某醫(yī)院熱水制備系統(tǒng)方案分析及優(yōu)化

廖啟芳

(廈門市建設工程施工圖審查所 福建廈門 350002)

0 引言

空調(diào)全熱回收機組可一機三用，夏季制冷同時將冷凝熱回用于制備熱水，冬季按熱泵模式制備熱水或供暖，既減少廢熱的排放又節(jié)能、節(jié)地，在設有集中空調(diào)和集中熱水系統(tǒng)的酒店、醫(yī)院建筑中運用越來越廣泛。由于該類機組的能效會隨熱水出水溫度的升高而下降，當出水溫度超過50°C時效率將急劇下降，故一般機組熱水出水溫度采用45～50°C。而居于軍團菌的原因，衛(wèi)生熱水供水溫度采用55～60°C更安全。對于醫(yī)院生活熱水，《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》GB51039-2014，6.4.5條的規(guī)定，系統(tǒng)加熱器出水水溫不應低于60°C。所以，醫(yī)院采用全熱回收機制備熱水時，普遍采取增加補熱設施來提高熱水供水水溫以保證安全。此類用以提高系統(tǒng)供水水溫的補熱設施與規(guī)范GB50015-2003，5.4.2條所述的輔熱設施功能不同，在工程應用中設計人員易將二者混淆，導致工程熱水系統(tǒng)出現(xiàn)熱水水溫不達標或節(jié)能效果不佳。本文就此以某醫(yī)院的熱水制備系統(tǒng)方案為例，進行分析并提出改進措施。

1 工程簡介

廈門某醫(yī)院門急診樓，建筑面積8萬m2，建筑總高度99.8m，1～9層為門急診、手術，10層以上為病房，8層以上分A、B棟，其中A棟18層,B棟9層。日門診量10 000人/天，病床數(shù)500張，設有集中空調(diào)和集中熱水系統(tǒng)。衛(wèi)生熱水采用空調(diào)熱回收機組(簡稱“主機”)加補熱設備(簡稱“輔機”)聯(lián)合制備。

2 熱水制備原方案

根據(jù)建筑布局及使用功能，熱水制備系統(tǒng)分成2套，1套設在B棟屋頂供1～9層使用，另1套設在A棟屋頂供10～18層使用，2套熱水制備方式相同，本文僅取其中的A棟系統(tǒng)進行探討。以下為原方案系統(tǒng)設計計算及設備選用過程。

常用符號代表如下：

Qh——最大小時耗熱量；

Qkh——主機小時制熱量；

Qfh——輔熱功率；

Q1d(Q2d)——第一(二)溫升段最高日耗熱量；

Q1h(Q2h)——第一(二)溫升段最大時耗熱量。

(1)熱水用水標準：病房按150L/床·天，醫(yī)務人員按70L/人·班,冷水計算溫度t0夏季取22℃,冬季取15℃,熱水計算溫度tr取60℃。經(jīng)計算，最高日耗熱量(Qd)：夏季5498kW,冬季6687kW；最大小時耗熱量(Qh)：夏季682kW ，冬季802kW。圖1為原方案的熱水制備原理圖。

圖1 原方案熱水制備原理圖

制備原理：冷水進入1#水箱；主、輔機均由T1控制，主機在T1<47℃開啟至T1=50℃止，輔機在T1<60℃開啟至T1=63℃止。2#水箱與1#水箱設閥門連通。

(2)主機選用：空調(diào)專業(yè)根據(jù)水專業(yè)所提條件進行主機選型。因空調(diào)冷凝熱負荷遠大于衛(wèi)生熱水耗熱量，僅考慮部分機組選用熱回收機組即可滿足要求，主機的制熱量按不小于Qh取值。原方案選用2臺循環(huán)加熱式熱回收機組，單臺制熱量790kW(夏季)和576kW(冬季)。夏季開啟1臺，冬季開啟2臺可滿足衛(wèi)生熱水的需求。為敘述簡便，除非特別需要，下文中的有關計算及敘述僅提及冬季最不利工作情況，夏季情況可自行類比。

①主機循環(huán)泵參數(shù)。主機采用循環(huán)加熱的方式，機組進出口溫差△tj按5℃考慮，循環(huán)設計流量如式(1)：

(1)

計算得夏季qrx=152m3/h,冬季qrx=220m3/h。

循環(huán)泵揚程H=1.2×(h沿+h局)+0.01H高差+0.01H出流水頭，算得H=0.14MPa。原方案選用3臺循環(huán)泵，流量110m3/h,揚程0.2MPa。

②輔機功率。根據(jù)主機熱水出水水溫將系統(tǒng)制熱分成2個溫升段:其中，15℃～50℃段為由主機制熱的溫度，稱為第一溫升段(簡稱Td1)，Q1d為5201kW，Q1h為628kW；水溫50～60℃段為需要靠輔機升溫，稱為第二溫升段(簡稱Td2)，Q2d為1486kW，Q2h為179kW。輔機采用1臺電加熱器，輔機功率 100kW，一天工作15h可滿足Q2d要求。

③熱水箱容積計算。因主機和輔機串聯(lián)對同一箱水體加熱，水箱應同時滿足二者對儲熱容積的要求，因Qkh>Q1h，,Td1段儲熱量可按該段90minQ1h計算，算得儲熱容積為23m3；而Qfh

(2)

計算，T取3h，得儲熱容積為23m3，原方案采用有效容積40m3加熱水箱(1#箱)、儲熱水箱(2#箱)各一。

表1為原方案主要設備一覽表。

表1 熱水制備系統(tǒng)主要設備表

④設計節(jié)能目標。空調(diào)季Td1段均由主機提供免費熱水，每日可免費得熱5201kW,全年(按180d計)可節(jié)約936 180kWh,冬季主機COP按3計，可節(jié)約用電624 120kWh,按0.8元/kWh，每年可節(jié)約電費124.8萬元。

3 原方案合理性分析

原方案原理圖系參照國標圖集06SS127，11頁 “空氣源熱泵獨立熱水系統(tǒng)原理圖”繪制，但06SS127圖集中的輔熱設備是季節(jié)性使用設備，是在冬季熱泵效率下降供熱量不足時臨時作補充用的，與本例中供全年使用的輔機功能不同，二者的控制原理也無法等同。

從原方案的原理可看出，輔機的工作溫度段(T1<60℃)覆蓋了主機工作的Td1段，所以，輔機的能耗并非僅在Td2段，這勢必造成輔機能耗增加，導致主機的制熱能力發(fā)揮不足，無法完成設計的節(jié)能目標。

另外，由于輔機功率Qfh遠小于Qh，一定存在由主機與輔機同時工作的時段，該時段系統(tǒng)的熱水溫度也一定小于50℃，不滿足規(guī)范所規(guī)定的60℃值，設計不合理。

為了更直觀地了解原方案的能耗及水溫情況，更有針對性地對它進行改進，下文擬借助現(xiàn)有的Qd和Qh，嘗試計算系統(tǒng)最高日逐時耗熱量和逐時供水水溫。為簡化計算，擬作如下假設:

(1)模擬一條反映醫(yī)院用水變化規(guī)律的最高日24h用水曲線，如圖2所示，其中的17:00～20:00時段，小時耗熱量等于Qh，24h耗熱量總和為Qd，其余時段耗熱量根據(jù)醫(yī)院用水規(guī)律估值。

圖2 最大日24h用水逐時變化曲線模擬圖

(2)忽略水箱及管路的熱損失；假定同一個時段內(nèi)用水和水箱補水瞬時完成，且假定水箱水溫瞬時各處均勻。

(3)在同一小時內(nèi)機組的工作狀態(tài)不變，僅根據(jù)水箱在該時段的起始水溫控制機組的啟停。

有了以上假設，再根據(jù)熱平衡原理，借助EXCEL表即可進行24h逐時供耗熱量和逐時水溫的計算。具體計算步驟如下：

步驟1：假定0時水的初溫t0C，并根據(jù)初溫和系統(tǒng)控制方式切換0-1時主機及輔機的工作狀態(tài)。

步驟2：根據(jù)熱平衡原理計算1時水的終溫t1z，

(3)

式(3)中：qk——主機在0-1時段的制熱量；

qf——輔機在0-1時段的制熱量；

V——熱水箱容積，原方案為80m3；

m0-1——0-1時段的熱水用水量；

t0——設計冷水補水水溫。

步驟3：取上一時段的tz溫作為下一時段的tC，并重復步驟2，至t24Z。

步驟4：令t0C=t24Z重復步驟1～3至二者誤差達設定精度為止。

對原方案進行的具體計算如表2所示。

表2 原方案的逐時供耗熱量和逐時水溫計算表

注：0時段為0時～1時，依次類推。24h合計供熱量：主機-4267kW,輔機-2400kW。

從表2 明顯看出，原方案熱水出水溫度不達標，節(jié)能效果也未達預期。原方案24h水溫均小于52℃，輔機24h開啟，主機供熱指標低于設計值。為了更好地分析問題，僅將輔機功率提高到200kW時再行計算，結果如下：各時段溫度提高了，但仍小于60℃，24h均溫達53.4℃，24h供熱量中主機占1867kW,輔機占4800kW。由此可以看出，輔機功率的提高會提升熱水出水溫度，當輔機的功率提高足夠高，可能會出現(xiàn)部分出水溫度達標的時段，但主機的供熱能力將受到更大限制，系統(tǒng)的節(jié)能效果更差。

分析原方案熱水出水溫度不達標、節(jié)能效果未達預期的原因有三。第一：原方案輔機與主機的工作溫度重疊，加熱、蓄熱水箱未分開，實際二者功能沒差別，且水箱容積大、熱惰性大，有限補水量造成的溫降較小，當水溫未降至主機動作溫度時僅靠輔機工作，導致輔機能耗增加，主機利用率下降。第二：由于存在水箱補水的能耗全由輔機提供的時段，當該時段輔機功率小于系統(tǒng)相應時段的耗熱量時，出水水溫就達不到設計值；第三：當補水量大、溫降大至主機足以開啟時，該時段的能耗由主機和輔機同時承擔，但受主機的出水溫度以及輔機功率能力限制，水溫仍無法達到設計值。

4 改進方案

原方案主要存在以下2個問題：

第一：熱水器出水水溫低于60℃，水質(zhì)安全無保證。因用水點出水是冷熱水混合后的結果，理論上只要系統(tǒng)供水水溫高于用水點出水所需水溫，用水點就可以得到合適水溫的熱水，但過低的供水水溫是軍團菌的溫床，它影響供水水質(zhì)的安全。醫(yī)院的病人體質(zhì)弱，更應重視軍團菌的問題。

第二：原方案節(jié)能設備的功效發(fā)揮不良，節(jié)能效果不理想，同樣需要進一步改進。

基于以上分析可以看出，加熱水箱(1#箱)及蓄熱水箱(2#箱)未分開，主機與輔機工作介質(zhì)混在一起，工作溫度又重疊，導致輔機部分代替主機功能，最終導致上述后果。 所以，改進的方案從1#箱及2#箱分開著手。

圖3為改進方案原理圖。1#箱與2#箱連通管斷開，主機及其循環(huán)泵與1#箱組成第一溫升(Td1)系統(tǒng)，它的功能是由主機制備50℃并儲存的熱水；輔機及其循環(huán)泵與2#箱組成第二溫升(Td2)系統(tǒng)，它的功能是利用輔機維持2#箱熱水溫度不低于60℃。冷水補至1#箱，當1#箱水溫T1<47℃時主機開啟至T1=50℃止， 1#箱水溫達50℃后由過墻泵提升至2#箱，2#箱水溫T2<60℃時輔機開啟至T2=63℃止。由此，1#箱、2#箱功能清晰，主輔機各自在獨立的介質(zhì)中完成制熱，主機的能力被充分利用，熱水出水溫度由輔機始終保證60℃以上，可實現(xiàn)設計既定節(jié)能。

圖3 改進方案熱水制備原理圖

改進方案除主機及其循環(huán)泵可沿用原方案外，其它制熱設備的參數(shù)選用需要重新核算。

(1)1#、2#水箱及輔機

由于有蓄熱水箱的存在，輔機的功率可在Td2段的最大時及平均時耗熱量范圍內(nèi)選擇，取決于2#蓄熱容積的大小。2#水箱的蓄熱容積應滿足:①不小于用水高峰持續(xù)段內(nèi)熱水在Td2段的總耗熱量與輔機制熱量之差。②不小于90minQ2h，即不小于23m3。

(4)

進行計算。

式中，t為用水高峰持續(xù)段輔機的最短工作時數(shù)。

t值的計算與Td1系統(tǒng)的工作周期有關。

經(jīng)計算改進方案t=1.5h，(t的具體確定見下文)。

根據(jù)式(4)可以列出不同輔機功率提供的Td2段熱水出水流量(qf)及最小蓄熱容積計算一覽表(表3)，設計可根據(jù)實際情況選擇輔機和蓄熱容積。本改進方案輔機擬選用2臺80kW,總供熱量160kW,蓄熱水箱容積取40m3。

表3 輔熱功率、熱水出水流量及最小蓄熱容積一覽表

(2)過墻泵

過墻泵的功能是將1#箱內(nèi)的50℃熱水泵至2#箱，其流量要與輔機功率相匹配。流量過大恐導致水箱出水溫度不達標，流量過小則會延長Td1系統(tǒng)的制熱水周期，一般可按輔機的0.9qf取值。本例選用2臺過墻泵，參數(shù)Q=12m3/h，H=0.07MPa，N=0.55kW。

(3)1#水箱

改進方案中，主機及其循環(huán)泵沿用原方案選型，1#水箱的容積及水位控制對主機能否及時高效地將冷凝熱轉(zhuǎn)移到水體起重要作用。首先，水箱容積應保證主機和循環(huán)泵不頻繁啟停；再者，容積也不應過大，以免熱水制備周期過長，無法及時向2#箱提供50℃熱水。1#箱有效容積設置考慮因素建議:①不小于最大一臺循環(huán)泵5min的流量；②不小于主機Td1段30min的制熱量；③不小于45minQ1h。經(jīng)計算改進方案1#箱水箱有效容積取16m3。

循環(huán)加熱類主機的能效會隨著出水溫度的提高而下降[1]。當熱水出水溫度從40℃提升到50℃時，主機能效將下降10%～15%[1]。所以，為提高主機的能效，應盡可能將高溫熱水全部轉(zhuǎn)移到2#箱，避免滯留在箱內(nèi)與補水混合形成高溫區(qū)(40～50℃)反復加熱。改進方案通過控制1#箱的進水流速，將主機與進水時段適當錯開，實現(xiàn)此目的。

現(xiàn)假設Td1系統(tǒng)的一個工作周期：將1#箱水位至最低水位時設為0點，此時進水閥開啟進水，0～20min時水箱補水至滿水位，當水位達1/2箱時,即10min時，主機啟動至45min水溫升至50℃止。45min時，過墻泵開始工作，120min時可泵送完畢。可以看出，系統(tǒng)可在2h內(nèi)完成Td1段從補水至50℃熱水完全送至2#箱的一個完整工作周期。由此計算水箱的補水管徑，可以算出在持續(xù)高峰用水時段3h內(nèi)，補熱設備的有效工作時間t的最小值為90min。

表4為改進方案的熱水制備主要設備表，考慮到水箱的清洗及檢修，1#、2#水箱均采用2座并聯(lián)使用。

表4 改進方案的熱水制備系統(tǒng)主要設備表

注：主機及其循環(huán)泵同原方案，參數(shù)略

5 結語

綜上，該醫(yī)院的熱水制備系統(tǒng)原方案有待優(yōu)化，其問題的關鍵在于回收機組供熱系統(tǒng)及輔助補熱系統(tǒng)未獨立設置?；耍倪M方案將由熱回收機及加熱水箱組成的加熱系統(tǒng)和由補熱設備和儲熱箱組成的輔熱完全分離，加熱系統(tǒng)制備的50℃熱水通過專用泵提升至儲熱水箱，用戶所需的60℃熱水則由輔熱系統(tǒng)及時提供。這樣，該系統(tǒng)的供水溫度和節(jié)能則均能保障。

當然，方案的優(yōu)化是多方面的，也可以從主機的選型、輔機的形式考慮，上述改進方案也不一定是最優(yōu)的，比如：可將1#、2#箱連通管斷開，主機及輔機仍與1#箱連接，將水箱進水、主輔機開啟溫段分開(輔機僅在50度