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空气源热泵系统在医院建筑中的应用研究

发布时间:2017-09-04

导读:本文是对某医院建筑节能改造项目中的空气源热泵系统性能评估工作的分析总结,对空气源热泵系统用于空调的冷热源、生活热水热源的技术性和经济性进行了综合、客观的评估。指出对于医院建筑,尤其是病房建筑,空气源热泵系统具有较好的适用性,并提出了整体性设计和应用空气源热泵系统的建议。

0 引言

 

医院建筑具有使用要求高、功能复杂、总体能耗大等特点,暖通空调系统能耗可占医院总能耗的50%以上[1],单位建筑面积的暖通空调能耗是办公建筑的1.6~2.0倍[2-3];其中空调冷热源的能耗约占暖通空调总系统能耗的50%,降低空调冷热源系统的能耗是空调节能的关键,也是医院节能的重点,人们在这方面开展了相关的研究工作[3-9]。

 

一般医院建筑的能源中心冷热源的配置多采用水冷冷水机组与蒸汽锅炉形式或者空气源热泵机组等。其中水冷冷水机组多采用电驱动压缩式机组或溴化锂吸收式机组等。锅炉多采用燃气、燃油或燃煤方式,也有医院尝试采用太阳能集热技术。医院建筑普遍对空气源热泵机组的应用较为慎重[3-9]。

 

本文是对某医院所采用的空气源热泵系统(既作为空调系统的冷、热源,又是生活热水的热源)的实际应用效果评估工作的总结,根据实际的运行数据,从技术性和经济性两方面进行综合研究。探讨了基于整体性优化设计的空气源热泵系统在医院建筑中的适用性。

 

1 项目概况

 

1.1医院建筑能耗概况

该医院是位于上海市区的三级甲等医院。主要由病房楼、医技楼、门急诊楼、康复楼和行政办公楼等九栋建筑组成。其中病房楼需要全年供应生活用热水、夏季供冷、冬季供暖的空调系统都是全天24小时运行,其单位面积的空调系统能耗较高。

 

改造前,医院的空调、生活热水等的供应源于能源中心的燃油锅炉和蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组。夏季通过燃油锅炉产生的蒸汽提供给溴化锂冷水机组制冷,冬季燃油锅炉提供蒸汽,进行热交换后,提供空调系统的供暖用热水;全年的生活用热水也是用燃油锅炉产生蒸汽作为热源。

 

1.2医院能源中心概况及改造方案 

该医院能源中心的主要耗能设备是溴化锂吸收式冷水机组、燃油锅炉、水泵、冷却塔和集中空调的空气处理系统等,消耗的能源主要是电力和柴油。近年来,由于燃油价格逐年上涨、设备效率降低和输送系统效率降低等因素的综合影响,使得暖通空调系统的运行维护费用也逐年增加。

 

为了降低医院运行的能源成本。该医院对A、B、C三幢楼(都是住院病房,建筑面积合计为29198m)的空调冷热源系统和生活用热水系统进行了改造:


  • 采用两台空气源热泵机组替换了原A楼的两台蒸汽型吸收式溴化锂机组。原B楼的两台螺杆式水冷冷水机组和原c楼的一台螺杆式水冷冷水机组,作为夏季供冷冷源。这两台空气源热泵机组冬季制热运行,替代原燃油锅炉的蒸汽供热。

  • 另设置两台空气源热泵热水机组,全年制取生活热水来替代原燃油锅炉产生蒸汽换热制取热水。

 

2 空气源热泵系统的应用


此次节能改造采用两台空气源热泵机组实现夏季供冷和冬季供暖,另两台空气源热泵热水机组不但可以制取生活热水,同时在夏季及过渡季节还能够为空调系统提供冷量。大大节省了锅炉的柴油耗量,空气源热泵机组配置见表1。

 

表1 空气源热泵机组性能参数

名称

数量

制冷/热量

输入功率

空气源热泵机组

2

1070/1124

206/290

空气源热泵热水机组

2

366/454

102

 

2.1空调用冷热源系统

空气源热泵机组采用双螺杆压缩机,具有振动小、噪音低、容积效率高的特点,可随负载变化调整压缩机的能量输出控制。水侧热交换器是高效率的壳管式热交换器,采用高效率内螺纹外螺旋无缝紫铜管,强化了传热效果;空气侧热交换器采用V型盘管设计,使盘管表面风速均匀,有效改善了气流组织,提高散热效率。采用多台压缩机并联布置,其中每台压缩机设置独立的冷媒回路,可形成单独的制冷或制热循环,提高了系统的可靠性。

 

2.2生活热水用热源系统

生活热水采用空气源热泵热水机组,可以在供冷季节同时提供空调用冷水和生活用热水,机组没有设电加热装置,在室外环境温度-5℃~43℃范围内提供生活用热水,可实现多种运转模式的自动切换。

 

2.3节能量监测系统

该医院原来未安装能源分项计量系统,对于本次改造的重点用能设备(两台空气源热泵机组和两台空气源热泵热水机组)均安装了计量电表,由相关部门负责其安全运行,如设备运行异常,能够及时报警。

 

3 空气源热泵系统的技术性能评估

 

3.1节能量、节能率的确定方法

该医院节能改造前、后的锅炉柴油耗量均有记录数据,改造后的空气源热泵机组和空气源热泵热水机组也安装了计量用电表,上述两部分的能耗可以通过分析运行数据得到。而改造前空调系统的能耗和改造后水泵等设备的能耗则根据机组和设备的额定功率、运行时间及负载率等根据运行记录表等资料计算获得。

 

该医院在项目实施前没有对空调系统的电耗进行计量。故只能根据原机组的额定功率、运行时间、负载率等来计算整个空调系统的能耗。项目实施后不仅对锅炉柴油耗量进行了统计,还对空气源热泵机组和空气源热泵热水机组进行了电量计量,而水泵等其他设备的耗电量没有计量,可以根据设备的额定功率、运行时间等进行计算。

 

3.2节能量、节能率的确定


(1)改造后的锅炉节能量

锅炉的节能量主要体现在三个方面:空气源热泵机组夏季替代蒸汽型溴化锂机组供冷。空气源热泵机组冬季替代锅炉供暖;空气源热泵热水机组全年替代锅炉制取生活用热水。节能改造前后锅炉柴油耗量均有数据记录,故通过数据统计分析得到节能量,详见表2和图1。

 

表2 节能改造后锅炉节能量

2009年柴油耗量/t

2011年柴油耗量/t

节省柴油量/t

折合标煤量/t

1580

710

870

1267.677

 

图1 节能改造后每月的柴油节省量

 

(2)改造后空气源热泵机组和热泵热水机组全年运行耗能

节能改造后空气源热泵机组和热泵热回收机组安装了电表,故可通过计量数据统计分析得到其耗能量,详见表3和图2。


 

(3)改造前螺杆式水冷冷水机组和蒸汽型溴化锂冷水机组夏季供冷耗能量改造前A楼夏季供冷由两台蒸汽型溴化锂冷水机组承担,B楼由两台螺杆式水冷冷水机组承担,C楼(7-8楼)由一台螺杆式水冷冷水机组承担。由于改造前制冷机组的耗电量无分项计量,故通过改造后的运行数据确定原冷水机组的负载率,然后根据运行时间和机组额定输人功率来计算改造前机组的耗电量。计算结果见表4和图3。

 

表4 改造前水冷冷水机组的供冷季耗能量 

时间

机组耗电量/kWh

折合标煤量/t

2009

617980

185.394

 

图3原水冷冷水机组供冷季耗电量

 

(4)改造前后水泵及冷却塔等设备的耗能量

由于节能改造前后水泵及冷却塔等设备没有进行独立的分项计量,故根据改造后设备的运行时间和额定输人功率等来计算这些设备的耗电量。节能改造前后水泵及冷却塔等设备的额定输人功率统计见表5和表6。


 

节能改造前后水泵及冷却塔等设备的能耗见表7和图4。

 

3.3技术性指标

 

(1)改造后的全年总节能量

该医院改造后全年总节能量为改造前后锅炉节能量、改造前螺杆式水冷冷水机组加蒸汽型溴化锂冷水机组、水泵以及冷却塔等设备的耗能量之和减去改造后空气源热泵机组、空气源热泵热水机组以及水泵等设备的耗能量。节能改造后全年总节能量详见表8和图5。


 

(2)节能改造后的节能率

表9 节能改造前后的能耗

年份

2009年

2011年

总能耗/t标煤

2742.225

2148.959

单位面积能耗/t标煤(㎡.a)

0.0939

0.0736

 

该节能改造项目实施后的节能率为21.6%。对比上海地方标准《市级医疗机构建筑合理用能指南)DB31/T553-2012)中的三级甲等医院的能耗指标先进值为62kgce/(㎡.a),合理值为81kgce/(㎡.a),可见采用空气源热泵机组和热水机组后,该建筑的能耗介于两者之间。

 

4 系统的经济性评估

 

4.1评估方法的确定

通过计算的分项能耗及能源单价计算年节省运行费用;对此次节能改造项目的合同以及改造工程发生费用的支付凭据进行了评估。

 

4.2全年节省的运行费用

该医院消耗的能源主要是电和柴油,节能改造后全年节省的运行费用见表10和图6所示。

 

4.3投资回收期的确定

项目改造的总投资约为600万元。全年节约运行费用310.03万元,其投资回收期约为2年。

 

5 结论

 

(1)对于医院建筑中的住院病房等,与蒸汽锅炉加溴化锂冷水机组的形式比较:采用空气源热泵系统来实现供冷、供热(空调用热水和生活用热水)从技术性和经济性来看,其每年的总能耗和运行费用基本在正常范围内,因此是可行的,值得肯定和推广;但是需要对建筑的空调供冷、供暖以及热水供应系统进行整体性的设计,进行冷量和热量等的平衡计算。

 

(2)空气源热泵热水机组与空气源冷热水系统相结合,实现过渡季节以及非满负荷率状态下的主机的高效运行是实现节能的有效手段,其运行模式存在优化的空间。

 

(3)对于超过设计室外温度的情况,空气源热泵机组的效率问题可能存在不尽如人意的问题,但是需要综合分析全年室外气温的分布情况,从全年供冷、供热(空调用热水和生活用热水)的时间出发来分析和判断整个系统的技术和经济性。不受局部时间的低效率运行制约,从而实现全年的经济运行。

 

(4)若可能,建议还可以采用水冷冷水机组加空气源热泵系统的形式,其中的最优化问题可以进一步研究。

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