能收益。

4 結(jié)論

（1）醫(yī)院建筑通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量大，排風(fēng)中含有大量的余熱，又由于傳統(tǒng)板式和轉(zhuǎn)輪式熱回機(jī)組在醫(yī)院建筑中存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，因此醫(yī)院設(shè)計(jì)中較少采用該類型的空氣-空氣熱回收技術(shù)。熱管熱回收技術(shù)不接觸介質(zhì)，高效低阻，維護(hù)便捷，故適合在醫(yī)院建筑中應(yīng)用。

（2）顯熱回收技術(shù)，新排風(fēng)溫差是主要的驅(qū)動(dòng)力，因而供熱工況下的熱回收量會(huì)遠(yuǎn)大于供冷工況。本文通過(guò)上海某醫(yī)院的實(shí)例，計(jì)算分析了熱管熱回收裝置的全年收益情況。根據(jù)分析結(jié)果，可推斷在冬季室外溫度更低的區(qū)域，更適合采用熱管熱回收技術(shù)。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB50189-2015，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015．

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)．GB51039-2014，綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014．

[3]陸耀慶．中國(guó)建筑科學(xué)研究院.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè). [M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：2491～2509.

[4]AHRI.AHRI Standard 1060-2011 Performance rating of air-to-air heat exchangers for energy recovery ventilation equipment [S].USA: Airconditioning, Heating, and Refrigeration Institute, 2015.

[5]中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心．中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[EB/OL]．北京：中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，2005[2017-10-20] ．http://data.cma.gov.cn/.

[6]上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)網(wǎng)站 [Z]．上海：上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)，[2017-10-20]．http://www.sheitc.gov.cn/.

[7]上海燃?xì)鈁Z]．上海：上海燃?xì)猓瘓F(tuán)）有限公司， 1999 [2017-10-20]． ttp://www.shgas.com.cn/.

節(jié)能信息與動(dòng)態(tài)

黃浦區(qū)超進(jìn)度完成三季度節(jié)能降碳目標(biāo)

近年來(lái)，黃埔區(qū)節(jié)能辦聚焦“三個(gè)抓”，落實(shí)目標(biāo)責(zé)任。（1）抓責(zé)任督查。制定并下發(fā)了《黃浦區(qū)2017年節(jié)能減排工作計(jì)劃》及任務(wù)分解表等文件，將節(jié)能任務(wù)目標(biāo)分解有關(guān)部門、街道和重點(diǎn)用能單位，并建立了定期督促檢查機(jī)制。推動(dòng)重點(diǎn)用能單位完成能源利用和溫室氣體排放報(bào)告。（2）抓對(duì)標(biāo)達(dá)標(biāo)。按季度公布節(jié)能晴雨表，對(duì)區(qū)內(nèi)重點(diǎn)用能單位開展酒店、辦公、商業(yè)等分行業(yè)能耗對(duì)標(biāo)工作，對(duì)重點(diǎn)樓宇開展在線能效水平對(duì)標(biāo)達(dá)標(biāo)，推進(jìn)斯格威大酒店獲得金牌能效“領(lǐng)跑者”。（3）抓考核公示。通過(guò)會(huì)議、區(qū)節(jié)能網(wǎng)站，公布年耗能500t標(biāo)準(zhǔn)煤及以上的區(qū)重點(diǎn)用能單位名單，對(duì)重點(diǎn)建筑進(jìn)行能耗公示。考核結(jié)果通過(guò)區(qū)節(jié)能網(wǎng)站予以公布，便于社會(huì)共同監(jiān)督。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年前三季度黃浦區(qū)單位增加值能耗同比下降4.33%，能耗總量同比下降0.1%，超進(jìn)度完成三季度節(jié)能降碳目標(biāo)。