廣州某大型醫院冷熱源方案選型及水系統設計分析

黃堅

（華建集團華東建筑設計研究院有限公司，上海 200011）

1 引言

改革開放以來， 隨著人民生活水平的提高和日益增長的對美好生活質量的需求，我國衛生事業得到空前發展，一、二線城市的醫院建設規模日益增長， 新用地建設的醫院其規模大多超過10 萬m2，甚至超過20 萬m2的綜合醫療建筑群體也屢見不鮮。 作為能耗“大戶”的醫院類建筑，通常能耗比一般公共建筑高出50%以上， 其中醫院空調的能耗又占總能耗的60%左右，所以如何選擇空調冷熱源方案，合理設計水系統中能源輸送系統，并有效地運行維護將有著非常重要的意義。

2 項目概況

該項目位于廣東省廣州市，整體功能為集醫療、科研、教學為一體的甲級綜合性醫院， 本文討論的范圍為一期綜合醫療中心及其地下室，其地上建筑面積為149 120 m2。 醫療中心集中整合了門診、急診急救、醫技、住院醫療功能。 南側門急診樓地上9 層，北側醫技住院樓地上23 層。 一期地下室位于綜合醫療中心下方，建筑面積87 000 m2，地下室除車庫外另設置核醫學科、污水處理機房、太平間、戰時人防中心醫院、制冷機房等設備保障用房。

3 冷熱源選型

3.1 非凈化區冷熱源

病案庫、檔案庫及MRI 采用恒溫恒濕空調機組；直線加速器、檢驗科、CT、DR 等有設備發熱的區域及與中央空調開啟時間不匹配的房間設置獨立變制冷劑流量多聯空調。

除上述區域外，綜合醫療中心及地下室設置集中空調。經計算，綜合醫療中心及地下室普通區域夏季冷負荷約為21 609 kW，熱負荷約為8 678 kW，冷熱源方案對比如表1 所示。

表1 冷熱源方案比較

各方案優缺點如下：

方案一中磁懸浮為新型設備，IPLV 數值是其亮點， 普遍能達到7～8[1]，但同時價格也偏高。 最初大部分為國產設備，目前大部分合資品牌均已開發或引進了磁懸浮冷水機組； 真空熱水鍋爐不受外界氣候影響，供熱穩定，但需設置鍋爐房并接入燃氣，有煙囪排放，影響建筑美觀并對環境有一定影響，同時鍋爐房要避開人員密集場所、有兩個安全出口等要求，設備效率較低，初投資及運維費用較高。

方案二技術穩定可靠，性能成熟，市場占有率高；按照DBJ 15-51—2020 《廣東省公共建筑節能設計標準》 中5.2.15條要求：常年有穩定生活熱水需求，且采用集中空調系統的空調面積大于或等于10 000 m2的建筑， 應采取冷凝熱回收措施。故冷凝熱回收功能為本項目的必要措施[2]。變頻離心機組可根據生活熱水要求實現冷凝熱回收功能；空氣源熱泵采用可再生能源，由于冬季室外溫度較高，可做到供水溫度穩定；熱泵機組不占用機房面積，沒有煙囪，初投資及運維費用較低。

通過上述比較，本項目地處廣州，冬季溫度較高，空氣源熱泵制熱效果能得到保障且效率相對較高。 當地較少使用燃氣鍋爐，且考慮到蒸汽需求量較小，可做到獨立供應，亦可規避蒸汽鍋爐。 結合項目投資、 運維費用及醫院的安全運行考慮，確定采用冬季空氣源熱泵供熱，夏季冷水機組+空氣源熱泵聯合供冷的方案，冷凍機采用變頻離心式冷水機組。

最終冷熱源方案選型為：夏季冷源采用3 臺制冷量為4 650 kW 的變頻離心式冷水機組 (其中一臺為冷凝熱回收機組)及5 臺制冷量1 581 kW、制熱量為1 686 kW 的空氣源熱泵聯合供冷，優先運行冷水機組，冬季采用空氣源熱泵供熱。 冷水供、回水溫度為6 ℃/12 ℃，熱水供、回水溫度為45 ℃/40 ℃。 冷水機組、冷凍水泵及加藥設備、分集水器等配套設備設置于地下冷凍機房內。 空氣源熱泵及冷卻塔設置在裙房屋面上。

3.2 凈化區冷熱源

本項目凈化區夏季制冷量為4 876 kW， 夏季熱水再熱量為1 734 kW，冬季制熱量為2 363 kW。

考慮到凈化區有空調再熱與過渡季供冷的需求， 且若與非凈化區共用集中式冷熱源可能造成凈化區域冷凍水供水溫度偏高，以及室內環境濕度過大的問題（造成這種情況的原因較多，如系統輸送距離較長，保溫未做好或水利失衡，部分醫院后勤為了降低整個醫院的運行能耗， 從而人為提高中央空調系統的供水溫度）[3]。 本項目凈化區空調冷熱源采用獨立設置的方案。

冬夏季及過渡季節由設置于10 層屋面的風冷螺桿機組（2 臺四管制熱泵型，2 臺兩管制單冷型） 提供4 972 kW 冷量及2 788 kW 熱量，全年提供7 ℃/12 ℃冷凍水及45 ℃/40 ℃的熱水。 夏季再熱及冬季冷源由屋面的四管制風冷螺桿熱泵機組提供， 風冷螺桿熱泵機組夏季回收熱量供空調機組再熱使用、冬季回收冷量供科室內區制冷使用。 空調冷熱源采用“四管制+兩管制”的形式，空調用冷水、熱水全年不間斷供應。

4 空調水系統設計分析

由于非凈化區面積較大且系統較為復雜， 本文重點討論非凈化區空調水系統設計相關內容。 本項目空調供回水按功能分為4 個分區，分別為（1）門診樓非凈化區；（2）醫技樓非凈化區；（3）病房樓及急診區非凈化區；（4）地下室功能區。 空調水系統采用冷熱兩用兩管制系統。 由于垂直管段各支路高差相差不大，系統采用水平同程、垂直異程。

介于項目體量較大， 系統可按二級泵變流量或一級泵變流量系統設置，下文重點對這兩種輸配方式進行分析。

4.1 二級泵變流量系統

冷凍機組、風冷熱泵與集水器之間設置一級泵，分水器后根據各環路流量及壓降情況設置二級變頻泵， 由于冷熱負荷相差較大，二級泵冷熱水泵分開設置，為確保水泵在高效率范圍內運行， 各支路二級泵按3 臺各50%總流量或2 臺各75%總流量選取。 冷卻水泵及冷凝熱回收水泵按常規設置，在此不做贅述。

該系統優點為， 二次泵的流量與揚程可以根據不同負荷特性的分區環路分別配置， 對于阻力較小的環路來說可以降低一次泵的設置揚程，做到“量體裁衣”，避免了能源的浪費。二級泵變流量系統空調冷熱源系統原理圖如圖2 所示。

圖2 二級泵變流量系統空調冷熱源系統原理圖

4.2 一級泵變流量系統

冷凍機組、 風冷熱泵與集水器之間設置冷熱水循環變頻泵，冷熱水泵分開設置，集水器與分水器間設置最小流量旁通閥組，水泵數量、流量與主機對應并考慮備用。

該系統優點為，系統控制較為簡單明了，初始投資較少，在部分負荷時水流量減小，冷凍水泵的輸送能耗隨之減小，從而達到節能降耗的目的。 一級泵變流量系統空調冷熱源系統原理圖如圖3 所示。

圖3 一級泵變流量系統空調冷熱源系統原理圖

經計算，本項目空調供回水4 個分區（地下室、門診、醫技、住院及急診）中，地下室分區與住院樓分區最不利環路管長差距最大。 但由于地下部分整體面積較大，地下室分區最不利環路管長也達到了450 m 左右； 住院樓分區最不利環路管長為550 m 左右（門診、醫技均在480～500 m）。 最大管道沿程+局部阻力計算差值為30 kPa 左右。 且從圖2 與圖3 中的對比可以看出， 一級泵變流量系統水泵數量遠少于二級泵變流量系統，采用一級泵系統可大大節省冷凍機房面積。

綜合以上兩個方案分析，雖然本項目體量較大，最不利環路較長，但經深化復核各支路壓降后，考慮到各環路間阻力差距較小，使用二級泵系統節能意義并不是很大。 同時為節省初始投資與機房面積，在經各方溝通討論后，確定采用一級泵變流量系統。 為避免循環水泵揚程過大，設計中通過優化管線路由、增大供回水管徑、減少管道翻彎等措施減小系統阻力，將空調冷熱水泵揚程控制在一個滿足國家節能標準的合理的數值。

5 結語

本文所述的項目案例地處夏熱冬暖地區，綜合供熱、熱回收需求、造價、節能、機房使用面積、技術穩定性等各方面因素， 針對南方城市氣候條件及院方運行實際需求做到冷熱源合理設置，并通過對比一級泵與二級泵系統的優缺點，分析最適合本項目的水系統布置方案。

作為設計人員，規劃設計階段需要對不同規模、地區的醫院做詳細調查，并綜合分析研究，針對醫院特點選擇合理的冷熱源形式并制定運行模式，才能降低項目的投資和運行成本。