北京回龍觀醫院地源熱泵空調系統診斷調適

中國建筑科學研究院有限公司 張志杰北京回龍觀醫院 龐 宇中國建筑科學研究院有限公司 狄彥強 劉壽松 趙 晨

0 引言

隨著公共建筑規模的不斷擴大，公共建筑的能耗已經占據我國建筑能耗中很大的一部分[1]。醫院建筑，不同于普通公共建筑，其基本全天運行，整體能耗較高。根據對醫院建筑用能特點的研究，在醫院全年能耗中，約40%～50%由空調制冷與供暖系統產生，約10%～20%由照明產生，約15%～20%由生活熱水及醫用、廚房蒸汽[2]產生。冷熱源能耗占醫院建筑能耗較大比例，因此，對醫院建筑進行節能改造勢在必行。醫院建筑節能改造應從節能潛力大、操作性強、適合大面積推廣且具有良好投資效益的技術入手。本文以回龍觀醫院地源熱泵空調系統診斷調適為例，通過低成本系統調適，降低地源熱泵側水力能耗，實現系統節能運行，取得較好的經濟效益，希望為其他醫院建筑的運行管理提供一定的借鑒，真正意義上實現“小投入，大收益”。

1 工程概況

北京回龍觀醫院是北京市最大的公立三級甲等精神衛生專科醫院，編制床位1 369張，占地面積14.7萬m2，建筑總面積6.8萬m2。本次調適對象為醫院門急診綜合樓地源熱泵空調系統。該樓于2016年10月正式投入使用，建筑面積為22 052 m2，其中地上面積15 000 m2，地下面積7 052 m2。建筑層數為地上7層，地下2層，主要功能劃分包括急診、門診、醫學研究中心、治療中心、醫學檢驗中心、康復中心、職能辦公室等。

該醫院門急診綜合樓采用2臺單螺桿式地源熱泵機組作為空調系統的冷熱源，單臺機組額定制冷量為872.6 kW，額定制熱量為843.5 kW，夏季供冷設計供/回水溫度為8 ℃/13 ℃，冬季供暖日常運行供/回水溫度為45 ℃/39 ℃。冷熱源機組配備2臺冷水變頻循環水泵及2臺冷卻水變頻循環水泵，水泵額定功率均為22 kW。通過對熱泵機房及系統管道保溫情況進行現場調研后發現，空調機房整體運行狀況良好，管道保溫防護措施較好，未發現“跑冒滴漏”現象。

2 系統測試診斷分析

2020年7月28—31日，在1臺機組、2臺冷水循環泵及2臺冷卻水循環泵正常開啟的狀態下，分別使用熱電偶、溫度記錄儀(精度為±0.1 ℃)及超聲波流量計(精度為±1.5%讀數)對冷水機組及地源側的供回水溫度和供回水流量進行現場實測。

2.1 供回水溫度分析

整個測試期間，空調側及地源側供回水溫度變化如圖1所示，從圖中可以看出，空調側與地源側供回水溫差相差不大，基本維持在1.4～2.6 ℃，遠低于設計的供回水溫差5 ℃。白天(07:00—19:00)空調側供/回水平均溫度為13.8 ℃/15.8 ℃，高于機組設計的供/回水溫度8 ℃/13 ℃。夜間(19:00至次日07:00)冷凝器出水溫度及蒸發器進出水溫度均呈現出周期性波動，說明夜間冷負荷較小，機組負載過低，出現頻繁啟停狀態。

圖1 空調側及地源側供回水溫度變化曲線

由于空調機組冷水溫度較高，新風機組除濕能力有限。尤其當前疫情期間，醫院采取全新風運行，新風量加大導致室內濕度過高。若突然調低送風溫度，在空調送風口位置會出現結露凝水現象。

2.2 供回水流量分析

對地源熱泵機組的供回水流量進行了實測。其中，機組空調側干管平均水流量為263 m3/h，兩支管平均水流量分別為94、112 m3/h。兩支管總流量為206 m3/h，較干管水流量減小了21.7%。初步判定為部分冷水通過供回水旁通管循環，造成不必要的能量損失。

熱泵機組空調側實測平均水流量為263 m3/h，設計工況下單臺機組運行空調側額定水量為150 m3/h，存在典型的大流量小溫差運行問題。熱泵機組地源側實測平均水流量為313 m3/h，設計工況下單臺機組運行地源側額定水量為180 m3/h，也同樣存在典型的大流量小溫差運行問題。

該項目設計工況下，1臺熱泵機組對應開啟1臺地源側循環水泵和1臺空調側循環水泵，而實際運行工況下運維人員擔心不能保證最不利環路室內效果，在開啟1臺熱泵機組時地源側水泵和空調側水泵各開啟2臺，這是系統流量偏大的主要原因，同時也導致循環水泵耗電量占比偏高，進而促使整個系統能效比偏低。

2.3 機組運行能效分析

通過計算熱泵機組供冷量、熱泵機組及循環水泵耗電量，得出測試期間地源熱泵機組的平均制冷性能系數(COP)為4.97，地源熱泵系統的平均制冷性能系數為2.80，不滿足GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中地源熱泵系統平均制冷性能系數≥3.0的要求。

2.4 診斷問題分析

通過對該項目供回水溫度、流量、機組及系統能效等參數測試分析及對機組和水泵耗電量記錄分析，發現存在以下幾點問題：1) 熱泵空調側及地源側供回水溫差不足設計溫差一半；2) 熱泵機組出水溫度偏高，近14 ℃，遠高于設計出水溫度；3) 系統實際運行水量遠大于設計所需水量，造成大量循環水泵能量浪費；4) 循環水泵耗電量比例遠高于常規系統；5) 熱泵系統實際運行能效比小于《可再生能源建筑應用工程評價標準》中要求的最低值。該項目地源熱泵系統長期處于大流量、小溫差、高能耗運行模式，造成大量資源浪費。

3 系統調適

3.1 調適措施

結合前期對地源熱泵機組的運行診斷分析結果，針對該醫院地源熱泵系統運行過程中存在的主要問題，重點從以下幾方面進行現場調適：1) 關閉1臺地源側循環泵和1臺空調循環泵，保證熱泵系統運行狀況接近設計工況；2) 對最不利環路進行專項診斷，若存在問題則進行水力平衡調試，避免出現末端區域室內環境不滿足要求；3) 調整機組出水溫度，增大供回水溫差，提高輸配系統效率；4) 調整新風機組閥門開度，避免出現結露問題。為避免調適影響醫院內部功能房間正常使用，本次僅關閉1臺地源側循環泵進行調適效果驗證。經現場實測及后續效果跟蹤，關閉地源側循環泵對末端使用情況無任何影響，風管及末端也未出現局部溫度不能滿足使用要求等情況。

3.2 調適前后系統能耗分析

在其他設備運行參數及末端需求未作調整的前提下，對關閉1臺地源側循環泵前后4 d的機組和水泵耗電量數據進行了統計分析，結果如圖2所示。調適后地源熱泵機組日均耗電量較調適前增加約25 kW·h。然而，調適后的水泵耗電量較調適前有明顯降低，日均耗電量減少約350 kW·h。因此，關閉1臺地源側循環泵前后地源熱泵系統耗電量每天減少約325 kW·h。

圖2 調適前后地源熱泵機組及水泵日耗電量變化

進一步對比2019年8月與2020年8月地源熱泵機組及循環水泵的日耗電量情況，結果如圖3所示。2020年和2019年8月地源熱泵機組日均耗電量分別為652、604 kW·h；2020年和2019年8月循環泵日均耗電量分別為1 940、1 516 kW·h。2020年8月熱泵機組和循環水泵的耗電量高于2019年同期。這與2020年疫情期間新風量加大有直接關系。此外，該項目熱泵系統循環水泵的耗電量要明顯高于熱泵機組耗電量，循環水泵耗電量約為熱泵機組耗電量的2.5～3.0倍，存在嚴重的輸配系統能耗偏高問題。

如圖4所示，在房間使用功能及運行策略未作調整的情況下，2020年8月地源熱泵空調系統日均耗電量較同期增加477.7 kW·h，增加幅度為23.3%。主要原因在于，新冠疫情期間，為保障室內人員衛生安全，房間新風量加大，從而導致新風負荷增加。從上述結論也可以看出疫情對醫院空調系統能耗增加具有顯著的影響。此外，近2年典型月回龍觀醫院地源熱泵系統全天運行期間，70%以上耗電量為循環水泵耗電，因此，針對該項目而言，對循環水泵運行策略優化具有較大節能潛力。

圖4 2020年8月與2019年8月日均耗電量對比

從圖3和圖4分析可知，該項目2020年8月循環水泵每日耗電量約為2 000 kW·h，循環水泵耗電量異常偏高。現場檢測可知，地源側和空調側每臺循環水泵額定功率均為22 kW，4臺水泵總額定功率為88 kW。由此可以推斷，2020年8月2臺循環水泵基本全天24 h運轉，而對應熱泵機組僅開啟1臺運行，且根據熱泵機組運行記錄可知，機組整體負荷率較低，累計運行時間較短，最終導致機組耗電量低于循環水泵耗電量，也凸顯了大流量小溫差運行模式帶來的典型問題。

3.3 調適節能效益評估

根據歷年運行數據及現場檢測情況進行綜合考慮，在保證室內效果前提下，夏季運行時空調循環泵和地源側循環泵按設計工況正常運行，同時考慮末端用能需求，通過降低冷水供水溫度，加大供回水溫差，并伴隨調整系統新風量。在滿足末端需求情況下，降低輸配能耗，實現運行節能。

針對本項目而言，若能根據系統實際運行需求，夏季工況下，合理關閉地源側和空調側各1臺水泵，熱泵系統每日可節省電量約600 kW·h，每月可節約用電約1.8萬kW·h，節能效益明顯。

4 結語

通過對公共建筑運行能耗的影響因素及存在的問題進行調研，發現普遍存在水泵選型及工作狀態不佳的問題，大多數公共建筑空調系統存在水泵選型偏大的問題，且變頻調節的比例不高。偏離正常工作點情況較多[3]，小溫差現象突出。本文結合對北京回龍觀醫院地源熱泵空調系統的冷熱源機組及水泵能耗數據進行實測分析，針對每天24 h持續運行的醫院建筑，對其冷熱源系統的運行維護提出以下幾點措施建議：

1) 合理設置參數。

根據醫院現有分區及房間功能情況，例如電梯間、走道、化驗室、病房、辦公室、手術室、潔凈間等不同區域分別進行精細化設置，按需求設置，避免“傻瓜”式一鍵設定，降低末端實際負荷需求。

2) 完善歷史數據。

在現有日常運行記錄基礎上增加必要參數(具體時間、室外溫濕度、設備編號、水泵臺數、機組負載等關鍵信息)、提高數據記錄頻率(目前每天僅記錄一次)，并將紙質數據電子化。接入能耗監管平臺，對歷史數據實時記錄。并結合醫院實際業務量及人流量，對歷史能耗數據進行分析整理，及時發現能耗異常點，挖掘節能潛力，便于調整運行策略，指導下一步節能運行方向。

3) 優化運行策略。

① 春秋過渡季工況。優先僅開啟全新風運行模式，當室內溫度不能滿足要求時，啟動地源側循環水泵，利用地源側循環水旁通直接進入空調末端進行供冷。根據室內溫度情況，逐步增加循環水泵開啟臺數。

② 夏季工況。開啟1臺熱泵機組，建議合理設定冷水供水溫度，并密切關注室內結露情況，檢查新風機組除濕能力，適時調整新風機組風量，避免出現大面積結露，同時空調側及地源側水泵各開啟1臺，盡量增大供回水溫差，降低輸配系統能耗。

③ 冬季工況。優先開啟1臺熱泵機組供熱，并密切關注供回水溫差，同時空調側及地源側水泵各開啟1臺，盡量增大供回水溫差(不小于5 ℃)，避免出現大流量小溫差運行。

4) 完善規章制度。

建立健全人員管理制度、運行交接制度和激勵及懲罰措施。后期運行中，加強運行管理，多方聯動，以便最大限度地發揮系統節能性，實現更好的經濟效益。

5) 加強宣傳力度。

這種低成本調適措施在類似醫院建筑冷熱源系統中具備普適性，在保證供能效果的前提下，采取合理調整措施，降低運行成本，具備易操作、低成本、高收益的特點。