多功能热泵冷热水机组研究及在医院设计中的应用探索

张 圆 郝 玲 Danny Chen

（1.中国中建设计集团有限公司医疗专业院，北京 100044；2.台湾东元空调江西东成空调设备有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

在常规医院空调系统设计中，对生活热水的需求有一定的特殊性，即供应时间长、需求量大。常规的设计空调冷量和生活热水的供应分别来自2套独立的系统，即独立的空调系统和热水供应系统。虽然热水供应系统和空调系统相互独立、互不干扰、便于调节，但存在的问题同样不容忽视：

（1）空调冷凝热即废热，直接排放造成很大的能源浪费。空调冷凝热一般为冷负荷的1.25倍左右，尤其对于大型空调系统，直接排入大气的冷凝热从数量上看相当庞大；

（2）将空调冷凝热排放至大气还要消耗能量，一般的水冷式能耗约占总能耗的10%；

（3）冷凝热的直接排放造成周围环境温度升高。从大范围看，是引起当前环境问题——“热岛效应”的主要因素之一，从自身小范围看，恶化了空调机组的工作环境，降低了系统COP，空调耗能增加；

（4）在夏季冷凝热直接排放的同时，人们依然有热量的需求，不得不开着锅炉房烧热水，又要消耗其他的能量，使得用户能源费用大幅度增加；

（5）在春秋的过渡季中，同样存在着开着空调烧着锅炉，一边制冷一边制热的不合理情况。

纵观国内的关于冷凝热回收的研究，笔者发现针对于医院的项目空调和生活热水系统合并设计的研究实验还是比较少的，本文将从医院空调与热水系统综合设计为热泵热回收加热生活热水的系统，包括了三位一体的多功能热泵冷热水主机工作原理研究及在医院设计方案中的应用探索。

1 三位一体的多功能热泵冷热水机组工作原理

1.1 三位一体的多功能热泵冷热水机组的内涵

什么是三位一体的多功能热泵冷热水机组：其是热泵与热回收的混合集成系统，功能如下：可以单独制冷；可以同时制冷与加热（免费余热）；可以单独制热，以上完全是根据系统的需求和环境的情况自动切换的热泵热回收冷水机组系统。

1.2 三位一体的多功能热泵冷热水机组的节能优势

为什么发展三位一体的多功能热泵冷热水机组：其是利用了冷凝热回收，提升了能效系数 （双重的应用效应，即同时制冷并提供热源，提高了电源的输入效率），提升了冷水系统、采暖系统和卫生热水的整体效率。尤其是提升了医院等建筑物应用能效的解决方案来适应新的绿色节能要求（不使用一次性化石类燃料）。

1.3 三位一体的多功能热泵冷热水机组工作方式

每个多功能热泵冷热水机有3个热换热器：

主热交换器即蒸发器（可转换成冷凝器）→冷冻水或采暖热水

次热交换器或者叫热回收器，仅供生活热水

冷凝器（可转换成蒸发器）→热排放源或作为取热源

每种操作模式中，都有2个热交换器（主、次）被使用，第3个即冷凝器（可转换成蒸发器）可以被旁通。

所有的工作是完全自动进行的，由冷水机的控制操作面板进行管理。

1.4 三位一体的多功能热泵冷热水机组工作原理

多功能热泵冷热水机组最重要的一点在于各种模式之间的自动切换，切换的条件在于室外环境温度与室内使用要求之间的关系判定，从而优化出在满足使用要求的情况下最节能的工作状态。如图1所示。

2 多功能热泵冷热水主机在医院设计方案中的应用

2.1 医院空调及生活热水的设计要求和现状

由于医院空调不仅仅是一种环境的控制，而且也是一种确保诊断、治疗疾病、减少污染、降低死亡率的技术措施。除了治疗部门的特殊要求外，医院最主要的服务对象是病人。不同的病人对室内空气环境要求不同。最适宜的空气温、湿度能使病人的代谢降到最低，有利于健康恢复，这对生理调节机能降低的重病人尤为重要。

医院能耗特点和节能措施：

医院属于高能耗的建筑，医院能耗包括暖通空调、给排水、电力照明以及医务所需的负荷等。表1为一些大型综合医院的科室空调负荷指标，其数值均高于一般的民用建筑。

图1 自动切换模式系统工作原理示意图

医务所需负荷有热水供给、餐厨供应、消毒灭菌和洗涤等。其中医务所需的负荷为院内最大的负荷，要占全年负荷消耗的25%～38%。过去只注意一些高压灭菌釜、消毒器、热管道的传热和泄漏等会转化成空调负荷，现在大型的诊疗设备、新型的医疗设施（如水疗康复室）、大型计算机系统、一些生物洁净室系统的风机发热等，都已成为不可忽视的空调负荷，大大改变了医院建筑的空调负荷的组分及各组分的比例。

随着我国医院现代化的发展，这些空调负荷的组分及各组分的比例已逐渐接近国外，表2是国外医院的空调负荷的组分及各组分的比例，可供参考。

表1 医院各科室空调负荷指标

表2 医院各房间空调设计参数

国内医院多以燃煤/燃气锅炉为热源，医院的蒸汽用量很大，据日本的资料介绍，锅炉的能耗占全院能耗的70%，而电力占18%，燃气占12%。

医院到处是废热水、冷却水、冷凝水，可利用热泵来回收这些废热，进行升温再供热。这是一种间接利用废热的方法，它与废热中是否存在污染无关，不会引起交叉感染，很适合医院。三位一体的多功能热泵冷热水机组虽然投资高一些，但回收废热量相当可观。对于一些提前采暖及延迟停止采暖的部门，如果采用这种多功能冷热水机组进行合理的冷热量配置，节能效果将相当显著。三位一体的多功能热泵冷热水机组在不同季节的工作原理如图2～图4所示。

2.2 三位一体的多功能热泵冷热水机组的应用优势

具有很大的灵活性：可以同时或独立地产生冷冻水和热水功能适合于系统的需求。机组在不用短暂的切换循环方式下长时间使用可提高机组的可靠性，也是满足目前节能环保及绿色建筑要求的一种新的方式，尤其适合于综合医院的管理和使用需求。比传统空调系统节约了大量的能源，并且在未来具有相当大的发展潜力。

2.3 多功能热泵冷热水机组与传统空调系统的比较

案例模式：某医院建筑物位于意大利米兰，4管制系统提供制冷和制热，如图5、图6所示。

白天操作模式：制冷范围要求从-5 ℃（15%）～35 ℃（100%）；采暖范围要求从-5 ℃（100%）～18 ℃（20%）；制冷/采暖负荷需求是随着气温线性变化。

建筑物系统设计选择方案：

方案1：选择某型号制冷量为550 kW的风冷多功能冷热水机组，可以提供单冷模式、同时制冷制热的部分热回收和全部热回收模式、单独供热的采暖模式，全年不需要采暖锅炉。

如图7～图9所示，当多功能冷水机组的操作模式超过18 ℃时，机组工作在单冷模式；在5～18 ℃之间，机组可同时满足冷负荷和热负荷需求；低于5 ℃时，机组可以同时提供冷负荷需求及一小部分热负荷的需求，其余的热负荷需求要求机组必须工作在制热模式下获得。

两管制系统的应用

图2 三位一体的多功能热泵冷热水机组两管制系统工作原理——夏季工况

图3 三位一体的多功能热泵冷热水机组两管制系统工作原理——冬季工况

四管制系统的应用

建筑物室外环境条件

图5 当地室外温度曲线参数

建筑物的负荷参数—夏季和冬季

图6 案例建筑负荷参数

图7 方案1风冷多功能冷热水机组的冷热容量

图8 方案1风冷多功能冷热水机组在采暖模式及热回收模式下的热容量

图9 方案1风冷多功能冷热水机组的运行模式（综合）

方案1（风冷多功能冷热水机组）的能耗分析如图10所示，结果如下：

在计算总能耗时，考虑全年利用率系数0.75。

取意大利现行电价：0.15 €/kW·h

总耗电量=323 458.5 kW·h/年，全年的运行费用：323 458.5×0.15=48 518.78 €/年

图10 方案1全年能耗分析

方案2：风冷单冷冷水机+燃气锅炉。

选择某型号制冷量为550 kW风冷单冷冷水机提供全年的冷负荷需求，从室外温度35 ℃时100%冷负荷直到室外温度-5 ℃时提供15%的冷负荷。

选择某型号制热量为420 kW锅炉提供全部的热负荷，从室外温度-5 ℃时的100%到室外温度18 ℃时的20%。锅炉要求如下：冷凝锅炉，使用天然气，室内安装，锅炉效率105%。如图11所示。

图11 方案2全年冷热负荷分布图

方案2（风冷单冷冷水机组+燃气锅炉）的能耗分析如图12所示，结果如下：

在计算总能耗时，考虑全年利用率系数0.75

全年冷水机组的耗电量：260 013.5 kW·h

全年锅炉供热系统的能耗：3 867 007 kW·h

锅炉的燃气耗量：（3 867 007×3 600）/35 880=38 800 Nm3

意大利的电价：0.15 €/kW·h

意大利的燃气价格：0.60 €/Nm3

总运行费用：260 013.5×0.15+38 800×0.60=62 282.03 €/年

图12 方案2全年能耗分析

2.4 全年的运行费用比较

全年的运行费用比较如表3所示。

表3 方案1与方案2的全年运行费用比较

由表3可以看出，每年可节省运行费用高达22%。

2.5 安装费用

以下仅为概算数值，真实数值由于实际条件的不同而产生较大的差异。

方案1客户购买某型号风冷多功能冷热水主机的设备及安装费用：125 160.00 €

方案2总的费用：97 650.00 €

其中，普通单冷风冷冷水主机的费用：72 650.00 €

机房、辅助用房及锅炉的费用：25 000.00 €

风冷多功能冷热水机系统的设备及安装费比传统系统设备及安装费多出27 500 €。由于运行费用的节省，静态投资回收期为2年。

2.6 数据分析小结

与常规系统相比，多功能热泵冷热水机组具有明显的节能效益，可大幅度节省全年运行费用，并且可以在4管制系统没有锅炉的情况下同时满足冷热负荷需求。

3 结论

冷凝热是随着冷负荷的变化而变化的，而冷负荷又随着气象参数、人员流动、地理位置以及时间等参数变化；同样，生活用热也受到生活习惯、年龄结构以及天气情况的制约，因此冷凝热和生活用热均显示出很大的波动性，若要有效解决冷凝热的回收利用问题，必须掌握两者的日逐时变化规律。

在设计医院过程中，应当充分了解各个区域的使用功能及需求，从冷热负荷的分布及使用的特性上合理布局，从而达到优化的效果。从以上分析可知，将空调供热、制冷及生活热水有机地结合成一个系统，无论是从“环保、节能”角度，还是从医院的运营费用和使用性的角度来看，都具有很大的发展前景。这是一项既有理论价值又有重要工程实用价值的课题。

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