養老院熱泵熱水系統設計的技術經濟分析

黃均兆

(貴陽建筑勘察設計有限公司， 貴州貴陽 550001)

1　工程概況

某市養老院項目為改擴建項目，設計床位共440床，其中新建1#養護樓370床，原有養護樓改造70床。房屋綜合建筑面積按44.5 m2每床的建設標準執行，其中直接用于老年人的入住服務，生活用房、衛生保健用房、康復用房、娛樂用房、社會工作用房、行政用房、地下車庫、附屬用房等所占比例不應低于總建筑面積的75 %。

老年養護樓(新建)建筑面積為：23 416 m2，鍋爐房(改造)面積為：742 m2，垃圾處理(新建)面積為：36 m2，污水處理(新建)面積為：120 m2。本項目容積率1.08，建筑密度27.66 %，停車位151輛。

本工程新建建筑層數為7層，其中地下1層，地上6層，建筑高度為22.80 m，結構形式為框架結構； 抗震設防烈度為六度。為多層公共建筑，耐火等級為一級，工程設計使用年限為50年。負一層為設備用房、地下停車庫，一層為門廳、接待室、廚房、餐廳等，二層至五層為會見聊天室、居室、護士人員值班室、開水房、備餐間、護士工作室、浴室、文印室、檔案室等；六層為人員值班室、辦公室、會議室、資料室、檔案室、多功能廳、閱覽室、庫房等。

本項目所在地氣象條件：項目所在地屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年平均降雨量1 360 mm，一月平均氣溫4.3 ℃，一月平均最高溫度7.6 ℃，一月平均最低溫度2.1 ℃，七月平均氣溫22 ℃，七月平均最高溫度26 ℃，七月平均最低溫度19.2 ℃，全年平均氣溫14 ℃，歷史最高氣溫34.3 ℃，最低氣溫-7.6 ℃，年平均相對濕度80 %，年平均風速2.4 m/s，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候溫和宜人。氣候的主要特點是涼爽、濕潤、清新、太陽輻射低。地處貴州高原苗嶺山脊線上，山谷風明顯，西南季風來自印度洋，夏季風多，無悶熱感，夏季平均風速2.5～3.0 m/s。

2　熱源選擇分析

該大樓設置集中熱水供應系統，全日供應熱水。主要熱水用水點為護理房的淋浴器、洗臉盆，一層的公共淋浴室、廚房。常用的生活熱水加熱方式有：電加熱、燃氣加熱、燃油加熱、太陽能加熱、熱泵、熱電廠余熱利用等。

2.1　電加熱器

電加熱制備熱水的優點：干凈衛生、安裝方便、能適應天氣變化，使用方便，溫度可自調；缺點：熱效率低、電能浪費大、運行費用較高，易結水垢，新型電熱水器內置了陽極鎂棒除垢裝置，解決了容易結垢的問題，但陽極鎂棒需兩年更換一次，給保養帶來麻煩。

2.2　燃氣加熱器

天然氣加熱制備熱水(天然氣鍋爐)的優點：

(1)燃氣鍋爐不需要煤灰堆放地,節省用地。

(2)節約鍋爐輔助生產用水。燃煤鍋爐和燃氣鍋爐正常生產用水相等,但燃氣鍋爐節約了燃煤鍋爐用來除塵、除渣等防塵的輔助用水。

(3)減少工作人員。燃氣鍋爐比燃煤鍋爐輔助設備少,所需工作人員少,負擔工資及福利費用就要少得多。

(4)節省鍋爐生產用電費用。燃氣鍋爐燃料輸送及其它輔助設備少,功率小,連續運行時間短,所以耗電量低,費用較省。

(5)降低勞動強度。燃煤鍋爐在煤的輸送、除渣過程中都需要高強度的體力勞動,而燃氣鍋爐工作人員勞動強度較小。

(6)燃氣鍋爐房布置靈活,占地面積少,產生的噪聲低。

(7)改善環境。燃煤鍋爐運行時產生大量煙塵,對環境造成很大污染,而天然氣為清潔能源,對環境有很大的改善。

(8)高效、環保是燃氣鍋爐的最大優點，天然氣燃燒沒有雜質，對鍋爐及相關配件沒有沒有損壞，鍋爐使用壽命長。

缺點：氣源投資大、運行成本高于燃煤。燃氣鍋爐使用是有條件限制的，只有有燃氣管道的地方才可以享用，而在不通燃氣的地方，是無法使用天然氣，另外一個缺點就是目前來說多數燃氣鍋爐對氮氧化合物的排放不可控。

2.3　燃油加熱器

燃油鍋爐的優點：優點是設備投資少。燃油燃燒迅速，而且不存在爐膛結焦問題，爐膛容積熱負荷較高，可比燃煤鍋爐高近一倍。缺點：燃油鍋爐油價高，導致使用成本高并且燃油的運輸、儲存的危險性高，易出現事故。目前油的價格過高，致使使用成本隨之上漲。

2.4　空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵熱水器是一種高效節能的制熱水設備，具有如下優點：

(1)運行附加費較小，這是因為：

①熱泵裝置不需要燃料輸送費用和保管費、排渣運輸費等；

②檢修周期較長，因鍋爐設備與高溫煙氣接觸，構件極易受損；而熱泵系統只有兩個部件運動，磨損少，平時無需任何檢修。

③管理人員與勞動強度均可減少，節省工資開支。

(2)空氣源熱泵室外安裝，土建投資低，鍋爐房需增加機房土建投資。

(3)燃煤鍋爐房產生的廢氣、廢渣對周圍環境有影響，而空氣源熱泵對周圍環境影響小。

(4)運行直接費用(電費)一般比燃煤鍋爐大，這是熱泵的主要開支。

(5)熱泵初投資費用常大于鍋爐房設備。相同容量的制熱設備比鍋爐設備為貴。

(6)熱泵擁有大于1的能效，對能量的利用遠遠優于其他方式的采暖方式。

缺點：空氣源熱泵的性能會隨室外氣候變化而變化。在我國北方室外空氣溫度低的地方，由于熱泵冬季供熱量不足，需設輔助加熱器。空氣源熱泵在寒冷地區應用的可靠性差。在低溫環境下，空氣源熱泵的能效比(EER)會急速下降。

工程所在地一月平均氣溫4.3 ℃，年平均環境溫度14 ℃，建筑氣候分區屬溫和地區，適于采用空氣源熱泵，在一月室外氣溫低于5 ℃時，啟用輔助電加熱器作為備用熱源。通過上述熱源分析，結合本工程的實際特點，本工程選擇空氣源熱泵作為熱水供應系統的加熱熱源。

3　空氣源熱泵熱水系統的設計

3.1　熱水用水量及熱量

根據相關設計規范取值(表1)：養老院熱水定額按60L/床.日計算，冷水計算溫度7℃，熱水計算溫度55℃。

表1　熱水用水量及熱量計算表

熱泵每天設計工作時間T1取14 h，可按下式計算熱泵機組設計小時平均秒供熱量:

Qg=24×k1Qd/T1

Qd=QrCρr(tr-tl)/(24×3600)

式中:Qg為熱泵機組設計小時平均秒供熱量(kW)；T1為熱泵機組設計工作時間 (h)；k1為安全系數，k1=1.05～1.10；Qd為最高日平均秒耗熱量(kW)；Qr為最高日熱水量(m3/d)；C為水的質量熱容，C=4187(J/kg·℃)；ρr為熱水密度 (kg/L)；tr為熱水設計溫度 (℃)；tl為冷水設計溫度 (℃)。

可計算熱泵機組設計小時平均秒供熱量為241 kW，考慮到產品使用地區室外計算溫度修正系數0.9和機組融霜修正系數0.9，空氣源熱泵的名義制熱量取297 kW。選用模塊化空氣源熱泵機組FM-40Q(R)型，2臺，機組總制熱量332 kW，滿足計算要求。設置電輔助加熱器輸入功率2×50 kW，在冬天氣溫低于5 ℃時啟用。

根據國家標準GB/T 21362-2008《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》：環境溫度20 ℃，進水溫度15 ℃，出水溫度55 ℃。熱泵機組制熱能力隨著冷水溫度的降低而略有增加，但是變化不明顯，隨著環境溫度的降低而顯著降低。對熱泵熱水系統的計算和機組選型應根據設置位置的最不利環境溫度校核。

3.2　熱泵熱水機組運行時間校核

本工程所在地最冷月(1月)室外平均氣溫4.3 ℃，1月進水最低溫度7 ℃，按此條件校核機組運行時間，熱泵此條件下的制熱能力為265 kW，則冬季每天運行時間為：58 t/d×1000 kg/t×4.185 kJ/(kg·℃)×(55-7)℃÷3 599.5 kJ/(kW·h) ÷265 kW=12.2 h/d，熱泵機組的設計工作時間根據用水規律、低溫熱源情況和系統經濟性等因素綜合考慮，全日供水時，不大于20 h，所以校核的機組運行時間滿足規定要求。

4　空氣源熱泵熱水系統運行成本分析

空氣源熱泵熱水系統運行成本分析主要與燃氣鍋爐、燃油鍋爐、蓄熱式電鍋爐進行比較，蓄熱式電鍋爐是以電鍋爐為熱源，在用電低谷期利用低價位的電力生產熱水，儲存在熱水箱中，在電網高峰時段關閉電鍋爐，由熱水箱供應熱水，采用低谷電價計算。

空氣源熱泵熱水機組的能效比為3.77，成本分析的其他基礎數據如下：當地商業用電電價0.95元/(kW·h)，低谷電價0.5元/(kW·h)，燃燒值3599.5 kJ/(kW·h)；輕柴油6元/kg，燃燒值43 110.6 kJ/kg，天然氣3.6元/Nm3, 燃燒值33 484 kJ/Nm3。電鍋爐熱效率0.95；燃油鍋爐熱效率0.85；燃氣鍋爐熱效率0.8。

4.1　年運行費用分析

每年所需總熱量為：134 kW /d×365 d=48 910 kW，對于不同熱源的熱水系統：燃料年需求量=年總熱量÷燃料燃燒值÷熱效率，根據燃料單價計算出不同熱源的熱水系統的年運行費(表2)。

從表2可以看出，在相同條件下，空氣源熱泵熱水機組的年運行費(這里僅指燃料費用)最低，燃油鍋爐的年運行費最高，燃油鍋爐是其2.34倍。空氣源熱泵熱水方案與常規燃料供熱水方案比較，節能效果顯著。

表2　不同熱源熱水系統年運行費計算

4.2　結論

空氣源熱泵熱水機組以空氣為低溫熱源，易受室外空氣溫度、濕度的影響，一般適用于長江流域以南地區的中小型熱水系統中。民用建筑集中熱水系統熱源的選擇必須根據工程建筑特點、當地氣候和燃料供應情況綜合考慮確定，一般情況下，空氣源熱泵熱水系統是經濟實用環保節能的優先選擇熱源，在提倡綠色建筑和可持續發展的今天，空氣源熱泵熱水機組在建筑集中熱水系統中的應用值得大力推廣。