液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組在醫(yī)療建筑中的設(shè)計(jì)總結(jié)及經(jīng)濟(jì)性分析

山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 趙建博 于曉明

廣州同方瑞風(fēng)節(jié)能科技股份有限公司 王 聰

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)醫(yī)療事業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)療建筑越來(lái)越多，醫(yī)療建筑能耗受到越來(lái)越多的關(guān)注。在醫(yī)療建筑總能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占了很大的比例，一般為20%～40%，而空調(diào)系統(tǒng)能耗中新風(fēng)能耗又占到了20%～30%。因此，空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)采用有效的節(jié)能降耗技術(shù)對(duì)降低醫(yī)療建筑總能耗有著非常重要的意義。

新風(fēng)系統(tǒng)中采用排風(fēng)熱回收技術(shù)能有效降低新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷。液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組由于其新排風(fēng)不交叉、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，非常適合應(yīng)用在醫(yī)療建筑中。本文對(duì)液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組(本文中所提及的液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組均為分體式)作簡(jiǎn)要介紹，對(duì)筆者近幾年來(lái)所做的醫(yī)療建筑中液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并以某工程為例分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組簡(jiǎn)介

1.1 原理與流程

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組，也稱(chēng)為中間熱媒式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組，它是在新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組上分別設(shè)置水-空氣熱回收換熱器，2臺(tái)熱回收換熱器間通過(guò)液體循環(huán)泵和管道進(jìn)行液體循環(huán)，將熱量傳遞給新風(fēng)或者排風(fēng)，從而預(yù)熱或者預(yù)冷新風(fēng)。循環(huán)液體一般為水，在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，為了防止結(jié)霜、結(jié)冰，宜采用乙烯乙二醇水溶液，并應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝鉁囟鹊母叩秃鸵蚁┮叶嫉哪厅c(diǎn)選擇采用不同的濃度[1]。

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組流程如圖1所示。

圖1 液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組流程圖

液體循環(huán)式熱回收新風(fēng)空調(diào)機(jī)組在熱回收換熱器后側(cè)(按新風(fēng)方向)按照實(shí)際需求增加1臺(tái)水-空氣換熱器，可以加熱或者冷卻熱回收換熱后的新風(fēng)。

1.2 分類(lèi)

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組從調(diào)節(jié)上分為帶水量調(diào)節(jié)裝置和帶風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置；從新排風(fēng)熱回收換熱器配套關(guān)系可以分為一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多形式[1]。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 新風(fēng)與排風(fēng)通過(guò)中間液體傳遞能量，不直接接觸，不存在新排風(fēng)交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。由于醫(yī)療建筑人員眾多且流動(dòng)性強(qiáng)，服務(wù)對(duì)象為患者及醫(yī)護(hù)人員，既需要滿(mǎn)足患者康復(fù)的需要，又需要滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間在醫(yī)療環(huán)境中工作的醫(yī)護(hù)人員的需要，所以對(duì)供暖空調(diào)系統(tǒng)的舒適性有更高的要求，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需充分考慮空氣交叉污染問(wèn)題。如果采用一般的熱回收方式，與新排風(fēng)有接觸，容易產(chǎn)生交叉污染。

2) 熱回收換熱器通過(guò)管道連接，新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組為分體式，安裝靈活方便。醫(yī)療建筑中，功能和平面布局復(fù)雜，分體式安裝的液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組布置靈活，其對(duì)應(yīng)的室外新排風(fēng)口能有效地拉開(kāi)距離，避免短路。

3) 運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)。

4) 循環(huán)泵、熱回收換熱器均屬于常規(guī)產(chǎn)品，設(shè)備成本低，維修簡(jiǎn)便。

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組缺點(diǎn)如下：

1) 新排風(fēng)由于通過(guò)循環(huán)液體進(jìn)行間接換熱，換熱效率較低，市場(chǎng)主流產(chǎn)品熱回收效率均低于65%，設(shè)備制造時(shí)通過(guò)換熱器換熱面積及過(guò)風(fēng)風(fēng)速的優(yōu)化可保證熱回收效率不低于55%，該設(shè)備的熱回收效率通常為55%～65%[2]。

2) 熱回收換熱器按照顯熱方式進(jìn)行換熱，不能回收潛熱。

3) 由于配備循環(huán)水泵、膨脹罐、循環(huán)管路等，新排風(fēng)空調(diào)設(shè)備初投資有所增加；由于配備循環(huán)水泵且2臺(tái)熱回收換熱器增加了空氣阻力，機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用有所增加。

2 液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組在醫(yī)療建筑中的設(shè)計(jì)總結(jié)

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)中確定循環(huán)液體及合理的質(zhì)量百分比、新排風(fēng)熱回收換熱器的設(shè)計(jì)選型計(jì)算、循環(huán)水泵膨脹罐的計(jì)算與選擇等常規(guī)設(shè)計(jì)可詳見(jiàn)相關(guān)手冊(cè)[1]和圖集，本文不再詳述。筆者主要對(duì)這幾年所做的醫(yī)療建筑工程中液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組的設(shè)備型式設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液體循環(huán)管路設(shè)計(jì)等進(jìn)行總結(jié)。

2.1 設(shè)備型式設(shè)計(jì)

隨著市場(chǎng)容量的增加，目前市場(chǎng)上有很多專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組，但也有廠家僅用2個(gè)簡(jiǎn)單的新風(fēng)機(jī)組來(lái)做這種設(shè)備(一個(gè)做新風(fēng)，一個(gè)做排風(fēng))，只考慮風(fēng)量足夠，而熱回收換熱器沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)計(jì)算選型，導(dǎo)致熱回收換熱面積不夠從而降低熱回收效率。因此，設(shè)計(jì)選型應(yīng)參考專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師應(yīng)建議建設(shè)單位從專(zhuān)業(yè)廠家采購(gòu)產(chǎn)品。

目前市面上生產(chǎn)的液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組按照風(fēng)機(jī)是否變頻分為定風(fēng)量機(jī)組和變風(fēng)量機(jī)組。定風(fēng)量機(jī)組配合定風(fēng)量末端使用，變風(fēng)量機(jī)組配合變風(fēng)量末端使用。在實(shí)際醫(yī)療建筑設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)機(jī)組服務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)選擇定風(fēng)量或者變風(fēng)量機(jī)組，從而達(dá)到更加節(jié)能的目的。

機(jī)組中的液體循環(huán)系統(tǒng)的液體循環(huán)泵、膨脹罐及相關(guān)附屬設(shè)備在設(shè)計(jì)中建議集中放置在排風(fēng)機(jī)組內(nèi)，這種設(shè)計(jì)在各種管道設(shè)備較多的醫(yī)療建筑工程中有如下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品安裝、維修方便，在后期維修保養(yǎng)中不會(huì)發(fā)生扯皮的情況。但這樣會(huì)增大排風(fēng)機(jī)組設(shè)備體積，在設(shè)計(jì)中應(yīng)預(yù)留充分的設(shè)備安裝和維修空間。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在醫(yī)療建筑工程建設(shè)中，為了避免設(shè)備招標(biāo)漏項(xiàng)和施工中出現(xiàn)責(zé)權(quán)不明確的情況，建議設(shè)計(jì)的液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組自帶控制柜及控制系統(tǒng)，設(shè)備材料表中對(duì)相應(yīng)新排風(fēng)機(jī)組的控制及檢測(cè)系統(tǒng)提出詳細(xì)要求。根據(jù)具體項(xiàng)目特點(diǎn)，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組控制及檢測(cè)系統(tǒng)可以包括但不限于：風(fēng)機(jī)啟停控制、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)及故障報(bào)警，電動(dòng)風(fēng)閥、防火閥連鎖啟閉控制，電動(dòng)水閥啟閉控制及調(diào)節(jié)，粗效過(guò)濾器狀態(tài)檢測(cè)及堵塞信號(hào)報(bào)警，盤(pán)管防凍信號(hào)及連鎖控制，凈化裝置啟閉控制、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)及故障報(bào)警，進(jìn)風(fēng)溫度檢測(cè)、PM2.5濃度檢測(cè)，送風(fēng)溫濕度檢測(cè)，加濕器啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)及故障報(bào)警，溶液泵啟?？刂?，與相應(yīng)熱回收排風(fēng)空調(diào)機(jī)組連鎖控制，機(jī)房?jī)?nèi)液晶控制面板，樓內(nèi)熱回收新排風(fēng)機(jī)組集中控制、顯示等；排風(fēng)機(jī)組控制及檢測(cè)系統(tǒng)可以包括但不限于：風(fēng)機(jī)啟停控制、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)及故障報(bào)警，電動(dòng)風(fēng)閥、防火閥連鎖啟閉控制，排風(fēng)溫度檢測(cè)，溶液泵啟?？刂?，與相應(yīng)熱回收新風(fēng)空調(diào)機(jī)組連鎖控制，樓內(nèi)熱回收新排風(fēng)機(jī)組集中控制、顯示等。

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組間信號(hào)連接線(xiàn)及線(xiàn)管建議由機(jī)組廠家提供性能參數(shù)，設(shè)計(jì)單位復(fù)核，空調(diào)施工單位采購(gòu)并施工。

2.3 液體循環(huán)管路設(shè)計(jì)

當(dāng)循環(huán)液體采用乙二醇溶液時(shí)，由于乙二醇溶液與鋅接觸時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此液體循環(huán)管路管材不得使用含鋅的材質(zhì)。

雖然液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組布置靈活，但新排風(fēng)機(jī)組間的液體循環(huán)管路不宜過(guò)長(zhǎng)，以免造成熱回收效率降低過(guò)多，在醫(yī)療建筑工程設(shè)計(jì)中一般以不超過(guò)20～30 m為宜。

3 液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組在醫(yī)療建筑中的經(jīng)濟(jì)性分析

濟(jì)南某醫(yī)院門(mén)診醫(yī)技綜合樓工程采用風(fēng)量2 000、3 000 m3/h的新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組各2組，風(fēng)量4 000 m3/h的新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組5組，風(fēng)量5 000 m3/h的新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組8組，新/排風(fēng)總量70 000 m3/h。下面就采用液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組和普通新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.1 回收冷熱量計(jì)算

濟(jì)南夏季室外空調(diào)計(jì)算參數(shù)：干球溫度34.7 ℃、濕球溫度26.8 ℃、比焓84.9 kJ/kg、含濕量19.4 g/kg；冬季室外空調(diào)計(jì)算參數(shù)：干球溫度-7.7 ℃、濕球溫度-9.3 ℃、比焓-5.2 kJ/kg、含濕量1.1 g/kg。該工程室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度：夏季26 ℃、冬季20 ℃。

夏季工況，當(dāng)室外干球溫度高于26 ℃時(shí)，開(kāi)啟乙二醇溶液泵，進(jìn)行熱回收；冬季工況，當(dāng)室外干球溫度低于15 ℃時(shí)，開(kāi)啟乙二醇溶液泵，進(jìn)行熱回收。根據(jù)選定的新排風(fēng)機(jī)組(風(fēng)量為10 000 m3/h)，對(duì)換熱盤(pán)管在冬夏季不同室外計(jì)算參數(shù)下的熱回收效率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 換熱盤(pán)管在冬夏季不同室外計(jì)算參數(shù)下的熱回收效率

通過(guò)對(duì)表1中幾種室外溫度下效率的計(jì)算可知，熱回收機(jī)組的效率全部能維持在60%以上。雖然表1中的幾種室外溫度工況點(diǎn)效率不能代表所有室外溫度工況點(diǎn)的效率，結(jié)果理想化且具有偶然性，但是以上幾種室外工況點(diǎn)計(jì)算出的效率也能定性地反映出機(jī)組在所有室外工況點(diǎn)的效率。所以，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，后續(xù)計(jì)算效率取60%。

濟(jì)南月平均干球溫度如表2所示。

表2 濟(jì)南月平均干球溫度

由表2可知，濟(jì)南市高溫天氣集中出現(xiàn)在6—8月，低溫天氣普遍出現(xiàn)在11月至次年3月，以6—8月、11月至次年3月分別計(jì)算液體循環(huán)式熱回收機(jī)組夏季和冬季的熱回收量。該醫(yī)院夏季逐時(shí)干球溫度高于26 ℃時(shí)開(kāi)啟熱回收機(jī)組，冬季逐時(shí)干球溫度低于15 ℃時(shí)開(kāi)啟熱回收機(jī)組。每天開(kāi)啟熱回收機(jī)組的時(shí)長(zhǎng)為10 h，時(shí)間段為08:00—18:00。由濟(jì)南氣象參數(shù)表逐時(shí)干球溫度篩選出符合上述要求的時(shí)長(zhǎng)，則新風(fēng)經(jīng)過(guò)熱回收換熱器后的溫度及逐時(shí)平均室外溫度下的熱回收量如表3所示。

表3 新風(fēng)經(jīng)過(guò)熱回收換熱器后的溫度及逐時(shí)平均室外溫度下的熱回收量

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組較普通新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組初投資有所增加，由于增加了熱回收換熱器、循環(huán)泵等，使得機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用也增加。但是，通過(guò)回收冷熱量可以減少新風(fēng)系統(tǒng)的供冷供熱量，從而減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。通過(guò)2個(gè)方案的初投資、運(yùn)行費(fèi)用的比較，計(jì)算出液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組的靜態(tài)投資回收期，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.2.1 初投資(見(jiàn)表4)

表4 2個(gè)方案的初投資

3.2.2 年運(yùn)行費(fèi)用

該工程夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)按750 h計(jì)算，冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)按1 530 h計(jì)算；當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)0.9元/(kW·h)；夏季空調(diào)系統(tǒng)采用冷水機(jī)組，綜合COP為4.0；冬季采用市政供暖，用熱費(fèi)用為0.3元/(kW·h)。

新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組年運(yùn)行費(fèi)用如表5所示。

表5 新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組年運(yùn)行費(fèi)用

液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組較普通新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組夏、冬季減少的空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表6。

表6 夏、冬季節(jié)省的空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用

該工程液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組較普通新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組全年減少的運(yùn)行費(fèi)用為8.63萬(wàn)元。

3.2.3 靜態(tài)投資回收期

該工程液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組靜態(tài)投資回收期為2.09 a。假設(shè)液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組使用壽命為15 a，使用周期內(nèi)可以減少費(fèi)用111.45萬(wàn)元。

通過(guò)以上計(jì)算分析可以得出，液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組較普通新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組雖然增加了初投資和機(jī)組本身運(yùn)行費(fèi)用，但減少了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，大約2 a可以收回初投資，之后每年減少的運(yùn)行費(fèi)用較可觀。該工程設(shè)計(jì)選用的是定風(fēng)量液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組，而在實(shí)際醫(yī)療建筑工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)機(jī)組所服務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)選擇變風(fēng)量機(jī)組，根據(jù)房間標(biāo)定的污染物濃度實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量運(yùn)行，不僅可以提供更高品質(zhì)的空氣，還可以更大程度地減少運(yùn)行費(fèi)用，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在節(jié)能減排越來(lái)越重要的今天，各項(xiàng)通風(fēng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在實(shí)際工程中。液體循環(huán)式熱回收新排風(fēng)空調(diào)機(jī)組具有新排風(fēng)不交叉、布置靈活、減少運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療建筑工程中會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。