醫(yī)院手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵夏季運(yùn)行特性研究

王玉來 李永安 蘆志凱

1 山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院

2 山東建筑大學(xué)發(fā)展評(píng)估與規(guī)劃處

空氣源熱泵在冬季制熱運(yùn)行時(shí)，可重復(fù)循環(huán)利用潔凈手術(shù)部的排風(fēng)作為其低溫?zé)嵩?，即為基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵。在冬季制熱運(yùn)行時(shí)，通過回收利用潔凈手術(shù)部的排風(fēng)，對(duì)改善冬季制熱時(shí)惡劣的運(yùn)行工況有明顯的效果，可大大提高其制熱性能系數(shù)，增大其制熱量，進(jìn)一步改進(jìn)工作性能[1]。夏季制冷運(yùn)行時(shí)，潔凈手術(shù)部排風(fēng)的溫度通常為22～25 ℃，相對(duì)濕度在60%左右，另外排風(fēng)的潔凈度也相當(dāng)高，因此醫(yī)院潔凈手術(shù)部凈化空調(diào)所使用的熱泵在夏季制冷運(yùn)行時(shí)，用排風(fēng)作為高溫?zé)嵩?，也可回收利用手術(shù)部較低溫度排風(fēng)的冷量，實(shí)現(xiàn)可再生能源重復(fù)循環(huán)利用，其性能也會(huì)有明顯的提高。為更好的研究蒸發(fā)冷熱泵機(jī)組的全年運(yùn)行性能，需建立其性能模型[2]。本文建立了數(shù)學(xué)模型對(duì)醫(yī)院手術(shù)室排風(fēng)回收熱泵的性能特性進(jìn)行分析研究。

1 夏季制冷工況下熱泵運(yùn)行數(shù)學(xué)模型建立

目前，技術(shù)較為成熟且再生效率較高的是熱泵熱回收再生方法[3]。由于熱泵空調(diào)制冷設(shè)備的局限性，一般在夏季制冷運(yùn)行時(shí)，空氣源熱泵的制冷性能系數(shù)小于常規(guī)的冷水機(jī)組，也小于水源熱泵機(jī)組。通常通過降低冷凝溫度或者提高蒸發(fā)溫度來提高熱泵機(jī)組的制冷、制熱系數(shù)，從而提高機(jī)組的能源利用效率[4]。

1）熱泵壓縮機(jī)的制冷功耗[5]

熱泵壓縮機(jī)的耗功率是指由電動(dòng)機(jī)傳至壓縮機(jī)軸上的功率，也稱壓縮機(jī)的軸功率Pe

式中：Pi為壓縮機(jī)直接用于壓縮氣體的指示功率，kW；Pm為用于克服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力的摩擦功率，kW。

熱泵壓縮機(jī)的輸入功率Pin[4]

式中：ηd為傳動(dòng)效率，直聯(lián)時(shí)為1，采用三角皮帶聯(lián)接時(shí)為0.90～0.95；ηo為電動(dòng)機(jī)的效率。

熱泵壓縮機(jī)的制冷性能系數(shù)COP

2）冷凝器的流動(dòng)換熱[5]

冷凝器空氣側(cè)的換熱量Qa(R)

式中：ma(R)為冷凝器空氣側(cè)的空氣質(zhì)量流量，kg/s；hao(R)為冷凝器出口的空氣比焓值，kJ/kg；hai(R)為冷凝器入口的空氣比焓值，kJ/kg。

冷凝器制冷劑側(cè)的換熱量Qr(R)

式中：αi(R)為換熱系數(shù)，由熱泵機(jī)組和va等決定；mr(R)為冷凝器制冷劑側(cè)的質(zhì)量流量，kg/s；hri(R)1為冷凝器入口制冷劑的比焓值，kJ/kg；hro(R)1為冷凝器出口制冷劑的比焓值，kJ/kg。

由管內(nèi)外兩側(cè)的換熱平衡可得：

式中：ξ1為冷凝換熱效率，專業(yè)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供。

3）工質(zhì)流經(jīng)熱力膨脹閥時(shí)可近似認(rèn)為絕熱節(jié)流。

4）蒸發(fā)器的流動(dòng)換熱

制冷劑側(cè)的流動(dòng)換熱Qr(R)2

式中：hro(R)2為蒸發(fā)器出口制冷劑的比焓值，kJ/kg；hri(R)2為蒸發(fā)器入口制冷劑的比焓值，kJ/kg。

蒸發(fā)器水側(cè)的流動(dòng)換熱Qw(R)2

式中：mw(R)為蒸發(fā)器水側(cè)的質(zhì)量流量，kg/s；hwi(R)2為蒸發(fā)器水側(cè)入口的比焓值，kJ/kg；hwo(R)2為蒸發(fā)器水側(cè)出口的比焓值，kJ/kg。

由管內(nèi)外換熱平衡：

式中：ξ2為蒸發(fā)換熱效率，專業(yè)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供。

根據(jù)上述分析得出的數(shù)學(xué)模型公式和狀態(tài)量，在特定溫度下測(cè)得制冷量，性能系數(shù)COP，及普通空氣源熱泵的參照值，進(jìn)一步分析在回收利用潔凈手術(shù)部排風(fēng)情況下空氣源熱泵的制冷性能特性。

2 實(shí)驗(yàn)過程及分析

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)法分析熱泵夏季實(shí)際運(yùn)行性能特性。把某醫(yī)院潔凈手術(shù)部其中1 臺(tái)空氣源熱泵當(dāng)作實(shí)驗(yàn)機(jī)組，其室外換熱器引入潔凈手術(shù)部的排風(fēng)，另一同種型號(hào)機(jī)組作為參照機(jī)組（通常的環(huán)境條件）。然后對(duì)比實(shí)驗(yàn)機(jī)組和普通熱泵機(jī)組，進(jìn)一步研究基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵的性能變化。圖1 所示為排風(fēng)熱回收換熱室流程圖。

圖1 排風(fēng)熱回收換熱室流程圖

實(shí)驗(yàn)所使用的儀器有：玻璃水銀溫度計(jì)、水流量計(jì)、銅-康銅熱電偶、便攜式干濕球溫度測(cè)試儀、熱球風(fēng)速儀、PROVA-6600 型三相鉤式電力計(jì)、電功率表。

實(shí)驗(yàn)方法和步驟：

1）選擇夏季天氣較炎熱的測(cè)量日，以便可測(cè)得室外空氣溫度較高時(shí)（如36 ℃或35 ℃等）熱泵制冷運(yùn)行工況時(shí)的參數(shù)，隨著室外氣溫的變化，可測(cè)得各溫度下的熱泵運(yùn)行工況參數(shù)。測(cè)量室外空氣溫度（熱泵附近），每隔10 min 記錄一次，不少于3 次，其溫度值取多次測(cè)量計(jì)算的平均值。

2）用便攜式干濕球溫度測(cè)試儀測(cè)量室外空氣的濕度、排風(fēng)的溫度和濕度、進(jìn)、出空氣源熱泵的空氣溫度和濕度，每隔10 min 記錄一次，不少于3 次，其溫度值和濕度值取多次測(cè)量計(jì)算的平均值。

3）用熱球風(fēng)速儀在排風(fēng)管斷面的不同位置測(cè)量潔凈手術(shù)部排風(fēng)的風(fēng)速，用熱球風(fēng)速儀在迎風(fēng)面的不同位置測(cè)量空氣源熱泵的迎面風(fēng)速，每隔10 min 記錄一次，不少于3 次，其風(fēng)速值取多次測(cè)量計(jì)算的平均值。

4）熱泵機(jī)組的供、回水管路上裝有銅-康銅熱電偶溫度計(jì)、壓力表、水流量計(jì)，可測(cè)量供、回水的溫度和水流量值。

5）熱泵機(jī)組壓縮機(jī)的耗功量可從配電柜各回路上用三相鉤式電力計(jì)測(cè)出數(shù)值的多少，系統(tǒng)的總耗功量可從配電柜安裝的總電功率表上讀出，每一溫度下壓縮機(jī)的耗功量測(cè)量時(shí)間不小于30 min。

夏季制冷運(yùn)行時(shí)，排風(fēng)直接引入換熱小室與室外空氣混合，由于兩種空氣的密度相差不大，也可近似取氣體的體積流量代替質(zhì)量流量，混合氣體溫度t'h的計(jì)算公式為：

式中：tao為室外空氣溫度，℃；tp為潔凈手術(shù)部排風(fēng)的溫度，℃（夏季制冷運(yùn)行時(shí)為25 ℃左右）；Vao為進(jìn)入熱泵的室外空氣流量，m3/h；Vp為潔凈手術(shù)部的排風(fēng)量，m3/h；ρa(bǔ)o為室外空氣的密度，kg/m3；ρp為潔凈手術(shù)部排風(fēng)的密度，kg/m3；ρh為混合空氣的密度，kg/m3。

進(jìn)、出室外換熱器的濕空氣的比焓值可以用下式計(jì)算[6]：

式中：t 為進(jìn)、出室外換熱器濕空氣的溫度，℃；d 為進(jìn)、出室外換熱器濕空氣的含濕量，g/kg干空氣；db為飽和空氣的含濕量，g/kg干空氣；φ 為濕空氣的相對(duì)濕度（可由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到）。

式中：t1、t2為熱泵進(jìn)、出水溫度，℃。

3 計(jì)算及性能分析

3.1 制冷量計(jì)算

當(dāng)室外空氣溫度為35 ℃時(shí)，由測(cè)量所得對(duì)照機(jī)組的（普通空氣源熱泵）出水溫度t1=6.9 ℃，進(jìn)水溫度t2=12.27 ℃（多次測(cè)量的平均值），進(jìn)、出熱泵機(jī)組的水流量為21.5 m3/h。實(shí)驗(yàn)機(jī)組（基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵）的出水溫度t/1=6.53 ℃，進(jìn)水溫度t/2=12.09 ℃，進(jìn)出熱泵機(jī)組的水流量為21.6 m3/h。由式（15）計(jì)算得出對(duì)應(yīng)熱泵的制冷量QH為134 kW，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵的制冷量為139.5 kW，依次計(jì)算出各制冷量值（如圖2）。

圖2 制冷量隨室外空氣溫度的變化關(guān)系

由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值計(jì)算可得熱泵機(jī)組壓縮機(jī)的耗功量，詳見圖3。

圖3 壓縮機(jī)耗功量隨室外空氣溫度的變化關(guān)系

由式（3）計(jì)算可得熱泵的制冷系數(shù)。如t=35 ℃時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得普通空氣源熱泵（普通熱泵） 的制冷量QH=134 kW，壓縮機(jī)耗功量W=42.8 kW，可得制冷系數(shù)COPR=3.13。同理可得基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵（基于排風(fēng)熱泵）的制冷量Q/R=139.5kW，壓縮機(jī)耗功量W/=41.5 kW，可得制冷系數(shù)COP/R=3.36。詳見圖4。

圖4 制冷系數(shù)COP 隨室外空氣溫度的變化關(guān)系

圖2～圖4 的橫坐標(biāo)均為室外空氣溫度。由圖示可知，當(dāng)室外空氣溫度為35 ℃時(shí)，普通空氣源熱泵的制冷量QR為134 kW，COP 為3.13，而此時(shí)基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵的制冷量QR為139.5 kW，COP達(dá)到3.36，制冷量提高了4.1%，COP 提高了7.35%?；跐崈羰中g(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵的制冷量QR、制冷性能系數(shù)COP 和普通空氣源熱泵相比都有所提高，而且隨著室外空氣溫度的升高，提高的幅度逐漸增大。在相同的室外空氣溫度下，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵的QR/、COP 與普通空氣源熱泵相比都有所增大。可見，與普通空氣源熱泵相比，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵在夏季制冷運(yùn)行時(shí)，其制冷量、性能系數(shù)等特性有明顯的改善和提高。

3.2 基于排風(fēng)熱泵性能特性改進(jìn)途徑

1）空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行的制冷量、性能系數(shù)COPR 值等，與熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家彩頁或銘牌標(biāo)注的參數(shù)值有差距。首先應(yīng)該歸結(jié)于實(shí)驗(yàn)的測(cè)試手段和所用儀器比較原始，使用試驗(yàn)設(shè)備的方法不夠?qū)I(yè)，測(cè)試所采用的方法和實(shí)驗(yàn)條件差異所致。其次是在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行的，受室外環(huán)境限制，當(dāng)室外空氣溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，往往實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷會(huì)變化或波動(dòng)，如：有的手術(shù)室突然開啟或關(guān)閉，對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生很大影響。因此要想提高熱泵的性能，重點(diǎn)應(yīng)分析基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵的各項(xiàng)性能相關(guān)因素，研究專門適用于醫(yī)院潔凈手術(shù)部凈化空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)冷熱泵機(jī)組。

2）改變傳統(tǒng)空氣源熱泵的結(jié)構(gòu)方式，研發(fā)“分體式”熱泵機(jī)組，把室外換熱器放置在風(fēng)管結(jié)構(gòu)小室內(nèi)，并適當(dāng)減小換熱器迎風(fēng)面的風(fēng)速，充分利用潔凈手術(shù)部的低溫排風(fēng)，最大限度的實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行冷熱量回收[7]。

3）熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家銘牌標(biāo)注的參數(shù)值，是在一定的理想狀況下得出的，和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)存在一定差距，存在氣候區(qū)域差異。同時(shí)在某些方面反映出熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家彩頁標(biāo)注的參數(shù)值的特定局限性，設(shè)計(jì)師在工程設(shè)計(jì)選用熱泵機(jī)組型號(hào)時(shí)，應(yīng)與具體的使用工況相結(jié)合。

4 結(jié)語

1）基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)空氣源熱泵在夏季制冷運(yùn)行時(shí)，可回收潔凈手術(shù)部的“低溫”排風(fēng)中的冷量，實(shí)現(xiàn)可再生能源重復(fù)回收利用。

2）潔凈手術(shù)部排風(fēng)冷熱量回收也屬于可再生能源回收利用，可改善其運(yùn)行狀況和性能。

3）與普通空氣源熱泵相比，基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵在夏季制冷運(yùn)行時(shí)，制冷量提高了4.1%，COP 提高了7.35%，效果明顯。

4）空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行的COP 值與銘牌標(biāo)定值有差距，其產(chǎn)生的原因是多方面的。設(shè)計(jì)時(shí)需要暖通設(shè)計(jì)師根據(jù)不同的氣候區(qū)域來考量。

5）對(duì)基于潔凈手術(shù)部排風(fēng)的空氣源熱泵進(jìn)行改進(jìn)，改變傳統(tǒng)的空氣源熱泵冷凝器、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)型式，充分利用潔凈手術(shù)部低溫排風(fēng)，提高冷量回收效率。