水環熱泵空調在醫藥陰涼庫中的應用

1 引言

眾所周知，某些藥品在常溫環境下無法正常保質，需要按照特定的溫度需求進行儲藏， 醫藥冷庫建造可以使藥品不會在高溫（常溫）環境下變質失效，以延長藥品得到保質期限。GSP 醫藥冷庫建造需要符合GSP、GMP 認證標準， 并嚴格按照《藥品經營質量管理規范》進行設計建造。

醫藥冷庫主要分為常溫庫（0~30 ℃）、陰涼庫（0~20 ℃）、冷庫（2~8 ℃）3 種類型，醫藥陰涼庫一般溫度設定在0~20 ℃，其相對濕度一般控制在40%~75%， 可用于儲存不可高溫儲存，但又不能太過低溫儲存的各類藥品，醫藥陰涼庫需要避免陽光直射。

2 項目概況

該工程為合肥某醫藥倉儲配送中心倉庫，建設地點位于合肥市經開區， 總建筑面積為30 833 m2， 其中空調面積為20 923 m2，地下1 層，地上4 層，建筑高度為19.50 m。 框架結構，火災危險性為“丙”類。 地下一層為汽車庫，地上1~4 層主要由醫藥陰涼庫和醫藥器械庫組成， 主要功能是儲存醫療器械和醫藥藥品。

3 室內外計算參數

3.1 室外計算參數

夏季空調：室外計算干球溫度35.0 ℃，室外計算濕球溫度28.1 ℃，風速2.9 m/s。

冬季空調：室外計算溫度-4.2 ℃，相對濕度76%，風速2.7 m/s。

3.2 室內設計參數

室內設計參數，見表1。

表1 室內計算參數

4 負荷計算

采用暖通負荷計算軟件逐時、逐項計算空調負荷，本工程空調夏季總冷負荷為3 517 kW， 冬季總熱負荷為462 kW，單位空調面積冷負荷指標為168.1 W/m2， 單位空調面積熱負荷指標為22.1 W/m2。

5 空調設計方案的比較與選擇

在空調系統的冷熱源方案和空調系統形式的選擇方面，結合本工程的特點及工藝要求，采用了兩種方案進行比較。

5.1 方案一

方案一為水冷機組+ 燃氣鍋爐+ 末端空調系統 （水冷冷水機組+冷卻塔+燃氣鍋爐+空調末端）。

1）冷源：采用電制冷冷水機組+冷卻塔供冷。在倉庫負一層設置制冷機房，設計選用兩臺雙機頭離心式冷水機組，單臺制冷量1 760 kW， 夏季空調冷凍水供回水溫度7 ℃/12 ℃，冷卻水供回水溫度32 ℃/37 ℃，冷卻塔放置在倉庫屋面。

2）熱源：采用燃氣鍋爐供熱。 在倉庫負一層設置鍋爐房，選用1 臺0.5 MW 的常壓燃氣熱水鍋爐， 提供85 ℃/60 ℃的一次熱水，經板式換熱器換熱后，為系統提供60 ℃/50 ℃的空調熱水。

3）空調末端：在1~4 層陰涼庫和器械庫設置吊頂式空氣處理機組，新風采用空調機組降溫（升溫）除濕后送入室內。

5.2 方案二

方案二為水環熱泵空調系統[1]（水源熱泵機組+ 冷卻塔+太陽能集熱器+蓄熱水罐）。

1）冷源：夏季采用水源熱泵機組+冷卻塔供冷。在1~4 層陰涼庫和器械庫設置水源熱泵機組， 每臺機組帶獨立冷源構成制冷單元；在屋面設置2 臺閉式冷卻塔。

2）熱源：冬季采用水源熱泵機組+ 太陽能熱水系統供熱，在屋面設置太陽能集熱器、蓄熱水罐（帶輔助電加熱）和板式換熱器。

3）空調末端：在1~4 層陰涼庫和器械庫設置水源熱泵機組分散式送風，新風采用凈化風機箱（帶初效過濾段）直接將室外新風送入室內。

5.3 兩種方案的對比分析

兩種方案的初投資和耗電量，見表2。

表2 方案一和方案二的初投資和耗電量（耗氣量）

方案一的主要設備包括： 離心式冷水機組， 冷卻塔 （開式），冷凍水泵，冷卻水泵，常壓熱水鍋爐，板式換熱器，一、二次側熱水循環泵，膨脹水箱、吊頂式空氣處理機組和水管、閥門、保溫材料等，初投資費用除了以上設備的設備費外，還包括施工費用、自控系統（BA 系統）費用和機房（制冷機房+ 鍋爐房）的土建費用。

方案二的主要設備包括：冷卻塔（閉式），冷卻水泵，整體吊裝式水源熱泵機組（冷暖型+ 單冷型），真空管太陽能集熱器，蓄熱罐，集熱系統循環泵，供熱系統一、二次泵，板式換熱器、定壓罐，凈化風機箱和水管、閥門等，初投資費用除了以上設備的設備費外，還包括施工費用、自控系統（BA 系統）費用。

5.4 兩種空調方案的經濟性分析

5.4.1 計算基準

制冷時考慮部分負荷運行情況空調使用系數取0.6，制熱時考慮部分負荷運行情況空調使用系數取0.8。 制冷運行時間取240 d，制熱運行時間取60 d，過渡季節空調不運行時間取65 d；制冷制熱時全天24 h 運行。 電費按0.65 元/（kW·h）計算（考慮高峰、低峰均價），天然氣按4.16 元/m3計算（工業用氣）。

5.4.2 方案一的年運行費用

夏季： 制冷時年運行費用= （929.5 kW×240×24 h×0.6）×0.65 元/（kW·h）×10-5≈208.8 萬元；

冬季：供熱時年運行費用=（183.5 kW×60×24 h×0.8）×0.65 元/（kW·h）×10-5+（50×60×24×0.8）×4.16×10-5≈37.7 萬元；

合計：208.8 萬元+37.7 萬元=246.5 萬元。

5.4.3 方案二的年運行費用

夏季： 制冷時年運行費用= （985.7 kW×240×24 h×0.6）×0.65 元/（kW·h）×10-5≈221.4 萬元；

冬季：供熱時年運行費用=（178.7 kW×60×24 h×0.8）×0.65 元/（kW·h）×10-5≈13.4 萬元；

合計：221.4 萬元+13.4 萬元=234.8 萬元。

方案二較方案一初投資費用減少619.2-534.1=85.1 萬元；方案二較方案一年運行費用減少246.5-234.8=11.7 萬元。由于方案二投資和運行費用均低于方案一， 綜合考慮后本工程采用方案二。

6 空調系統設計

6.1 運行策略

該工程采用水環熱泵空調系統， 輔助冷源采用閉式冷卻塔、輔助熱源采用太陽能蓄熱系統。 常溫庫和陰涼庫采用整體式水源熱泵機組，每臺水源熱泵機組自帶冷（熱）源、末端及電控[2]。

制冷時， 采用閉式冷卻塔向水源熱泵機組提供冷卻水直接蒸發制冷； 制熱時采用太陽能蓄熱向水源熱泵機組提供熱水制熱。 單冷型水環熱泵機組僅運行制冷模式；冷暖型水環熱泵機組既可運行制冷模式又可運行制熱模式。

6.2 空調風系統

采用水源熱泵機組分散式送風，新風采用凈化風機箱（帶初效過濾段）直接送入室內。 室內氣流組織為上送上回的送風形式，送風系統采用了纖維織物風管空氣分布系統，保證庫內溫濕度均勻。

6.3 空調水系統

采用分區兩管制閉式系統，水平環路采用同程式、垂直環路采用異程式。 夏季由閉式冷卻塔向水源熱泵機組提供30 ℃/35 ℃冷卻水；冬季由太陽能蓄熱系統向水源熱泵機組提供50 ℃/40 ℃熱水 （太陽能蓄熱系統在夏季與過渡季節向廠區辦公區提供熱水的再熱熱源）。 冷卻水循環泵采用變頻運行方式，根據室內空調負荷的變化進行運行調節，實現節能。空調水系統原理圖見圖1。

圖1 空調水系統原理圖

7 結論

1）本工程采用水環熱泵空調系統，無須制冷機房和鍋爐房，節省了建筑成本和后期維護保養的費用。

2）水源熱泵機組為直接膨脹式制冷方式，機組出風溫度較低（最低出風溫度可達到15 ℃），適合應用于像醫藥陰涼庫這種對室內溫度要求較低的場所。

3）冬季空調系統輔助熱源采用太陽能蓄熱系統，夏季和過渡季節由太陽能蓄熱系統提供生活熱水的熱源。 降低冬季空調運行費用的同時還可以向生活熱水提供熱源。