住院大樓熱泵熱水系統(tǒng)的設計

黃均兆

(中國華西工程設計建設有限公司，貴州貴陽550001)

1 工程概況

某縣城住院綜合大樓為地上15層，地下1層的高層建筑?？偨ㄖ娣e為11 808.6 m2，地下建筑面積為789.4 m2，總床位數(shù)440張，建筑總高度為54.9 m(主入口室外地坪至15層屋面頂板高度)。主要功能為病房、手術室等。地下一層為配電間、水泵房和設備用房等。1層為住院大廳，出入院手續(xù)、藥庫、急診和附屬用房;2至14層為帶有單間衛(wèi)生間的各科室病房，15層為手術室，設有更衣室、麻醉室、醫(yī)生辦公室、值班室、手術室和家屬等候等。該大樓設置集中熱水供應系統(tǒng)，病房為定時供應熱水，供應熱水時間為8:00～8:30和17:00～19:00，手術室為全天供應熱水。

2 熱源選擇

《民用建筑節(jié)能條例》第十一條規(guī)定國家推廣使用民用建筑節(jié)能的新技術、新工藝、新材料和新設備，限制使用或者禁止使用能源消耗高的技術、工藝、材料和設備。

集中生活熱水供應系統(tǒng)的熱源，宜首先利用工業(yè)余熱、廢熱、地熱和太陽能。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，本工程所處位置無工業(yè)余熱、廢熱和地熱可以利用，附近無區(qū)域鍋爐房，也沒有市政熱力管網(wǎng)。太陽能作為清潔能源，世界各國無不對太陽能利用予以相當?shù)闹匾?，以減少對煤、石油、天然氣等不可再生能源的依賴。我國有豐富的太陽能資源，有2/3以上地區(qū)的年太陽輻照量超過5 000 MJ/m2，年日照時數(shù)在2 200 h以上。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，既是近期急需的能源補充，又是未來能源的基礎。

本工程所在地臨近貴陽，可參照貴陽的太陽能設計氣象參數(shù):水平面年總日輻照量Hht=3 493.0 MJ/(m2·a)，年總日照小時數(shù)St=1 189.9 h，太陽能保證率推薦范圍≤40%，年極端最低氣溫－7.3℃。上述數(shù)據(jù)表明，本工程并不適用于采用太陽能作為集中生活熱水供應系統(tǒng)的熱源。主要原因在于貴州天氣素有“天無三日晴”的特點，常年日照少，太陽能穩(wěn)定性差，屬于太陽能資源貧乏區(qū)。

可新建燃煤蒸汽或熱水鍋爐制備熱源，也可采用燃油、燃氣熱水機組制備熱源或直接供給生活熱水，但當?shù)責o集中的天然氣和城市煤氣供應，采用燃油、燃氣熱水機組運行成本費高，采用燃煤鍋爐制備熱源在當?shù)乇容^常用?？諝庠礋岜眠m用于長江以南地區(qū)小型的集中生活熱水供應系統(tǒng)，是建筑節(jié)能推廣應用能源之一，熱泵空調(diào)、熱泵熱水是目前國際主流的應用降低建筑能耗的產(chǎn)品。熱泵供熱的經(jīng)濟性是由多方面來確定的，它與鍋爐房供熱相比，顯然具有以下特點:

(1)運行附加費較小。

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鍋爐設備與高溫煙氣接觸，構件極易受損，檢修周期較長;而熱泵系統(tǒng)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(jié)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(chǎn)生的廢氣、廢渣對周圍環(huán)境有影響，而空氣源熱泵對周圍環(huán)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(yōu)于其他方式的采暖方式。

工程所在地一月平均氣溫5.1℃，年平均環(huán)境溫度15.4℃，建筑氣候分區(qū)屬溫和地區(qū)，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。所以本工程采用空氣源熱泵熱水供應系統(tǒng)。

3 主要設計技術參數(shù)

3.1 設計日用熱水量

根據(jù)《建筑給水排水設計規(guī)范》(GB 50015－2003)的熱水用水定額，考慮到住院部病人的使用和當?shù)赜盟膶嶋H情況，該工程熱水設計日用水定額:病人為120L/(床·d)，醫(yī)護人員為70L/(人·班)。陪護人員取病人人數(shù)的20%(用水定額與病人相同)，醫(yī)護人員取病人人數(shù)的20%，設計日熱水用水量(60℃)見表1。

表1 熱水用水量(60℃)計算

3.2 熱泵機組制熱量

可按下式計算熱泵機組設計小時平均秒供熱量

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(shù)，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為水的比熱容，C=4 187(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每秒供熱量為450 kW，考慮到產(chǎn)品使用地區(qū)室外計算溫度修正系數(shù)和機組融霜修正系數(shù)，空氣源熱泵的名義制熱量取555 kW。設置電輔助加熱器輸入功率4×50 kW，在冬天氣溫低于5℃時啟用。

3.3 貯熱水箱容積

貯熱容積較大，會出現(xiàn)熱泵機組的供熱量會很小，貯熱容積較小，造成熱泵機組容量較大，增加投資。蓄熱時間取1.8 h，貯熱水箱容積為15 m3。設計選用不銹鋼水箱一個，有效儲水容積15 m3。

4 熱水系統(tǒng)分區(qū)及供水范圍確定

根據(jù)市政給水壓力，為了提高供水的安全性及節(jié)約加壓給水能耗，將大樓的給水和熱水系統(tǒng)分成高、低兩區(qū)供水，低區(qū)為1～2層，采用市政給水管供水，高區(qū)為3～15層，采用變頻調(diào)速供水設備供水，熱水供水范圍為高區(qū)。生活水箱和變頻調(diào)速供水設備設在地下室設備間，空氣源熱泵機組、熱水箱和熱水循環(huán)泵設在屋面，這樣可降低高區(qū)設備的承壓，同時熱水系統(tǒng)管網(wǎng)簡單。

熱水系統(tǒng)流程示意圖見圖1。

圖1 生活熱水系統(tǒng)流程示意

高區(qū)的3～7層給水支管安裝支管減壓閥，使用水點的水壓滿足要求并使冷熱水水壓接近，便于使用。

5 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設計

住院樓熱水系統(tǒng)設計要求:恒溫恒壓供應熱水;手術室、產(chǎn)房等部門要求經(jīng)常有熱水供應;其他部門盥洗、淋浴的熱水用水時間比較集中，而且有規(guī)律性，因而要求熱泵機組不得小于2臺，當一臺檢修時，其余各臺的總供熱能力不得小于設計小時耗熱量的50%;醫(yī)院建筑不得采用有滯水區(qū)的容積式水加熱器。所以本工程采用空氣源熱泵循環(huán)加熱，高峰用水時由熱泵與熱水箱聯(lián)合供應熱水的方式，見圖2。

圖2 空氣熱泵熱水機組示意

為了使系統(tǒng)的運行滿足使用要求，本建筑采用以下的控制方式:

(1)循環(huán)加熱:本工程采用循環(huán)式熱泵熱水機組，在每天16:00以后(時間可設定)當溫度傳感器T2測的水溫低于設定溫度，熱水循環(huán)泵P2開啟，熱水機組啟動，進行循環(huán)加熱;當水箱水溫達到設定溫度時，T2發(fā)出信號，循環(huán)泵P2和熱水機組關閉。

(2)電輔助加熱器:當環(huán)境溫度低于5℃時，電磁閥M2打開，M3關閉，電加熱器開啟，提高水箱水溫，當環(huán)境溫度高于5℃時，M2關閉，M3打開，電加熱器關閉。從而避免熱泵機組在低溫環(huán)境下工作。

(3)定時供水:到達用水時間，電磁閥M1打開，熱水箱供應熱水，到達停水時間自動關閉。

(4)即熱循環(huán):在開始供應熱水前，如果T1低于設定溫度(50℃)，循環(huán)泵P1自動啟動，同時電磁閥M1打開，干管熱水進行循環(huán)，當T1高于設定溫度(55℃)時循環(huán)泵自動停止。

6 結束語

在醫(yī)院住院大樓等建筑的設計中，集中熱水系統(tǒng)的設置不可或缺，同時住院大樓對熱水的需求量大且供應時段較為集中，要求生活熱水的供應恒溫、恒壓，使用舒適便利。這就要求在對熱源的選擇、熱水系統(tǒng)的設計、設備的選型等方面因地制宜、經(jīng)濟適用、管理控制簡單。

特別在能源供需矛盾日益突出、能源問題更加重要的今天，人們迫切需要研制開發(fā)新的建筑節(jié)能技術和節(jié)能產(chǎn)品，因而在建筑集中熱水系統(tǒng)設計中的熱源選擇更為重要，必須結合工程實際選擇節(jié)能的新技術、新設備。

［1］2009 JSCS－3全國民用建筑工程設計技術措施——給水排水［S］

［2］GB 50015－2003建筑給水排水設計規(guī)范［S］

［3］06SS127熱泵熱水系統(tǒng)選用與安裝［S］

［4］GB 50364－2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范［S］