新建醫院復合式多能源供冷供熱系統的設計

朱培根

（山東宜美科節能服務有限責任公司，山東 濟南 250000）

1 項目概況

某新建醫院為三級甲等綜合醫院，總建筑面積為11.26萬m2，包括病房樓、門診醫技樓、感染科綜合樓、職工宿舍樓、后勤綜合樓及門衛6棟建筑。醫院用熱、用冷需求包括10.33萬m2的地上建筑冬季供暖及夏季制冷、病房樓生活熱水需求，設計總冷負荷為9000kW，設計總熱負荷為8300kW，生活熱水設計日熱水用量為350t。原設計熱源為城市熱網供熱，設計冷源為冷水機組，由于醫院建筑冬季供暖具有特殊性，采用城市熱網采暖期固定，系統運行靈活性差，設計采用地埋管地源熱泵系統為建筑提供冷、熱源，病房樓生活熱水制取采用地源熱泵、太陽能、燃氣熱水鍋爐復合式多能源系統。

2 地源熱泵系統設計

2.1 地源側設計

采用TRNSYS軟件進行全年動態逐時冷熱負荷計算，夏季空調設計冷負荷為9000kW，累計冷負荷估算為1050萬kWh，冬季采暖設計熱負荷為8300kW，生活熱水調峰負荷為850kW，累計熱負荷負荷估算為825萬kWh。

建設單位提供的巖土綜合熱物性參數值：導熱系數為 1.623W/（m·K），比熱容為 1890kJ/（m3·K），巖土體初始溫度為15.6℃。按照《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366—2005）附錄B推薦算法和ASHRAE手冊推薦的簡化算法進行地埋管換熱器的設計計算。經計算，設計鉆孔長度為Lh=293847.84m，單井設計有效深度為120m，所需孔數為Nh=2449個；鉆孔孔徑為150mm，鉆孔內設置單U型地埋管換熱器，U型管公稱外徑為DN32，承壓為1.6MPa。

為了保證地源熱泵系統常年供冷、供熱運行的可靠性和經濟性，必須保證地源熱泵系統常年運行時，地下巖土的溫度基本保持不變。也就是說，夏季制冷工況向地下巖土的排熱量和冬季制熱工況從地下巖土的取熱量基本相當，每個制冷制熱循環地下巖土實現熱平衡狀態。夏季空調累計冷負荷估算為1320萬kWh，冬季采暖累計熱負荷負荷估算為1050萬kWh，排熱量大于取熱量，不平衡率約110%。根據全年模擬分析，地下巖土溫度上升速度為1.50～3.0℃/年，將導致地埋管區域的巖土體溫度逐年持續緩慢升高，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地源熱泵系統的運行效率。為解決排熱量大于吸熱量，采用增設冷卻塔的方式，保證地下熱平衡和系統的長年運行效果，冷卻塔額定流量為500t/h～1000t/h。

2.2 地源熱泵機房設計

熱泵機房設計3臺離心式水-水熱泵機組，機組單臺額定制熱量為3296kW，額定制冷量為3100kW。生活熱水采用1臺高溫地源熱泵機組，額定制熱量為850kW。生活熱水機組可承擔空調冷、熱負荷，作為備用冷、熱源，也可在負荷率極低時啟用。

（1）用戶側夏季空調設計供、回水溫度分別為7℃、12℃，冬季設計供、回水溫度分別為45℃、40℃。各系統的季節切換采用手動閥門切換。用戶側與地埋管側水泵與熱泵機組連鎖，采用臺數控制。

（2）用戶側與地源側循環水泵均采用一次泵系統，為節約系統的輸配能耗，均采用變頻水泵。由于冬、夏季設計工況流量不同，季節轉換時，按設計流量設置季節最大頻率。變流量運行時，用戶側水泵變頻的控制方式采用定壓差控制。地源側水泵變頻采用定溫差并結合最小流量的控制方式，保證機組最小流量要求。

（3）用戶側分水器與集水器之間設電動閥，當循環水流量小于單臺循環水泵變頻后的最小流量時，通過壓差旁通部分水量，以保證循環水泵的最小流量。

（4）每臺機組設置電動閥，當某臺熱泵機組不運行時，蒸發器、冷凝器入口處的電動閥門關閉，相對應的水泵也關閉。系統采用成套補水定壓裝置來定壓和補水，補水采用軟化水。

（5）為滿足地下熱平衡需要，設置閉式冷卻塔作為輔助散熱，當地埋管換熱器換熱后的溫度超過32℃，啟動冷卻塔進行輔助調節。同時，還可以通過分配生熱活水熱泵機組和鍋爐的開啟時間，以保證地下熱平衡。

（6）水力平衡措施：并聯地埋管之間采用異徑同程連接，保證同一支路各個地埋管換熱器之間水力平衡，各個支路接入分集水小室后，在分集水器各支路回水側均安裝靜態水力平衡閥，以保證各個支路之間水力平衡。各子分區由分集水器匯集入分區枝狀管網，在枝狀管網之間安裝水力平衡閥門，以保證每個大區各個分支管網間水力平衡。根據各分區水力計算，選擇地源側輸配泵，根據需要變頻調節水泵流量，確保整個地源側各個地埋管換熱器之間的水力平衡。

3 多能源生活熱水系統設計

病房樓生活熱水設計日熱水用量為350t，熱水設計供水溫度為60℃。擬采用復合式多能源系統為病房樓提供生活熱水，包括太陽能、地源熱泵熱水機組及熱水鍋爐。系統設計最高日累計24h用熱量20349kWh，考慮生活熱水箱及相應熱損失后，熱水系統最大用熱負荷為1980kW，其中地源熱泵機組可提供850kW，其余由太陽能和鍋爐系統承擔。優先采用太陽能，不足部分由地源熱泵熱水機組和熱水鍋爐補充。

3.1 太陽能系統

太陽能集熱系統采用全玻璃真空集熱管，太陽能保證率取35%時，所需集熱器面積為1405m2。集熱器安裝在門診樓、感染病房樓樓頂屋面，設置1臺140m3生活熱水箱，太陽能集熱器和水箱之間采用溫差強制循環，設置1套自控系統，實現對太陽能全天候自動控制。自控系統具備的功能包括集熱溫差強制循環控制、集熱管路防凍循環控制、高溫保護功能、生活熱水箱自動補水、水箱輔助能源的控制、低水位保護、停電保持、故障報警等。

3.2 輔助能源

生活熱水系統輔助能源包括1臺地源熱泵熱水機組和2臺燃氣熱水鍋爐。熱水機組位于熱泵機房內，制熱量為850kW；熱水鍋爐位于鍋爐房，單臺供熱量為1020kW。輔助能源與生活熱水箱之間設置板式換熱器，采用間接加熱的方式。

3.3 多能源熱水系統控制

生活熱水箱豎向按一定間隔設置6個溫度傳感器，太陽能集熱系統根據水箱下層傳感器控制集熱系統加熱，熱泵熱水機組和燃氣熱水鍋爐根據水箱中、上層傳感器溫度進行控制。

（1）當水箱中上層溫度低于設定值（如40℃）時，啟動熱泵板式換熱器兩側水泵，延時啟動生活熱水熱泵機組；達到設定值（如50℃）時，關閉生活熱水熱泵機組，延時關閉熱泵板式換熱器兩側水泵。

（2）當水箱中上層溫度低于設定值（如50℃）時，啟動鍋爐板式換熱器兩側水泵，延時啟動熱水鍋爐；達到設定值（如60℃）時，關閉熱水鍋爐，延時關閉鍋爐兩側水泵。熱水箱設置液位高低位報警。

（3）高、低區生活熱水均采用成套變頻供水裝置恒壓供水?？刂撇呗詾檎{節供水泵投入臺數和頻率，保持供水壓力維持在設定范圍（P0～P1）內。

（4）循環水泵平時開啟，電動閥VE1處于關閉狀態，當回水溫度小于設定值（如42℃）時，開啟VE1，關閉循環水泵，系統壓力下降，供水泵自動開啟。當回水溫度大于設定值（如55℃）時，電動閥VE1關閉，循環水泵開啟。

多能源生活熱水系統原理圖如圖1所示。

圖1 多能源生活熱水系統原理圖

4 節能減排效果

4.1 制冷節能效益

該項目的夏季空調設計冷負荷為9000kW，累計冷負荷估算為1050萬kWh。若采用地源熱泵系統供冷，全年供冷總耗電量約300萬kWh/年。若采用常規冷機供冷，全年供冷總耗電量約為375萬kWh/年。采用地源熱泵全年供冷可節約234.8t標煤。

4.2 供熱節能效益

冬季采暖設計熱負荷為8300kW，生活熱水調峰負荷為850kW，累計熱負荷負荷估算為825萬kWh。若采用地源熱泵系統供熱，全年供熱總耗電量約為275萬kWh/年。若采用常規區域燃氣鍋爐供熱，全年供熱總耗標煤量約為1265.6t標煤，全年供熱可節約404.8t標煤。該多能源復合系統年制冷與供熱可節約639.6t標煤/年，可以減排二氧化碳1726.8t/年，減排二氧化硫12.8t/年，減排氮氧化物25.5t/年，減排煙塵6.39t/年。

5 結束語

該項目采用地源熱泵作為制冷與供熱的主要冷熱源，生活熱水采用地源熱泵、太陽能、燃氣熱水鍋爐復合式多能源系統，是對可再生能源、清潔能源的利用，完全契合“清潔取暖”的國家發展政策，有較大的示范意義。年節約639.6t標煤/年，節約大量能源的消耗，減少污染物的排放，進而改善環境，具有較好的經濟效益和社會效益。