淺析熱管熱回收技術在醫療建筑空調系統中的應用

陸瓊文

華東建筑設計研究院總院

1 引言

目前，公共建筑已成為工業建筑外的主要能耗載體。公共建筑能耗包括供暖、空調、生活用熱水、照明等方面內容，其中供暖、空調約占50%以上[1]，而在各類型公共建筑中，醫院建筑能耗相對處于較高的水平。

在空調負荷中，新風負荷占了較高的比例。在新風系統設置能量回收裝置，使新風與排風進行熱交換，將排風所攜帶的冷/熱量傳遞給新風，可有效地減少新風系統的耗冷量/耗熱量，是降低建筑能耗的有效措施之一。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）、《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）等規范均建議在設置集中排風的系統中設置空氣-空氣能量回收裝置。

2 常用的空氣-空氣能量回收裝置

在空調熱回收系統中，目前較常用的有轉輪式換熱器、板式換熱器、盤管換熱器和熱管換熱器。

2.1 轉輪式換熱器

轉輪熱回收分顯熱回收和全熱回收兩種方式。顯熱回收的材質一般為鋁箔，全熱回收中的材質為具有吸濕表面的鋁箔材料或其他蓄熱吸濕材料。轉輪作為蓄熱芯體，在旋轉過程中排風與新風逆向經轉輪各自釋放或吸收熱量，完成全熱交換。其優點是熱回收效率可達到70%～80%。轉輪式換熱器需要設置傳動機構，需日常維護。對于排風中含有害物、有毒物質的場所并不適用。

2.2 板式換熱器

板式換熱器分為平板式顯熱換熱和板翅式全熱換熱器兩種，其優點為結構簡單、無傳動部件、運行可靠、使用壽命長。但存在壓力損失大，結構強度不高，凝結水、結冰現象影響使用壽命等缺點，它一般適用于風量較小的通風系統。

2.3 盤管換熱器

盤管換熱器是一種空氣+液體的換熱器，由布置在新、排風管道上的兩個換熱器、循環泵、膨脹箱、排氣閥和管道配件等組成。管道內的傳熱液體采用乙二醇或水，傳熱液體將排風中的熱量通過換熱傳遞給新風。該系統布置靈活，新排風系統可分開布置，新風排風介質不接觸，安全可靠。但由于系統復雜，對日常維護要求較高，且需經過兩次換熱，熱回收效率較低。

2.4 熱管換熱器

熱管由蒸發段、絕熱段、冷凝段三部分組成，其結構如圖1所示。當熱管的一端受熱后，吸液芯中的液體吸收外界熱量迅速汽化，在微小壓差下流向熱管的另一端，在向外界放出熱量后冷凝成為液體，液體借助于貼壁金屬網的毛細抽吸力返回到加熱段，并再次受熱汽化。如此不斷循環，熱量就從管的一端傳向另一端。熱管換熱器依靠工作液體的相變來實現傳熱，換熱效率高且無傳動機構，且新、排風介質不接觸，安全可靠。

圖1 熱管結構原理圖

由于醫院建筑排風中含有一定量的污染物，因此公共建筑中常用的轉輪熱回收系統，很少在醫療建筑設計中采用。根據《綜合醫院建筑設計規范》（GB51039-2014）中的規定[2]，醫療用房的集中空調系統的新風量不應低于40 m3/h·P或2次/h換氣，其新風量及新風負荷占比均高于辦公、商業等一般公共建筑。因此，若采用新排風熱回收技術，回收部分排風能量，能在一定程度上降低新風能耗，從而達到節能的目的。

各類換熱器之間的性能比較見表1。為了避免新風與排風之間的交叉污染，獲得較高換熱效率，且系統運行維護簡單，醫院中采用熱管換熱器是一種較好的選擇。

本文以上海市某醫院設計的通風系統為例，分析醫院建筑中使用熱管熱回收技術的節能性、經濟技術性以及設計過程中的注意事項。

3 熱管熱回收技術在醫院建筑中的應用分析

3.1 項目概況

表1 多種能量回收系統的性能比較

該醫院總建筑面積185 000 m2，包括門診、急診急救、住院、后勤綜合、感染科等功能。其中5層至22層為住院部，建筑面積約57 000 m2，床位數為1 200床。住院部設置集中新風與排風系統，系統中采用熱管熱回收技術。熱回收裝置在設備層和屋面集中布置，總新風量184 000 m3/h，總排風量160 000 m3/h，共分為8個子系統，單臺熱回收型新排風機組新風量23 000 m3/h,排風量20 000 m3/h。圖2為住院樓中某子系統的通風原理圖。

3.2 設計過程中的注意事項

由于熱管技術無動力設備，液體工質是依靠重力或者毛細管力回流至蒸發段，因此需實現全年熱回收的熱管熱回收器，新排風機組應水平布置，不可疊放。在布置機房上應充分考慮設備占地。

熱管熱回收裝置宜設置旁通回路，當新排風溫度不具備熱回收條件時，可將新風旁通送入新風機組。

在北方寒冷地區使用熱管熱回收裝置，宜在新風入口設置預熱段，保證進入熱管熱回收裝置的新風高于-10℃，避免出現結冰現象。本項目位于上海，因此未增加預熱段。

3.3 熱管熱回收節能特性分析

在同一工況下，熱管換熱器的換熱特性受熱管排數、換熱工質類別以及換熱管材料等的影響。根據文獻，熱管換熱器的效率與壓力損失如表2所示。

表2 熱管換熱器效率與壓力損失[3]

根據AHRI Standard 1060-2011[4]規定，用于空氣-空氣能量回收通風裝置中的空氣-空氣換熱器的顯熱效率，可用下列公式計算：

圖2 住院樓中某子系統通風原理圖

式中，Gs——送風質量流量，kg/s；Gmin——排風質量流量與送風質量流量的最小值，kg/s；t1——排風入口溫度，℃；t2——新風出口溫度，℃；t3——新風入口溫度，℃。

當新風、排風流量不變時，顯熱效率僅和介質溫度有關。在已知新、排風流量，新風入口溫度（室外溫度），排風入口溫度（室內溫度），可以根據式（1）計算出新風出口溫度t2，進而根據新風流量和新風進、出口溫度獲得熱回收量：

由于熱管熱回收裝置存在壓力損失，且為了保護熱管需在排風入口側額外增設空氣過濾器，故實際收益需要扣除該部分造成的風機電量增量：

依據上海市電費標準、天然氣標準，結合上海地區氣象資料[5]，筆者計算了全年工況熱管熱回收裝置的收益情況。計算過程中有如下假定：

1） 每年3月15日～4月14日，10月15日～11月14日為非空調季；

2） 當新風溫度不滿足熱回收條件時，即夏季室外溫度低于室內溫度，冬季室外溫度高于室內溫度時，開啟旁通；

3） 供冷工況空調系統綜合COP按3.0取值；

4） 供熱工況空調系統按燃氣熱水鍋爐作為熱源，鍋爐效率按93%取值，并假設熱水泵揚程為30 m H2O。

5） 非空調季節和新風溫度不滿足熱回收條件時，熱管熱回收裝置會增加風機能耗，增加的運行費用見式（5）。冬季運行費用按式（6）計算，夏季運行費用按式（7）計算，當熱回收節能量大于風機能耗時運行會節省運行費用，反之增加。

其中，C——運行費用，元；Pe——電價，元/kWh[6]；Pg——燃氣價，元/kWh[7]；ηb——鍋爐效率，取0.93；ηp——水泵效率，取0.80；?H——熱水泵揚程，取30 m H2O；Gws——熱水流量，t/h，系統溫差取10℃；SCOP——冷水系統綜合制冷系數，取3.0。

根據式（5）～式（7），可以計算全年逐時室外溫度情況下的熱管運行費用，計算結果見圖3。由圖3可知，由于熱管熱回收為顯熱回收技術，新排風溫差是主要驅動力，夏季新排風溫差小，熱回收裝置節能量較少，運行收益為2 167元，僅占總節能量的3%；冬季新排風溫差大，熱回收裝置節能量遠大于夏季工況，運行收益為68 130元，占總節能量的97%。同時，由于采用熱管熱回收需要風機提供額外的風機壓頭，當新排風溫度不具備熱回收條件或熱回收量較小的情況下，會出現負收益的情況，該部分的總費用約為8 613元。

圖3 6排管工況熱管熱回收裝置全年收益/元

根據計算，6排的熱管熱回收裝置全年運行收益為61 683元，全年共有3 758 h能實現新、排風熱回收，時間占比43%。

3.4 熱管熱回收盤管排數收益分析

根據3.2節中介紹的計算方法，筆者分別計算了2排、4排、6排、8排、10排工況的全年收益情況，并計算了靜態回收周期，計算結果匯總如表3所示。

表3 不同排數工況下熱管熱回收器全年收益與靜態回收周期

圖4 熱管排數經濟性分析

由圖4可知，隨著熱管排數的增加，年收益逐步增大，但增速與排數的增量不成正比。靜態回收周期的趨勢也驗證了該結果。6排管工況是比較經濟的配置方案，該項目最終也選取了6排的熱管熱回收器。由于熱管換熱器無運動部件，又便于清洗，其使用壽命遠長于轉輪換熱器、盤管換熱器，因此可以考慮較長的回收周期，以獲得更大的節能收益。

4 結論

（1）醫院建筑通風系統排風量大，排風中含有大量的余熱，又由于傳統板式和轉輪式熱回機組在醫院建筑中存在交叉感染的風險，因此醫院設計中較少采用該類型的空氣-空氣熱回收技術。熱管熱回收技術不接觸介質，高效低阻，維護便捷，故適合在醫院建筑中應用。

（2）顯熱回收技術，新排風溫差是主要的驅動力，因而供熱工況下的熱回收量會遠大于供冷工況。本文通過上海某醫院的實例，計算分析了熱管熱回收裝置的全年收益情況。根據分析結果，可推斷在冬季室外溫度更低的區域，更適合采用熱管熱回收技術。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB50189-2015，公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015．

[2]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會．GB51039-2014，綜合醫院建筑設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2014．

[3]陸耀慶．中國建筑科學研究院.實用供熱空調設計手冊. [M].北京：中國建筑工業出版社，2008：2491～2509.

[4]AHRI.AHRI Standard 1060-2011 Performance rating of air-to-air heat exchangers for energy recovery ventilation equipment [S].USA: Airconditioning, Heating, and Refrigeration Institute, 2015.

[5]中國氣象局氣象數據中心．中國氣象數據網[EB/OL]．北京：中國氣象局氣象數據中心，2005[2017-10-20] ．http://data.cma.gov.cn/.

[6]上海市經濟和信息化委員會網站 [Z]．上海：上海市經濟和信息化委員會，[2017-10-20]．http://www.sheitc.gov.cn/.

[7]上海燃氣[Z]．上海：上海燃氣（集團）有限公司， 1999 [2017-10-20]． ttp://www.shgas.com.cn/.

節能信息與動態

黃浦區超進度完成三季度節能降碳目標

近年來，黃埔區節能辦聚焦“三個抓”，落實目標責任。（1）抓責任督查。制定并下發了《黃浦區2017年節能減排工作計劃》及任務分解表等文件，將節能任務目標分解有關部門、街道和重點用能單位，并建立了定期督促檢查機制。推動重點用能單位完成能源利用和溫室氣體排放報告。（2）抓對標達標。按季度公布節能晴雨表，對區內重點用能單位開展酒店、辦公、商業等分行業能耗對標工作，對重點樓宇開展在線能效水平對標達標，推進斯格威大酒店獲得金牌能效“領跑者”。（3）抓考核公示。通過會議、區節能網站，公布年耗能500t標準煤及以上的區重點用能單位名單，對重點建筑進行能耗公示。考核結果通過區節能網站予以公布，便于社會共同監督。

據統計，2017年前三季度黃浦區單位增加值能耗同比下降4.33%，能耗總量同比下降0.1%，超進度完成三季度節能降碳目標。