醫院空調系統中排風熱回收技術適用性研究

楊振曉

醫院空調系統中排風熱回收技術適用性研究

楊振曉

（宜昌市城市規劃設計研究院 宜昌 443000）

分析了醫院對于空氣品質和空調節能的要求，介紹了常用的空氣-空氣熱回收裝置的特點。以上海地區某醫院典型病房層為例對熱回收系統進行節能效益評價，得出建議采用熱回收裝置室外氣象條件范圍和具體的熱回收控制策略。

排風熱回收；空氣品質；節能；經濟性分析

0 引言

醫院空調的能耗占到總能耗的50%～70%，因此對醫院的空調系統進行節能措施是非常有必要的。新風負荷作為空調負荷的組成部分之一，一般占空調負荷的30%～50%，冬季甚至會超過60%。應用排風熱回收技術可以回收排風中的能量來預冷（熱）新風，有效減少新風負荷。熱回收系統對新風進行了預處理，減少了空調運行費用；減少了系統的最大負荷值，減少了初投資。醫院建筑與其他公共建筑相比，是一個非常特殊的場所。由于醫院中數量眾多的病人攜帶有各種病菌、病毒，特別容易造成交叉污染，對于身體虛弱的病人及長時間此環境下工作的醫護人員，良好的室內空氣環境是他們安全和健康的保證。此外，核醫學科、檢驗科、病理科等科室在治療、檢驗、實驗、組織解剖時產生一些含放射性元素、甲醛等有害氣體，這些氣體排放均需要補充大量的室外新風。醫院建筑中除了良好的氣流流向和壓力梯度控制外，需要大量新鮮、清潔的室外空氣用于稀釋有害氣體，滿足人體衛生要求。因此，醫院建筑中，新風量和排風量相對較大，這就為采用熱回收系統達到良好的節能效果提供了條件。

1 常用熱回收裝置特點分析比較

按照工作原理不同，空氣-空氣熱回收裝置可分為：轉輪式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、熱管式換熱器、中間媒體式換熱器、溶液吸收式換熱器、熱泵式熱回收裝置。按照回收熱量的性質的不同，熱回收分為全熱回收和顯熱回收。全熱回收裝置有轉輪式換熱器、板翅式換熱器、溶液吸收式換熱器、熱泵式熱回收裝置。顯熱回收裝置類型包括中間熱媒式換熱器、板式換熱器和熱管式換熱器[3]。上述各種熱回收設備各具特點，在熱回收效率、設備費用、阻力特性等方面具有不同的性能，以上設備的性能比較如表1所示。

表1 熱回收設備性能比較表

2 排風熱回收系統節能效益評價及經濟性分析

排風熱回收系統的回收效率與熱回收系統節能效益密切相關，并且有助于熱回收運行策略制定，熱回收系統節能效益的評價可明確系統運行時間及運行模式。

2.1 規范對于排風熱回收效率的規定

《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005中規定：建筑物內設有集中排風系統且符合下列條件之一時，宜設置排風熱回收裝置。排風熱回收裝置（全熱和顯熱）的額定熱回收效率不應低于60%。

（1）送風量大于或等于3000m3/h的直流式空氣調節系統，且新風和排風的溫度大于或等于8℃；

（2）設計新風量大于或等于4000m3/h的空氣調節系統，且新風與排風的溫度差別大于或等于8℃；

（3）設有獨立新風和排風的系統。

《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015中規定：設有集中排風的空調系統經技術經濟比較合理時，宜設置空氣-空氣能量回收裝置。

由以上關于熱回收裝置設置要求的變化可以看出：新版《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015中關于熱回收裝置的設置要求進行技術經濟比較計算后，才宜設置空氣-空氣能量回收裝置。

《空氣-空氣能量回收裝置》GB/T 21087-2007規定的熱回收效率值如表2所示。

表2 熱回收裝置交換效率要求

2.2 空氣-空氣能量回收系統節能效益評價方法

熱回收效率包括顯熱回收效率、潛熱回收效率、全熱回收效率。

熱交換器效率計算方法如下：

判定適合熱回收系統的運行室外空氣參數區間的依據為：COPr＞COPs[2]（為熱回收系統的性能系數，為空調供冷供熱系統性能系數）。判斷過程如下：

（1）逐時計算一定熱回收效率下不同室內外焓（溫）差下的回收熱量；

（2）計算熱回收系統增加的運行能耗（主要為克服熱回收裝置、空氣過濾器、新回風管道及豎井等設備和管路阻力的風機耗能）；

（3）計算不同室內外焓（溫）差下熱回收系統的性能系數：COPr=①÷②，式中①為逐時變化值，②可以設為定值（其中空氣過濾器阻力可以取初終阻力的平均值）；

（4）計算夏季制冷系統和冬季供熱系統的性能系數COPs（包括冷熱源及介質輸送系統），不同能源要折算。對于水冷式電制冷系統，COPs通常在2.5～5之間，通常取3.5；對于風冷式電制冷系統，COPs通常在1.5～2.5之間，通常取2；對于吸收式冷水制冷系統，COPs通常在0.75～1.1之間，通常取0.9；對于燃氣或者燃煤供熱或加濕系統，COPs通常在0.9～0.95之間，通常取0.9[2]。

（5）按照適合運行期間實際回收熱量計算全年熱回收節能收效，為實現節能優化，必須有完整的自控策略，如通過室內外焓差或者溫差來實施熱回收裝置控制、旁通閥開關控制等。

2.3 判斷計算實例

以上海地區某醫院典型病房層為例進行節能效益評價，上海市典型氣象年全年逐時氣象參數從清華大學和中國氣象局統計的中國建筑熱環境分析專用氣象數據集選取[5]。上海市商業用電平均電價為1.2元/kWh。住院部病房夏季室內狀態參數為25℃，相對濕度為60%；冬季室內狀態參數為22℃，相對濕度為40%。典型樓層新風量為4000m3/h，排風量為3600m3/h。系統全天24小時運行。熱回收裝置采用板翅式熱回收裝置，新風側壓降為200Pa，排風側壓降為200 Pa，新風機和排風機效率值均取為60%。熱回收裝置效率按照《空氣-空氣能量回收裝置》GB/T21087-2007規定的熱回收效率值選取。夏季冷源選為水冷式機組，系統綜合性能系數COP=3；冬季熱源為空氣源熱泵機組，系統綜合性能系數COP=2。

（1）當利用板翅式全熱交換器時

風機增加軸功率：

=新風+排風

=（新×新）/+（排×排）/

=（4000/3600×200）/0.60+（3600/3600×200）/0.60

=0.70kW

若采用原系統制冷，當系統綜合COP=3時，同樣能耗可以制得冷量為=0.70×3=2.1kW

回收冷量計算式為：=××（h-h）×η

則有

h=/（××η）+h

=2.1/（1.11×1.169×0.5）+55.6

=58.8kJ/kg

即在供冷季節室外焓值大于58.8kJ/kg，采用全熱交換器可以達到節能的目的；當室外焓值小于58.8kJ/kg，采用全熱交換器達不到節能的目的。

若采用原系統供暖，當系統綜合COP=2時，同樣能耗可以制得熱量為=0.7×2=1.4kW回收熱量計算式為：=××（h-h）×η

則有

h=h-/（××η）

=38.97-1.4/（1.11×1.169×0.55）

=37.01kJ/kg

即在供暖季節室外焓值小于37.01 kJ/kg，采用全熱交換器可以達到節能的目的；當室外焓值大于37.01 kJ/kg，采用全熱交換器達不到節能的目的。

（2）當利用板式顯熱交換器時

風機增加軸功率：=新風+排風

=（新×新）/+（排×排）/

=（4000/3600×200）/0.6+（3600/3600×200）/0.6

=0.7kW

若采用原系統制冷，當系統綜合COP=3時，同樣能耗可以制得冷量為=0.7×3=2.1kW

回收冷量計算式為：=××C×（t-t）×η

則有

t=/（××C×η）+t

=2.1/（1.11×1.169×1.01×0.6）+25

=27.67℃

即在供冷季節室外溫度大于27.67℃，采用顯熱交換器可以達到節能的目的；當室外溫度小于27.67℃，采用顯熱交換器達不到節能的目的。

若采用原系統供暖，當系統綜合COP=2時，同樣能耗可以制得冷量為=0.7×2=1.4kW

回收熱量計算式為：=××C×（t-t）×η

則有

t=t-/（××C×η）

=22-1.4/（1.11×1.169×0.65）

=20.34℃

即在供暖季節室外溫度小于20.34℃，采用顯熱交換器可以達到節能的目的；當室外溫度大于20.34℃，采用顯熱交換器達不到節能的目的。此時，應停止熱交換模式，開啟旁通模式。

2.4 熱回收系統經濟性分析

在確定適用的熱回收裝置類型時，一般需要進行熱回收系統經濟性分析，以便進行回收期的比較。

熱回收系統全年回收能量的計算方法一般采用以下三種：

（1）焓頻法：所謂焓頻，是根據某地全年室外空氣焓值的逐時值，計算出來一定間隔的焓區段中焓值在全年或某一期間內出現的小時數，即焓值的時間頻率。焓頻從能量角度表征了室外空氣全熱分布特性[1]。

（2）干頻法：所謂干頻，是根據某地全年室外空氣干球溫度值的逐時值，計算出來一定間隔的干球溫度區段中干球溫度值在全年或某一期間內出現的小時數，即干球溫度值的時間頻率。干頻從能量角度表征了室外空氣顯熱分布特性[1]。

（3）逐時計算法：在全年8760h不同時間中，室外新風的逐時溫度和逐時焓值均在不斷變化，因此，合理的計算熱回收能量需要計算逐時不同的溫度和焓值下新風節能量，累加起來計算出全年節能量[1]。

其中第三種方法計算結果更為準確，因而得到較多的使用。

回收周期按照以下公式進行計算：

假如是改造項目，初投資為熱交換器設備投資、材料費和安裝費用等；假如是新建項目，要考慮機組設備容量減少所帶來的初投資減少，即初投資=顯熱交換器和全熱交換器等的初投資-設備容量減少所減少的初投資。

每年節約的運行費用按照以下公式進行計算：

本案例采用逐時計算法，計算得出上海地區采用熱回收裝置經濟性分析表如表3所示。

表3 熱回收裝置經濟性分析表

2.5 小結

由以上經濟性分析可以看出：醫院建筑空調系統中采用排風熱回收系統是節能的；全熱回收系統，投資回收期短；在投資回收期結束后，采用全熱交換器和顯熱交換器系統每年將分別節約運行費用約為45624元和23912元。然而醫院建筑空調的熱回收系統因其功能房間較多而導致室內狀態參數各異，且考慮具體工程熱回收裝置效率、風機效率、設備初投資等均有所不同，因此在實際工程設計中，設計人員應根據具體工程情況，合理地選擇排風熱回收方式。

3 結論

新風處理需要的能耗在醫院總能耗中占有較高的比例，對醫院排風進行熱回收將有效的降低新風能耗。由于醫院內空氣成分比較復雜，有些區域含菌量高，有些區域含化學污染物濃度高，有些區域異味大，甚至有些區域含放射性污染物，因此，在確定熱回收方式時應區別對待。在選用熱回收裝置時，應盡量避免選用易產生排風滲透污染的轉輪式熱回收裝置，在進行熱回收系統布置時，應盡量使排風管處于負壓狀態，使新風管路處于正壓狀態，以最大限度地避免排風滲透至新風中。在此次新冠肺炎事件中，醫護人員感染與新排風的運行方式也有部分關聯。從精細化設計角度考慮下，新風熱交換類型裝置是否適用于醫院的各個應用場景，以及是否節能需要經過詳細的計算論證才能得出具體結論，不能認為一個節能技術的應用一定是好的應用。根據以上計算，得出醫院具體的熱回收控制策略如表4所示。

表4 熱回收控制策略表

[1] 王麗慧,黃晨,吳喜平.焓頻法及其在全熱回收節能潛力分析中的應用[C].上海市制冷學會2009年學術年會, 2009.

[2] 徐文華.空氣-空氣能量回收裝置的節能效益[J].暖通空調,2011,41(5):22-25.

[3] 溫新華.空氣熱回收裝置的分類和應用[J].建筑節能,2011,1(39):9-12.

[4] 柯瑩,王鑫,袁旭東.空調系統排風熱回收的生命周期成本分析[J].制冷與空調,2007,5(7):29-32.

[5] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京:中國建筑工業出版社,2005:9-19.

The Applicability Analysis of Exhaust Air Heat Recovery System in Air Conditioning System for Hospital

Yang Zhenxiao

( Yichang Urban Planing and Design Research Institute, Yichang, 443000 )

This paper analyzed the requirements of air quality and air conditioning energy saving in hospital, and introduced the characteristics of different air-to-air heat recovery equipment. According to the energy-saving benefit evaluation for the heat recovery system of hospital in Shanghai, proposed the outdoor meteorological conditions and specific heat recovery control strategies in the heat recovery system.

exhaust air heat recovery; air quality; energy-saving; economic analysis

1671-6612（2021）03-427-05

TU831.4

B

楊振曉（1987.10-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：1296798400@qq.com

2020-08-21