住院大樓熱泵熱水系統的設計

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。總建筑面積為11 808.6 m2，地下建筑面積為789.4 m2，總床位數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、藥庫、急診和附屬用房;2至14層為帶有單間衛生間的各科室病房，15層為手術室，設有更衣室、麻醉室、醫生辦公室、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，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

《民用建筑節能條例》第十一條規定國家推廣使用民用建筑節能的新技術、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的熱源，宜首先利用工業余熱、廢熱、地熱和太陽能。經現場調查，本工程所處位置無工業余熱、廢熱和地熱可以利用，附近無區域鍋爐房，也沒有市政熱力管網。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的重視，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以上地區的年太陽輻照量超過5 000 MJ/m2，年日照時數在2 200 h以上。開發和利用豐富、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:水平面年總日輻照量Hht=3 493.0 MJ/(m2·a)，年總日照小時數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℃。上述數據表明，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，太陽能穩定性差，屬于太陽能資源貧乏區。

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，但當地無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地比較常用。空氣源熱泵適用于長江以南地區小型的集中生活熱水供應系統，是建筑節能推廣應用能源之一，熱泵空調、熱泵熱水是目前國際主流的應用降低建筑能耗的產品。熱泵供熱的經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)燃煤鍋爐房產生的廢氣、廢渣對周圍環境有影響，而空氣源熱泵對周圍環境影響小。

(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℃，年平均環境溫度15.4℃，建筑氣候分區屬溫和地區，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。

3 主要設計技術參數

3.1 設計日用熱水量

根據《建筑給水排水設計規范》(GB 50015－2003)的熱水用水定額，考慮到住院部病人的使用和當地用水的實際情況，該工程熱水設計日用水定額:病人為120L/(床·d)，醫護人員為70L/(人·班)。陪護人員取病人人數的20%(用水定額與病人相同)，醫護人員取病人人數的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，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，考慮到產品使用地區室外計算溫度修正系數和機組融霜修正系數，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 熱水系統分區及供水范圍確定

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

熱水系統流程示意圖見圖1。

圖1 生活熱水系統流程示意

高區的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的設計

住院樓熱水系統設計要求:恒溫恒壓供應熱水;手術室、產房等部門要求經常有熱水供應;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%;醫院建筑不得采用有滯水區的容積式水加熱器。所以本工程采用空氣源熱泵循環加熱，高峰用水時由熱泵與熱水箱聯合供應熱水的方式，見圖2。

圖2 空氣熱泵熱水機組示意

為了使系統的運行滿足使用要求，本建筑采用以下的控制方式:

(1)循環加熱:本工程采用循環式熱泵熱水機組，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，熱水循環泵P2開啟，熱水機組啟動，進行循環加熱;當水箱水溫達到設定溫度時，T2發出信號，循環泵P2和熱水機組關閉。

(2)電輔助加熱器:當環境溫度低于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:在開始供應熱水前，如果T1低于設定溫度(50℃)，循環泵P1自動啟動，同時電磁閥M1打開，干管熱水進行循環，當T1高于設定溫度(55℃)時循環泵自動停止。

6 結束語

在醫院住院大樓等建筑的設計中，集中熱水系統的設置不可或缺，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、熱水系統的設計、設備的選型等方面因地制宜、經濟適用、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新的建筑節能技術和節能產品，因而在建筑集中熱水系統設計中的熱源選擇更為重要，必須結合工程實際選擇節能的新技術、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范［S］

［3］06SS127熱泵熱水系統選用與安裝［S］

［4］GB 50364－2005民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范［S］