養(yǎng)老院熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

黃均兆

(貴陽(yáng)建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550001)

1　工程概況

某市養(yǎng)老院項(xiàng)目為改擴(kuò)建項(xiàng)目，設(shè)計(jì)床位共440床，其中新建1#養(yǎng)護(hù)樓370床，原有養(yǎng)護(hù)樓改造70床。房屋綜合建筑面積按44.5 m2每床的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中直接用于老年人的入住服務(wù)，生活用房、衛(wèi)生保健用房、康復(fù)用房、娛樂(lè)用房、社會(huì)工作用房、行政用房、地下車(chē)庫(kù)、附屬用房等所占比例不應(yīng)低于總建筑面積的75 %。

老年養(yǎng)護(hù)樓(新建)建筑面積為：23 416 m2，鍋爐房(改造)面積為：742 m2，垃圾處理(新建)面積為：36 m2，污水處理(新建)面積為：120 m2。本項(xiàng)目容積率1.08，建筑密度27.66 %，停車(chē)位151輛。

本工程新建建筑層數(shù)為7層，其中地下1層，地上6層，建筑高度為22.80 m，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)； 抗震設(shè)防烈度為六度。為多層公共建筑，耐火等級(jí)為一級(jí)，工程設(shè)計(jì)使用年限為50年。負(fù)一層為設(shè)備用房、地下停車(chē)庫(kù)，一層為門(mén)廳、接待室、廚房、餐廳等，二層至五層為會(huì)見(jiàn)聊天室、居室、護(hù)士人員值班室、開(kāi)水房、備餐間、護(hù)士工作室、浴室、文印室、檔案室等；六層為人員值班室、辦公室、會(huì)議室、資料室、檔案室、多功能廳、閱覽室、庫(kù)房等。

本項(xiàng)目所在地氣象條件：項(xiàng)目所在地屬典型的高原型濕潤(rùn)亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量1 360 mm，一月平均氣溫4.3 ℃，一月平均最高溫度7.6 ℃，一月平均最低溫度2.1 ℃，七月平均氣溫22 ℃，七月平均最高溫度26 ℃，七月平均最低溫度19.2 ℃，全年平均氣溫14 ℃，歷史最高氣溫34.3 ℃，最低氣溫-7.6 ℃，年平均相對(duì)濕度80 %，年平均風(fēng)速2.4 m/s，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，氣候溫和宜人。氣候的主要特點(diǎn)是涼爽、濕潤(rùn)、清新、太陽(yáng)輻射低。地處貴州高原苗嶺山脊線上，山谷風(fēng)明顯，西南季風(fēng)來(lái)自印度洋，夏季風(fēng)多，無(wú)悶熱感，夏季平均風(fēng)速2.5～3.0 m/s。

2　熱源選擇分析

該大樓設(shè)置集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，全日供應(yīng)熱水。主要熱水用水點(diǎn)為護(hù)理房的淋浴器、洗臉盆，一層的公共淋浴室、廚房。常用的生活熱水加熱方式有：電加熱、燃?xì)饧訜?、燃油加熱、太?yáng)能加熱、熱泵、熱電廠余熱利用等。

2.1　電加熱器

電加熱制備熱水的優(yōu)點(diǎn)：干凈衛(wèi)生、安裝方便、能適應(yīng)天氣變化，使用方便，溫度可自調(diào)；缺點(diǎn)：熱效率低、電能浪費(fèi)大、運(yùn)行費(fèi)用較高，易結(jié)水垢，新型電熱水器內(nèi)置了陽(yáng)極鎂棒除垢裝置，解決了容易結(jié)垢的問(wèn)題，但陽(yáng)極鎂棒需兩年更換一次，給保養(yǎng)帶來(lái)麻煩。

2.2　燃?xì)饧訜崞?/h3>

天然氣加熱制備熱水(天然氣鍋爐)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)燃?xì)忮仩t不需要煤灰堆放地,節(jié)省用地。

(2)節(jié)約鍋爐輔助生產(chǎn)用水。燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t正常生產(chǎn)用水相等,但燃?xì)忮仩t節(jié)約了燃煤鍋爐用來(lái)除塵、除渣等防塵的輔助用水。

(3)減少工作人員。燃?xì)忮仩t比燃煤鍋爐輔助設(shè)備少,所需工作人員少,負(fù)擔(dān)工資及福利費(fèi)用就要少得多。

(4)節(jié)省鍋爐生產(chǎn)用電費(fèi)用。燃?xì)忮仩t燃料輸送及其它輔助設(shè)備少,功率小,連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短,所以耗電量低,費(fèi)用較省。

(5)降低勞動(dòng)強(qiáng)度。燃煤鍋爐在煤的輸送、除渣過(guò)程中都需要高強(qiáng)度的體力勞動(dòng),而燃?xì)忮仩t工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度較小。

(6)燃?xì)忮仩t房布置靈活,占地面積少,產(chǎn)生的噪聲低。

(7)改善環(huán)境。燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量煙塵,對(duì)環(huán)境造成很大污染,而天然氣為清潔能源,對(duì)環(huán)境有很大的改善。

(8)高效、環(huán)保是燃?xì)忮仩t的最大優(yōu)點(diǎn)，天然氣燃燒沒(méi)有雜質(zhì)，對(duì)鍋爐及相關(guān)配件沒(méi)有沒(méi)有損壞，鍋爐使用壽命長(zhǎng)。

缺點(diǎn)：氣源投資大、運(yùn)行成本高于燃煤。燃?xì)忮仩t使用是有條件限制的，只有有燃?xì)夤艿赖牡胤讲趴梢韵碛茫诓煌ㄈ細(xì)獾牡胤?，是無(wú)法使用天然氣，另外一個(gè)缺點(diǎn)就是目前來(lái)說(shuō)多數(shù)燃?xì)忮仩t對(duì)氮氧化合物的排放不可控。

2.3　燃油加熱器

燃油鍋爐的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少。燃油燃燒迅速，而且不存在爐膛結(jié)焦問(wèn)題，爐膛容積熱負(fù)荷較高，可比燃煤鍋爐高近一倍。缺點(diǎn)：燃油鍋爐油價(jià)高，導(dǎo)致使用成本高并且燃油的運(yùn)輸、儲(chǔ)存的危險(xiǎn)性高，易出現(xiàn)事故。目前油的價(jià)格過(guò)高，致使使用成本隨之上漲。

2.4　空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵熱水器是一種高效節(jié)能的制熱水設(shè)備，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)運(yùn)行附加費(fèi)較小，這是因?yàn)椋?/p>

①熱泵裝置不需要燃料輸送費(fèi)用和保管費(fèi)、排渣運(yùn)輸費(fèi)等；

②檢修周期較長(zhǎng)，因鍋爐設(shè)備與高溫?zé)煔饨佑|，構(gòu)件極易受損；而熱泵系統(tǒng)只有兩個(gè)部件運(yùn)動(dòng)，磨損少，平時(shí)無(wú)需任何檢修。

③管理人員與勞動(dòng)強(qiáng)度均可減少，節(jié)省工資開(kāi)支。

(2)空氣源熱泵室外安裝，土建投資低，鍋爐房需增加機(jī)房土建投資。

(3)燃煤鍋爐房產(chǎn)生的廢氣、廢渣對(duì)周?chē)h(huán)境有影響，而空氣源熱泵對(duì)周?chē)h(huán)境影響小。

(4)運(yùn)行直接費(fèi)用(電費(fèi))一般比燃煤鍋爐大，這是熱泵的主要開(kāi)支。

(5)熱泵初投資費(fèi)用常大于鍋爐房設(shè)備。相同容量的制熱設(shè)備比鍋爐設(shè)備為貴。

(6)熱泵擁有大于1的能效，對(duì)能量的利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他方式的采暖方式。

缺點(diǎn)：空氣源熱泵的性能會(huì)隨室外氣候變化而變化。在我國(guó)北方室外空氣溫度低的地方，由于熱泵冬季供熱量不足，需設(shè)輔助加熱器?？諝庠礋岜迷诤涞貐^(qū)應(yīng)用的可靠性差。在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵的能效比(EER)會(huì)急速下降。

工程所在地一月平均氣溫4.3 ℃，年平均環(huán)境溫度14 ℃，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(shí)，啟用輔助電加熱器作為備用熱源。通過(guò)上述熱源分析，結(jié)合本工程的實(shí)際特點(diǎn)，本工程選擇空氣源熱泵作為熱水供應(yīng)系統(tǒng)的加熱熱源。

3　空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1　熱水用水量及熱量

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范取值(表1)：養(yǎng)老院熱水定額按60L/床.日計(jì)算，冷水計(jì)算溫度7℃，熱水計(jì)算溫度55℃。

表1　熱水用水量及熱量計(jì)算表

熱泵每天設(shè)計(jì)工作時(shí)間T1取14 h，可按下式計(jì)算熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量:

Qg=24×k1Qd/T1

Qd=QrCρr(tr-tl)/(24×3600)

式中:Qg為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量(kW)；T1為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)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為水的質(zhì)量熱容，C=4187(J/kg·℃)；ρr為熱水密度 (kg/L)；tr為熱水設(shè)計(jì)溫度 (℃)；tl為冷水設(shè)計(jì)溫度 (℃)。

可計(jì)算熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量為241 kW，考慮到產(chǎn)品使用地區(qū)室外計(jì)算溫度修正系數(shù)0.9和機(jī)組融霜修正系數(shù)0.9，空氣源熱泵的名義制熱量取297 kW。選用模塊化空氣源熱泵機(jī)組FM-40Q(R)型，2臺(tái)，機(jī)組總制熱量332 kW，滿足計(jì)算要求。設(shè)置電輔助加熱器輸入功率2×50 kW，在冬天氣溫低于5 ℃時(shí)啟用。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類(lèi)似用途的熱泵熱水機(jī)》：環(huán)境溫度20 ℃，進(jìn)水溫度15 ℃，出水溫度55 ℃。熱泵機(jī)組制熱能力隨著冷水溫度的降低而略有增加，但是變化不明顯，隨著環(huán)境溫度的降低而顯著降低。對(duì)熱泵熱水系統(tǒng)的計(jì)算和機(jī)組選型應(yīng)根據(jù)設(shè)置位置的最不利環(huán)境溫度校核。

3.2　熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間校核

本工程所在地最冷月(1月)室外平均氣溫4.3 ℃，1月進(jìn)水最低溫度7 ℃，按此條件校核機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，熱泵此條件下的制熱能力為265 kW，則冬季每天運(yùn)行時(shí)間為：58 t/d×1000 kg/t×4.185 kJ/(kg·℃)×(55-7)℃÷3 599.5 kJ/(kW·h) ÷265 kW=12.2 h/d，熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)工作時(shí)間根據(jù)用水規(guī)律、低溫?zé)嵩辞闆r和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮，全日供水時(shí)，不大于20 h，所以校核的機(jī)組運(yùn)行時(shí)間滿足規(guī)定要求。

4　空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行成本分析

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行成本分析主要與燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、蓄熱式電鍋爐進(jìn)行比較，蓄熱式電鍋爐是以電鍋爐為熱源，在用電低谷期利用低價(jià)位的電力生產(chǎn)熱水，儲(chǔ)存在熱水箱中，在電網(wǎng)高峰時(shí)段關(guān)閉電鍋爐，由熱水箱供應(yīng)熱水，采用低谷電價(jià)計(jì)算。

空氣源熱泵熱水機(jī)組的能效比為3.77，成本分析的其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：當(dāng)?shù)厣虡I(yè)用電電價(jià)0.95元/(kW·h)，低谷電價(jià)0.5元/(kW·h)，燃燒值3599.5 kJ/(kW·h)；輕柴油6元/kg，燃燒值43 110.6 kJ/kg，天然氣3.6元/Nm3, 燃燒值33 484 kJ/Nm3。電鍋爐熱效率0.95；燃油鍋爐熱效率0.85；燃?xì)忮仩t熱效率0.8。

4.1　年運(yùn)行費(fèi)用分析

每年所需總熱量為：134 kW /d×365 d=48 910 kW，對(duì)于不同熱源的熱水系統(tǒng)：燃料年需求量=年總熱量÷燃料燃燒值÷熱效率，根據(jù)燃料單價(jià)計(jì)算出不同熱源的熱水系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)(表2)。

從表2可以看出，在相同條件下，空氣源熱泵熱水機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)(這里僅指燃料費(fèi)用)最低，燃油鍋爐的年運(yùn)行費(fèi)最高，燃油鍋爐是其2.34倍?？諝庠礋岜脽崴桨概c常規(guī)燃料供熱水方案比較，節(jié)能效果顯著。

表2　不同熱源熱水系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)計(jì)算

4.2　結(jié)論

空氣源熱泵熱水機(jī)組以空氣為低溫?zé)嵩?，易受室外空氣溫度、濕度的影響，一般適用于長(zhǎng)江流域以南地區(qū)的中小型熱水系統(tǒng)中。民用建筑集中熱水系統(tǒng)熱源的選擇必須根據(jù)工程建筑特點(diǎn)、當(dāng)?shù)貧夂蚝腿剂瞎?yīng)情況綜合考慮確定，一般情況下，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用環(huán)保節(jié)能的優(yōu)先選擇熱源，在提倡綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的今天，空氣源熱泵熱水機(jī)組在建筑集中熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用值得大力推廣。