住院大楼热泵热水系统的设计

黄均兆

(中国华西工程设计建设有限公司，贵州贵阳550001)

1 工程概况

某县城住院综合大楼为地上15层，地下1层的高层建筑。总建筑面积为11 808.6 m2，地下建筑面积为789.4 m2，总床位数440张，建筑总高度为54.9 m(主入口室外地坪至15层屋面顶板高度)。主要功能为病房、手术室等。地下一层为配电间、水泵房和设备用房等。1层为住院大厅，出入院手续、药库、急诊和附属用房;2至14层为带有单间卫生间的各科室病房，15层为手术室，设有更衣室、麻醉室、医生办公室、值班室、手术室和家属等候等。该大楼设置集中热水供应系统，病房为定时供应热水，供应热水时间为8:00～8:30和17:00～19:00，手术室为全天供应热水。

2 热源选择

《民用建筑节能条例》第十一条规定国家推广使用民用建筑节能的新技术、新工艺、新材料和新设备，限制使用或者禁止使用能源消耗高的技术、工艺、材料和设备。

集中生活热水供应系统的热源，宜首先利用工业余热、废热、地热和太阳能。经现场调查，本工程所处位置无工业余热、废热和地热可以利用，附近无区域锅炉房，也没有市政热力管网。太阳能作为清洁能源，世界各国无不对太阳能利用予以相当的重视，以减少对煤、石油、天然气等不可再生能源的依赖。我国有丰富的太阳能资源，有2/3以上地区的年太阳辐照量超过5 000 MJ/m2，年日照时数在2 200 h以上。开发和利用丰富、广阔的太阳能，既是近期急需的能源补充，又是未来能源的基础。

本工程所在地临近贵阳，可参照贵阳的太阳能设计气象参数:水平面年总日辐照量Hht=3 493.0 MJ/(m2·a)，年总日照小时数St=1 189.9 h，太阳能保证率推荐范围≤40%，年极端最低气温－7.3℃。上述数据表明，本工程并不适用于采用太阳能作为集中生活热水供应系统的热源。主要原因在于贵州天气素有“天无三日晴”的特点，常年日照少，太阳能稳定性差，属于太阳能资源贫乏区。

可新建燃煤蒸汽或热水锅炉制备热源，也可采用燃油、燃气热水机组制备热源或直接供给生活热水，但当地无集中的天然气和城市煤气供应，采用燃油、燃气热水机组运行成本费高，采用燃煤锅炉制备热源在当地比较常用。空气源热泵适用于长江以南地区小型的集中生活热水供应系统，是建筑节能推广应用能源之一，热泵空调、热泵热水是目前国际主流的应用降低建筑能耗的产品。热泵供热的经济性是由多方面来确定的，它与锅炉房供热相比，显然具有以下特点:

(1)运行附加费较小。

①热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等。

②锅炉设备与高温烟气接触，构件极易受损，检修周期较长;而热泵系统只有两个部件运动，磨损少，平时无需任何检修。

③管理人员与劳动强度均可减少，节省工资开支。

(2)空气源热泵室外安装，土建投资低，锅炉房需增加机房土建投资。

(3)燃煤锅炉房产生的废气、废渣对周围环境有影响，而空气源热泵对周围环境影响小。

(4)运行直接费用(电费)一般比燃煤锅炉大，这是热泵的主要开支。

(5)热泵初投资费用常大于锅炉房设备。相同容量的制热设备比锅炉设备为贵。

(6)热泵拥有大于1的能效，对能量的利用远远优于其他方式的采暖方式。

工程所在地一月平均气温5.1℃，年平均环境温度15.4℃，建筑气候分区属温和地区，适于采用空气源热泵，在一月室外气温低于5℃时，启用辅助电加热器作为备用热源。所以本工程采用空气源热泵热水供应系统。

3 主要设计技术参数

3.1 设计日用热水量

根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015－2003)的热水用水定额，考虑到住院部病人的使用和当地用水的实际情况，该工程热水设计日用水定额:病人为120L/(床·d)，医护人员为70L/(人·班)。陪护人员取病人人数的20%(用水定额与病人相同)，医护人员取病人人数的20%，设计日热水用水量(60℃)见表1。

表1 热水用水量(60℃)计算

3.2 热泵机组制热量

可按下式计算热泵机组设计小时平均秒供热量

式中:Qg为热泵机组设计小时平均秒供热量(kW);T1为热泵机组设计工作时间(h);k1为安全系数，k1=1.05～1.10;Qd为最高日平均秒耗热量(kW);Qr为最高日热水量(m3/d);C为水的比热容，C=4 187(J/kg·℃);ρr为热水密度(kg/L);tr为热水设计温度(℃);tl为冷水设计温度(℃)。

可计算热泵机组设计小时平均每秒供热量为450 kW，考虑到产品使用地区室外计算温度修正系数和机组融霜修正系数，空气源热泵的名义制热量取555 kW。设置电辅助加热器输入功率4×50 kW，在冬天气温低于5℃时启用。

3.3 贮热水箱容积

贮热容积较大，会出现热泵机组的供热量会很小，贮热容积较小，造成热泵机组容量较大，增加投资。蓄热时间取1.8 h，贮热水箱容积为15 m3。设计选用不锈钢水箱一个，有效储水容积15 m3。

4 热水系统分区及供水范围确定

根据市政给水压力，为了提高供水的安全性及节约加压给水能耗，将大楼的给水和热水系统分成高、低两区供水，低区为1～2层，采用市政给水管供水，高区为3～15层，采用变频调速供水设备供水，热水供水范围为高区。生活水箱和变频调速供水设备设在地下室设备间，空气源热泵机组、热水箱和热水循环泵设在屋面，这样可降低高区设备的承压，同时热水系统管网简单。

热水系统流程示意图见图1。

图1 生活热水系统流程示意

高区的3～7层给水支管安装支管减压阀，使用水点的水压满足要求并使冷热水水压接近，便于使用。

5 空气源热泵热水系统的设计

住院楼热水系统设计要求:恒温恒压供应热水;手术室、产房等部门要求经常有热水供应;其他部门盥洗、淋浴的热水用水时间比较集中，而且有规律性，因而要求热泵机组不得小于2台，当一台检修时，其余各台的总供热能力不得小于设计小时耗热量的50%;医院建筑不得采用有滞水区的容积式水加热器。所以本工程采用空气源热泵循环加热，高峰用水时由热泵与热水箱联合供应热水的方式，见图2。

图2 空气热泵热水机组示意

为了使系统的运行满足使用要求，本建筑采用以下的控制方式:

(1)循环加热:本工程采用循环式热泵热水机组，在每天16:00以后(时间可设定)当温度传感器T2测的水温低于设定温度，热水循环泵P2开启，热水机组启动，进行循环加热;当水箱水温达到设定温度时，T2发出信号，循环泵P2和热水机组关闭。

(2)电辅助加热器:当环境温度低于5℃时，电磁阀M2打开，M3关闭，电加热器开启，提高水箱水温，当环境温度高于5℃时，M2关闭，M3打开，电加热器关闭。从而避免热泵机组在低温环境下工作。

(3)定时供水:到达用水时间，电磁阀M1打开，热水箱供应热水，到达停水时间自动关闭。

(4)即热循环:在开始供应热水前，如果T1低于设定温度(50℃)，循环泵P1自动启动，同时电磁阀M1打开，干管热水进行循环，当T1高于设定温度(55℃)时循环泵自动停止。

6 结束语

在医院住院大楼等建筑的设计中，集中热水系统的设置不可或缺，同时住院大楼对热水的需求量大且供应时段较为集中，要求生活热水的供应恒温、恒压，使用舒适便利。这就要求在对热源的选择、热水系统的设计、设备的选型等方面因地制宜、经济适用、管理控制简单。

特别在能源供需矛盾日益突出、能源问题更加重要的今天，人们迫切需要研制开发新的建筑节能技术和节能产品，因而在建筑集中热水系统设计中的热源选择更为重要，必须结合工程实际选择节能的新技术、新设备。

［1］2009 JSCS－3全国民用建筑工程设计技术措施——给水排水［S］

［2］GB 50015－2003建筑给水排水设计规范［S］

［3］06SS127热泵热水系统选用与安装［S］

［4］GB 50364－2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范［S］