液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組在醫(yī)療建筑中的設計總結(jié)及經(jīng)濟性分析

山東省建筑設計研究院有限公司 趙建博 于曉明

廣州同方瑞風節(jié)能科技股份有限公司 王 聰

0 引言

近年來，隨著我國醫(yī)療事業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)療建筑越來越多，醫(yī)療建筑能耗受到越來越多的關(guān)注。在醫(yī)療建筑總能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占了很大的比例，一般為20%～40%，而空調(diào)系統(tǒng)能耗中新風能耗又占到了20%～30%。因此，空調(diào)新風系統(tǒng)采用有效的節(jié)能降耗技術(shù)對降低醫(yī)療建筑總能耗有著非常重要的意義。

新風系統(tǒng)中采用排風熱回收技術(shù)能有效降低新風系統(tǒng)負荷。液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組由于其新排風不交叉、布置靈活等優(yōu)點[1]，非常適合應用在醫(yī)療建筑中。本文對液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組(本文中所提及的液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組均為分體式)作簡要介紹，對筆者近幾年來所做的醫(yī)療建筑中液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組的設計進行總結(jié)，并以某工程為例分析其經(jīng)濟性。

1 液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組簡介

1.1 原理與流程

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組，也稱為中間熱媒式熱回收新排風空調(diào)機組，它是在新排風空調(diào)機組上分別設置水-空氣熱回收換熱器，2臺熱回收換熱器間通過液體循環(huán)泵和管道進行液體循環(huán)，將熱量傳遞給新風或者排風，從而預熱或者預冷新風。循環(huán)液體一般為水，在嚴寒和寒冷地區(qū)，為了防止結(jié)霜、結(jié)冰，宜采用乙烯乙二醇水溶液，并應根據(jù)當?shù)厥彝鉁囟鹊母叩秃鸵蚁┮叶嫉哪厅c選擇采用不同的濃度[1]。

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組流程如圖1所示。

圖1 液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組流程圖

液體循環(huán)式熱回收新風空調(diào)機組在熱回收換熱器后側(cè)(按新風方向)按照實際需求增加1臺水-空氣換熱器，可以加熱或者冷卻熱回收換熱后的新風。

1.2 分類

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組從調(diào)節(jié)上分為帶水量調(diào)節(jié)裝置和帶風量調(diào)節(jié)裝置；從新排風熱回收換熱器配套關(guān)系可以分為一對一、一對多、多對一、多對多形式[1]。

1.3 優(yōu)缺點

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組優(yōu)點如下：

1) 新風與排風通過中間液體傳遞能量，不直接接觸，不存在新排風交叉感染的風險。由于醫(yī)療建筑人員眾多且流動性強，服務對象為患者及醫(yī)護人員，既需要滿足患者康復的需要，又需要滿足長時間在醫(yī)療環(huán)境中工作的醫(yī)護人員的需要，所以對供暖空調(diào)系統(tǒng)的舒適性有更高的要求，空調(diào)通風系統(tǒng)需充分考慮空氣交叉污染問題。如果采用一般的熱回收方式，與新排風有接觸，容易產(chǎn)生交叉污染。

2) 熱回收換熱器通過管道連接，新排風空調(diào)機組為分體式，安裝靈活方便。醫(yī)療建筑中，功能和平面布局復雜，分體式安裝的液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組布置靈活，其對應的室外新排風口能有效地拉開距離，避免短路。

3) 運行穩(wěn)定可靠，使用壽命長。

4) 循環(huán)泵、熱回收換熱器均屬于常規(guī)產(chǎn)品，設備成本低，維修簡便。

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組缺點如下：

1) 新排風由于通過循環(huán)液體進行間接換熱，換熱效率較低，市場主流產(chǎn)品熱回收效率均低于65%，設備制造時通過換熱器換熱面積及過風風速的優(yōu)化可保證熱回收效率不低于55%，該設備的熱回收效率通常為55%～65%[2]。

2) 熱回收換熱器按照顯熱方式進行換熱，不能回收潛熱。

3) 由于配備循環(huán)水泵、膨脹罐、循環(huán)管路等，新排風空調(diào)設備初投資有所增加；由于配備循環(huán)水泵且2臺熱回收換熱器增加了空氣阻力，機組運行費用有所增加。

2 液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組在醫(yī)療建筑中的設計總結(jié)

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組設計中確定循環(huán)液體及合理的質(zhì)量百分比、新排風熱回收換熱器的設計選型計算、循環(huán)水泵膨脹罐的計算與選擇等常規(guī)設計可詳見相關(guān)手冊[1]和圖集，本文不再詳述。筆者主要對這幾年所做的醫(yī)療建筑工程中液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組的設備型式設計、控制系統(tǒng)設計、液體循環(huán)管路設計等進行總結(jié)。

2.1 設備型式設計

隨著市場容量的增加，目前市場上有很多專業(yè)廠家生產(chǎn)液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組，但也有廠家僅用2個簡單的新風機組來做這種設備(一個做新風，一個做排風)，只考慮風量足夠，而熱回收換熱器沒有經(jīng)過專業(yè)的設計計算選型，導致熱回收換熱面積不夠從而降低熱回收效率。因此，設計選型應參考專業(yè)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，設計師應建議建設單位從專業(yè)廠家采購產(chǎn)品。

目前市面上生產(chǎn)的液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組按照風機是否變頻分為定風量機組和變風量機組。定風量機組配合定風量末端使用，變風量機組配合變風量末端使用。在實際醫(yī)療建筑設計中，可以根據(jù)機組服務區(qū)域的特點選擇定風量或者變風量機組，從而達到更加節(jié)能的目的。

機組中的液體循環(huán)系統(tǒng)的液體循環(huán)泵、膨脹罐及相關(guān)附屬設備在設計中建議集中放置在排風機組內(nèi)，這種設計在各種管道設備較多的醫(yī)療建筑工程中有如下優(yōu)點：產(chǎn)品安裝、維修方便，在后期維修保養(yǎng)中不會發(fā)生扯皮的情況。但這樣會增大排風機組設備體積，在設計中應預留充分的設備安裝和維修空間。

2.2 控制系統(tǒng)設計

在醫(yī)療建筑工程建設中，為了避免設備招標漏項和施工中出現(xiàn)責權(quán)不明確的情況，建議設計的液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組自帶控制柜及控制系統(tǒng)，設備材料表中對相應新排風機組的控制及檢測系統(tǒng)提出詳細要求。根據(jù)具體項目特點，新風空調(diào)機組控制及檢測系統(tǒng)可以包括但不限于：風機啟停控制、運行狀態(tài)檢測及故障報警，電動風閥、防火閥連鎖啟閉控制，電動水閥啟閉控制及調(diào)節(jié)，粗效過濾器狀態(tài)檢測及堵塞信號報警，盤管防凍信號及連鎖控制，凈化裝置啟閉控制、運行狀態(tài)檢測及故障報警，進風溫度檢測、PM2.5濃度檢測，送風溫濕度檢測，加濕器啟停控制、運行狀態(tài)檢測及故障報警，溶液泵啟停控制，與相應熱回收排風空調(diào)機組連鎖控制，機房內(nèi)液晶控制面板，樓內(nèi)熱回收新排風機組集中控制、顯示等；排風機組控制及檢測系統(tǒng)可以包括但不限于：風機啟停控制、運行狀態(tài)檢測及故障報警，電動風閥、防火閥連鎖啟閉控制，排風溫度檢測，溶液泵啟停控制，與相應熱回收新風空調(diào)機組連鎖控制，樓內(nèi)熱回收新排風機組集中控制、顯示等。

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組間信號連接線及線管建議由機組廠家提供性能參數(shù)，設計單位復核，空調(diào)施工單位采購并施工。

2.3 液體循環(huán)管路設計

當循環(huán)液體采用乙二醇溶液時，由于乙二醇溶液與鋅接觸時會發(fā)生化學反應，因此液體循環(huán)管路管材不得使用含鋅的材質(zhì)。

雖然液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組布置靈活，但新排風機組間的液體循環(huán)管路不宜過長，以免造成熱回收效率降低過多，在醫(yī)療建筑工程設計中一般以不超過20～30 m為宜。

3 液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組在醫(yī)療建筑中的經(jīng)濟性分析

濟南某醫(yī)院門診醫(yī)技綜合樓工程采用風量2 000、3 000 m3/h的新排風空調(diào)機組各2組，風量4 000 m3/h的新排風空調(diào)機組5組，風量5 000 m3/h的新排風空調(diào)機組8組，新/排風總量70 000 m3/h。下面就采用液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組和普通新排風空調(diào)機組的經(jīng)濟性進行分析。

3.1 回收冷熱量計算

濟南夏季室外空調(diào)計算參數(shù)：干球溫度34.7 ℃、濕球溫度26.8 ℃、比焓84.9 kJ/kg、含濕量19.4 g/kg；冬季室外空調(diào)計算參數(shù)：干球溫度-7.7 ℃、濕球溫度-9.3 ℃、比焓-5.2 kJ/kg、含濕量1.1 g/kg。該工程室內(nèi)設計干球溫度：夏季26 ℃、冬季20 ℃。

夏季工況，當室外干球溫度高于26 ℃時，開啟乙二醇溶液泵，進行熱回收；冬季工況，當室外干球溫度低于15 ℃時，開啟乙二醇溶液泵，進行熱回收。根據(jù)選定的新排風機組(風量為10 000 m3/h)，對換熱盤管在冬夏季不同室外計算參數(shù)下的熱回收效率進行計算，結(jié)果見表1。

表1 換熱盤管在冬夏季不同室外計算參數(shù)下的熱回收效率

通過對表1中幾種室外溫度下效率的計算可知，熱回收機組的效率全部能維持在60%以上。雖然表1中的幾種室外溫度工況點效率不能代表所有室外溫度工況點的效率，結(jié)果理想化且具有偶然性，但是以上幾種室外工況點計算出的效率也能定性地反映出機組在所有室外工況點的效率。所以，為了簡化計算，后續(xù)計算效率取60%。

濟南月平均干球溫度如表2所示。

表2 濟南月平均干球溫度

由表2可知，濟南市高溫天氣集中出現(xiàn)在6—8月，低溫天氣普遍出現(xiàn)在11月至次年3月，以6—8月、11月至次年3月分別計算液體循環(huán)式熱回收機組夏季和冬季的熱回收量。該醫(yī)院夏季逐時干球溫度高于26 ℃時開啟熱回收機組，冬季逐時干球溫度低于15 ℃時開啟熱回收機組。每天開啟熱回收機組的時長為10 h，時間段為08:00—18:00。由濟南氣象參數(shù)表逐時干球溫度篩選出符合上述要求的時長，則新風經(jīng)過熱回收換熱器后的溫度及逐時平均室外溫度下的熱回收量如表3所示。

表3 新風經(jīng)過熱回收換熱器后的溫度及逐時平均室外溫度下的熱回收量

3.2 經(jīng)濟性分析

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組較普通新排風空調(diào)機組初投資有所增加，由于增加了熱回收換熱器、循環(huán)泵等，使得機組運行費用也增加。但是，通過回收冷熱量可以減少新風系統(tǒng)的供冷供熱量，從而減少空調(diào)系統(tǒng)運行費用。通過2個方案的初投資、運行費用的比較，計算出液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組的靜態(tài)投資回收期，對其經(jīng)濟性進行分析。

3.2.1 初投資(見表4)

表4 2個方案的初投資

3.2.2 年運行費用

該工程夏季空調(diào)運行時長按750 h計算，冬季空調(diào)運行時長按1 530 h計算；當?shù)仉娰M0.9元/(kW·h)；夏季空調(diào)系統(tǒng)采用冷水機組，綜合COP為4.0；冬季采用市政供暖，用熱費用為0.3元/(kW·h)。

新排風空調(diào)機組年運行費用如表5所示。

表5 新排風空調(diào)機組年運行費用

液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組較普通新排風空調(diào)機組夏、冬季減少的空調(diào)系統(tǒng)年運行費用見表6。

表6 夏、冬季節(jié)省的空調(diào)系統(tǒng)年運行費用

該工程液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組較普通新排風空調(diào)機組全年減少的運行費用為8.63萬元。

3.2.3 靜態(tài)投資回收期

該工程液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組靜態(tài)投資回收期為2.09 a。假設液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組使用壽命為15 a，使用周期內(nèi)可以減少費用111.45萬元。

通過以上計算分析可以得出，液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組較普通新排風空調(diào)機組雖然增加了初投資和機組本身運行費用，但減少了空調(diào)系統(tǒng)運行費用，大約2 a可以收回初投資，之后每年減少的運行費用較可觀。該工程設計選用的是定風量液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組，而在實際醫(yī)療建筑工程設計中，可以根據(jù)機組所服務區(qū)域的特點選擇變風量機組，根據(jù)房間標定的污染物濃度實現(xiàn)變風量運行，不僅可以提供更高品質(zhì)的空氣，還可以更大程度地減少運行費用，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

在節(jié)能減排越來越重要的今天，各項通風空調(diào)節(jié)能技術(shù)越來越多地應用在實際工程中。液體循環(huán)式熱回收新排風空調(diào)機組具有新排風不交叉、布置靈活、減少運行費用等優(yōu)點，在醫(yī)療建筑工程中會得到越來越廣泛的應用。