廣州某大型醫(yī)院冷熱源方案選型及水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

黃堅(jiān)

（華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)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(zhǎng)的對(duì)美好生活質(zhì)量的需求，我國衛(wèi)生事業(yè)得到空前發(fā)展，一、二線城市的醫(yī)院建設(shè)規(guī)模日益增長(zhǎng)， 新用地建設(shè)的醫(yī)院其規(guī)模大多超過10 萬m2，甚至超過20 萬m2的綜合醫(yī)療建筑群體也屢見不鮮。 作為能耗“大戶”的醫(yī)院類建筑，通常能耗比一般公共建筑高出50%以上， 其中醫(yī)院空調(diào)的能耗又占總能耗的60%左右，所以如何選擇空調(diào)冷熱源方案，合理設(shè)計(jì)水系統(tǒng)中能源輸送系統(tǒng)，并有效地運(yùn)行維護(hù)將有著非常重要的意義。

2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于廣東省廣州市，整體功能為集醫(yī)療、科研、教學(xué)為一體的甲級(jí)綜合性醫(yī)院， 本文討論的范圍為一期綜合醫(yī)療中心及其地下室，其地上建筑面積為149 120 m2。 醫(yī)療中心集中整合了門診、急診急救、醫(yī)技、住院醫(yī)療功能。 南側(cè)門急診樓地上9 層，北側(cè)醫(yī)技住院樓地上23 層。 一期地下室位于綜合醫(yī)療中心下方，建筑面積87 000 m2，地下室除車庫外另設(shè)置核醫(yī)學(xué)科、污水處理機(jī)房、太平間、戰(zhàn)時(shí)人防中心醫(yī)院、制冷機(jī)房等設(shè)備保障用房。

3 冷熱源選型

3.1 非凈化區(qū)冷熱源

病案庫、檔案庫及MRI 采用恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組；直線加速器、檢驗(yàn)科、CT、DR 等有設(shè)備發(fā)熱的區(qū)域及與中央空調(diào)開啟時(shí)間不匹配的房間設(shè)置獨(dú)立變制冷劑流量多聯(lián)空調(diào)。

除上述區(qū)域外，綜合醫(yī)療中心及地下室設(shè)置集中空調(diào)。經(jīng)計(jì)算，綜合醫(yī)療中心及地下室普通區(qū)域夏季冷負(fù)荷約為21 609 kW，熱負(fù)荷約為8 678 kW，冷熱源方案對(duì)比如表1 所示。

表1 冷熱源方案比較

各方案優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方案一中磁懸浮為新型設(shè)備，IPLV 數(shù)值是其亮點(diǎn)， 普遍能達(dá)到7～8[1]，但同時(shí)價(jià)格也偏高。 最初大部分為國產(chǎn)設(shè)備，目前大部分合資品牌均已開發(fā)或引進(jìn)了磁懸浮冷水機(jī)組； 真空熱水鍋爐不受外界氣候影響，供熱穩(wěn)定，但需設(shè)置鍋爐房并接入燃?xì)猓袩焽枧欧牛绊懡ㄖ烙^并對(duì)環(huán)境有一定影響，同時(shí)鍋爐房要避開人員密集場(chǎng)所、有兩個(gè)安全出口等要求，設(shè)備效率較低，初投資及運(yùn)維費(fèi)用較高。

方案二技術(shù)穩(wěn)定可靠，性能成熟，市場(chǎng)占有率高；按照DBJ 15-51—2020 《廣東省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 中5.2.15條要求：常年有穩(wěn)定生活熱水需求，且采用集中空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)面積大于或等于10 000 m2的建筑， 應(yīng)采取冷凝熱回收措施。故冷凝熱回收功能為本項(xiàng)目的必要措施[2]。變頻離心機(jī)組可根據(jù)生活熱水要求實(shí)現(xiàn)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(wěn)定；熱泵機(jī)組不占用機(jī)房面積，沒有煙囪，初投資及運(yùn)維費(fèi)用較低。

通過上述比較，本項(xiàng)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(duì)較高。 當(dāng)?shù)剌^少使用燃?xì)忮仩t，且考慮到蒸汽需求量較小，可做到獨(dú)立供應(yīng)，亦可規(guī)避蒸汽鍋爐。 結(jié)合項(xiàng)目投資、 運(yùn)維費(fèi)用及醫(yī)院的安全運(yùn)行考慮，確定采用冬季空氣源熱泵供熱，夏季冷水機(jī)組+空氣源熱泵聯(lián)合供冷的方案，冷凍機(jī)采用變頻離心式冷水機(jī)組。

最終冷熱源方案選型為：夏季冷源采用3 臺(tái)制冷量為4 650 kW 的變頻離心式冷水機(jī)組 (其中一臺(tái)為冷凝熱回收機(jī)組)及5 臺(tái)制冷量1 581 kW、制熱量為1 686 kW 的空氣源熱泵聯(lián)合供冷，優(yōu)先運(yùn)行冷水機(jī)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(jī)組、冷凍水泵及加藥設(shè)備、分集水器等配套設(shè)備設(shè)置于地下冷凍機(jī)房?jī)?nèi)。 空氣源熱泵及冷卻塔設(shè)置在裙房屋面上。

3.2 凈化區(qū)冷熱源

本項(xiàng)目?jī)艋瘏^(qū)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(qū)有空調(diào)再熱與過渡季供冷的需求， 且若與非凈化區(qū)共用集中式冷熱源可能造成凈化區(qū)域冷凍水供水溫度偏高，以及室內(nèi)環(huán)境濕度過大的問題（造成這種情況的原因較多，如系統(tǒng)輸送距離較長(zhǎng)，保溫未做好或水利失衡，部分醫(yī)院后勤為了降低整個(gè)醫(yī)院的運(yùn)行能耗， 從而人為提高中央空調(diào)系統(tǒng)的供水溫度）[3]。 本項(xiàng)目?jī)艋瘏^(qū)空調(diào)冷熱源采用獨(dú)立設(shè)置的方案。

冬夏季及過渡季節(jié)由設(shè)置于10 層屋面的風(fēng)冷螺桿機(jī)組（2 臺(tái)四管制熱泵型，2 臺(tái)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(fēng)冷螺桿熱泵機(jī)組提供， 風(fēng)冷螺桿熱泵機(jī)組夏季回收熱量供空調(diào)機(jī)組再熱使用、冬季回收冷量供科室內(nèi)區(qū)制冷使用。 空調(diào)冷熱源采用“四管制+兩管制”的形式，空調(diào)用冷水、熱水全年不間斷供應(yīng)。

4 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

由于非凈化區(qū)面積較大且系統(tǒng)較為復(fù)雜， 本文重點(diǎn)討論非凈化區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。 本項(xiàng)目空調(diào)供回水按功能分為4 個(gè)分區(qū)，分別為（1）門診樓非凈化區(qū)；（2）醫(yī)技樓非凈化區(qū)；（3）病房樓及急診區(qū)非凈化區(qū)；（4）地下室功能區(qū)。 空調(diào)水系統(tǒng)采用冷熱兩用兩管制系統(tǒng)。 由于垂直管段各支路高差相差不大，系統(tǒng)采用水平同程、垂直異程。

介于項(xiàng)目體量較大， 系統(tǒng)可按二級(jí)泵變流量或一級(jí)泵變流量系統(tǒng)設(shè)置，下文重點(diǎn)對(duì)這兩種輸配方式進(jìn)行分析。

4.1 二級(jí)泵變流量系統(tǒng)

冷凍機(jī)組、風(fēng)冷熱泵與集水器之間設(shè)置一級(jí)泵，分水器后根據(jù)各環(huán)路流量及壓降情況設(shè)置二級(jí)變頻泵， 由于冷熱負(fù)荷相差較大，二級(jí)泵冷熱水泵分開設(shè)置，為確保水泵在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行， 各支路二級(jí)泵按3 臺(tái)各50%總流量或2 臺(tái)各75%總流量選取。 冷卻水泵及冷凝熱回收水泵按常規(guī)設(shè)置，在此不做贅述。

該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為， 二次泵的流量與揚(yáng)程可以根據(jù)不同負(fù)荷特性的分區(qū)環(huán)路分別配置， 對(duì)于阻力較小的環(huán)路來說可以降低一次泵的設(shè)置揚(yáng)程，做到“量體裁衣”，避免了能源的浪費(fèi)。二級(jí)泵變流量系統(tǒng)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 二級(jí)泵變流量系統(tǒng)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)原理圖

4.2 一級(jí)泵變流量系統(tǒng)

冷凍機(jī)組、 風(fēng)冷熱泵與集水器之間設(shè)置冷熱水循環(huán)變頻泵，冷熱水泵分開設(shè)置，集水器與分水器間設(shè)置最小流量旁通閥組，水泵數(shù)量、流量與主機(jī)對(duì)應(yīng)并考慮備用。

該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為，系統(tǒng)控制較為簡(jiǎn)單明了，初始投資較少，在部分負(fù)荷時(shí)水流量減小，冷凍水泵的輸送能耗隨之減小，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。 一級(jí)泵變流量系統(tǒng)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 一級(jí)泵變流量系統(tǒng)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)原理圖

經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目空調(diào)供回水4 個(gè)分區(qū)（地下室、門診、醫(yī)技、住院及急診）中，地下室分區(qū)與住院樓分區(qū)最不利環(huán)路管長(zhǎng)差距最大。 但由于地下部分整體面積較大，地下室分區(qū)最不利環(huán)路管長(zhǎng)也達(dá)到了450 m 左右； 住院樓分區(qū)最不利環(huán)路管長(zhǎng)為550 m 左右（門診、醫(yī)技均在480～500 m）。 最大管道沿程+局部阻力計(jì)算差值為30 kPa 左右。 且從圖2 與圖3 中的對(duì)比可以看出， 一級(jí)泵變流量系統(tǒng)水泵數(shù)量遠(yuǎn)少于二級(jí)泵變流量系統(tǒng)，采用一級(jí)泵系統(tǒng)可大大節(jié)省冷凍機(jī)房面積。

綜合以上兩個(gè)方案分析，雖然本項(xiàng)目體量較大，最不利環(huán)路較長(zhǎng)，但經(jīng)深化復(fù)核各支路壓降后，考慮到各環(huán)路間阻力差距較小，使用二級(jí)泵系統(tǒng)節(jié)能意義并不是很大。 同時(shí)為節(jié)省初始投資與機(jī)房面積，在經(jīng)各方溝通討論后，確定采用一級(jí)泵變流量系統(tǒng)。 為避免循環(huán)水泵揚(yáng)程過大，設(shè)計(jì)中通過優(yōu)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(tǒng)阻力，將空調(diào)冷熱水泵揚(yáng)程控制在一個(gè)滿足國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的合理的數(shù)值。

5 結(jié)語

本文所述的項(xiàng)目案例地處夏熱冬暖地區(qū)，綜合供熱、熱回收需求、造價(jià)、節(jié)能、機(jī)房使用面積、技術(shù)穩(wěn)定性等各方面因素， 針對(duì)南方城市氣候條件及院方運(yùn)行實(shí)際需求做到冷熱源合理設(shè)置，并通過對(duì)比一級(jí)泵與二級(jí)泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析最適合本項(xiàng)目的水系統(tǒng)布置方案。

作為設(shè)計(jì)人員，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段需要對(duì)不同規(guī)模、地區(qū)的醫(yī)院做詳細(xì)調(diào)查，并綜合分析研究，針對(duì)醫(yī)院特點(diǎn)選擇合理的冷熱源形式并制定運(yùn)行模式，才能降低項(xiàng)目的投資和運(yùn)行成本。