空气源热泵机组在苏州某医院的应用

沈 杰，朱肖晶（苏州供电公司，江苏 苏州 215008）

空气源热泵机组在苏州某医院的应用

沈 杰，朱肖晶
（苏州供电公司，江苏 苏州 215008）

简要阐述了空气源热泵的制热方式、种类和工作原理，并以其在苏州某医院的应用为案例，介绍了空气源热泵在实际应用中的系统结构、选型方法，最后对比了不同制热系统的运行能耗和成本，并在介绍系统能耗时说明了极端低温下机组配合电辅热以保证系统正常供热水的运行方式，为用户提供一个更节能、更经济的制取热水途径。

空气源热泵；循环式；直热式；制热量衰减；融霜；电加热

1 空气源热泵简介

空气源热泵根据逆卡诺循环原理，机组以少量电能为驱动力，以制冷剂为载体，源源不断地吸收空气或自然环境中难以利用的低品位热能（-10～43℃），通过压缩转化为高品位热能，实现低温热能向高温热能的转移；再将高品位热能释放到水中制取热水（40～60℃），通过热水供应管路输送给用户满足供应热水、供暖需求。

受所生产热水的最高温度限制，空气源热泵抽取的热水使用多限于空调供暖和生活热水2个方面，而中央空调系统供应热量较大，空气源热泵多应用在医院、学校、宾馆酒店、工厂宿舍楼等对生活热水需求较大的场合。

同时，由于空气源热泵的运行效率受外界环境温度影响较大，机组的制热量会随着外界环境温度的降低而衰减，且运行环境温度一般要求在-10～-5℃以上。长江中下游是我国冬季最低气温处于分界线水平的地区，空气源热泵机组在此地区应用一直存在较大争议，但是空气源热泵机组运行能效一般在1.5～6之间，综合运行能效一般为3～4之间，能效远高于常规电锅炉和燃气锅炉，可大幅降低热水系统的运行能耗和运行成本，因此研究和分析空气源热泵机组在江苏地区的运行效果，能有效促进节能减排效应和提升相应领域企业的经济效益。

2 空气源热泵应用形式

根据空气源热泵的实际应用，可分为家用和商用。家用热泵产热水量较少，所以制热系统和保温水箱可以做成一体的；商用的则由于所需热水量较大，空气源热泵机组加热生产的热水需要专门配置独立保温水箱储存以作备用，由热泵机组配合蓄热水箱构成热水源系统。

根据热泵系统补水管路接入方式不同，空气源热泵机组还可划分为直热式和循环式。

（1）直热式空气源热泵

补水管接在空气源热泵机组的进水管上。系统运行时，常温的自来水先经热泵机组直接加热到所需温度，再送到保温水箱中储存备用，如图1所示。

（2）循环式空气源热泵

补水管路接在保温水箱上。系统运行时先将常温的自来水补到保温水箱中，常温水通过水泵作用在水箱和热泵机组之间反复循环，逐步加热升温至所需的温度，如图2所示。

图1 直热式空气源热泵系统原理图

图2 循环式空气源热泵系统原理图

3 苏州某医院空气源热泵热水系统

3.1 苏州某医院热水系统现状

（1）生活热水系统配置情况

苏州某医院为三乙级医院，其住院楼有850张病床，每个病房设置一个洗浴室，热水由热水管网集中供应。住院楼配置2台1 580 kW燃气热水锅炉作为热源，锅炉制取65～75℃高温热水后，经2组换热器分给空调系统和生活热水系统供热，生活热水供水温度在45～55℃。

（2）生活热水系统的使用和能耗情况

生活热水系统与锅炉热水系统采用带蓄水功能的壳管式换热器，医院晚上集中供应3 h生活热水，但过管式换热器需24 h加热和保温。

下面对生活热水分别通过燃气与热泵2种不同制取方式来进行运行费用支出比较。

住院大楼的热水锅炉天然气供应管道单独设置气表，查阅该医院运维管理和财务数据，2015年热水锅炉系统同时供暖和提供生活热水的统计情况如表1所示。

其中，因1、2、11、12月热水锅炉同时供暖和供应生活热水，而3至10月仅供应生活热水，因此以3—10月用气参数作为计算依据，估算得出每月生产生活热水的用气量约为32 601 m3，则住院楼全年制取生活热水的用气量32 601 m3×12=391 210 m3。

现在天然气价格是3.28元/m3，此价格下的年运行费用为391 210 m3× 3.28元/m3=1 283 169元。

3.2 空气源热泵热水系统流程

考虑冬天机组制热量的衰减，为保证水箱里的水可以直接供给各洗浴室使用，空气源热泵采用直热式，同时电辅热作热源，配蓄热水箱的系统作为生活热水的供应系统。具体的系统流程如图3所示。

表1 医院新住院大楼2015年天然气用量表

图3 医院住院楼空气源热泵系统原理图

热水系统主要加热过程包括2部分。

（1）自来水加热：热源为空气源热泵，流程为常温的自来水经直热式空气源热泵机组加热到55℃，送到蓄热水箱储存。

（2）蓄热水箱中热水保温加热：蓄热水箱中水温低于45℃时，循环加热水泵将蓄热水箱中的水送到空气源热泵中加热，再次提升到55℃后送回蓄热水箱中保存。

3.3 空气源热泵机组选型

（1）热水用量

根据医院的实际用水经验数值，一般按照国际惯例70 L/床即可满足医院的生活热水需求，则新住院楼的设计热水用量=70 L÷1 000 L/m3×850=59.5 m3。

（2）热水供水温度

生活热水供水温度一般在45～55℃，对于集中时段供热水的系统，空气源热泵制好的热水需要储存一段时间才能供给各末端龙头，实际运行时空气源热泵机组的出水温度设计为55℃。

（3）空气源热泵的选型

考虑到空气源热泵冬夏不同的加热效率，空气源热泵每天的加热时间以10 h计算，系统的补水温度按冬季的自来水温度5℃计量。

选型热负荷Q=1.163×V×Δt=1.163×（59.5÷ 10）kW/℃×（55-5）℃=345 kW。

空气源热泵机组选择5台KFYRS-68Ⅱ型号的机组，单位额定制热量68 kW，总制热量340 kW，单台额定功率16 kW。

（4）电加热选型

电加热主要用于冬季极端低温时，空气源热泵机组制热量衰减后供热水温不足的情况下补充加热，一般按系统参照空气源热泵额定制热量的30%选型，本项目中电加热的功率确定为100 kW。

（5）蓄热水箱选型

系统最大单日供应的生活热水量为59.5 t/天，蓄热水箱考虑10%的空间余量，水箱的尺寸按照5.5 m×3 m×4 m的规格选型。

3.4 空气源热泵系统运行能耗

（1）空气源热泵机组运行性能参数

空气源热泵机组在不同的外界环境温度下会有不同的性能参数，根据苏州的气候条件及空气源热泵的自身的性能，本项目所选择空气源热泵在不同季节性能参数的修正情况预估如表2所示。

表2 空气源热泵机组的性能修正系数表

修正后不同季节单台空气源热泵的平均制热量及制热功率情况如表3。

表3 空气源热泵机组修正后的性能参数表

（2）空气源热泵机组的年运行能耗

热水系统的年日均用水系数以0.85计，在不考虑冬季机组融霜的情况下，空气源热泵机组的年运行能耗如表4所示。

表4 空气源热泵机组年运行能耗

根据江苏电价政策，单个项目配电容量超过50 kW且配置了蓄能水箱的系统用电可以申请峰谷电价，因此本医院谷电电价是0.387元/kWh，峰电电价是0.867 5元/kWh。

（3）电加热的能耗

考虑到冬季空气源热泵机组在室外温度较低时需要融霜的时间及对热水系统的影响，极端天气下，空气源热泵机组能够正常运行，但单位时间产热水的能力急剧下降，热水系统需要开启电加热才能保证系统的正常供热水。

根据观测和记录已成功运行的空气源热泵案例，一般全天室外气温低于0℃的时间不超过10 h，按上述空气源热泵机组的配置，可以在不开辅助电加热的情况下制取足量的生活热水。根据苏州的历史天气记录，冬季需要加开电加热的极端天数在25天左右，每天的电加热运行时间按照6 h计算，则电加热的能耗=100 kW×6 h×25=15 000 kWh。

电加热的能耗费用=15000kWh×0.8675元/kWh= 13 012元。

（4）空气源热泵系统的年能耗

空气源热泵热水系统的年运行费用=（174 671+ 13 012）元=187 683元。

（5）空气源热泵热水系统的经济效益

与原有天然气锅炉热水系统相比，天然气锅炉生产生活热水的运行费用偏高，而采用空气源热泵制热的热水系统每年可节约的用能费用=（1 283 169-187 683）元=1 095 486元。

4 结束语

本文主要针对生活热水领域的节能应用，借助多个苏州地区应用成功的空气源热泵运行经验，嫁接到苏州某医院的住院楼项目前期选型和方案设计中。因已应用成功案例中仅能从财务数据中分析出直观的能耗费用下降，未作具体分项计量，文中空气源热泵系统的运行费用和节能收益均为经验性预估，所以可能存在一定范围的偏差。

空气源热泵机组的高能效可以大大降低热水系统的运行能耗，再结合国家的峰谷电价政策，用户的实际运行成本降低幅度相当可观。以江苏为例的长江沿线地区，空气源热泵机组的应用障碍在于冬季极端低温的制热量衰减和机组是否能够正常开机运行，随着热泵型压缩机技术的进步及空气源热泵在实际应用中的逐步经验积累，现有的空气源热泵机组配合相匹配的辅助电加热设备及正确的运行管理策略，可以保证在最低气温高于-10℃区域应用。空气源热泵热水系统高能效低运行成本的应用价值正逐渐在苏南地区得到体现。

［1］ GB 50015—2003，建筑给水排水设计规范［S］.

［2］ 利云飞.空气源热泵型空调系统设计及工程实例分析［J］.制冷，2003（3）：47-50.

［3］ 韩星，马克华，董饴平，等.采用空气源热泵的办公建筑空调系统运行检测和节能分析［J］.暖通空调，2010（6）：157-164.

［4］ 潘善伟.医院既有建筑能耗监测系统的简约化设计和实际运用［J］.建筑节能，2014，42（10）：98-102.

Application of the air-source heat pump in a hospital of Suzhou city

SHEN Jie，ZHU Xiao⁃jing
（Suzhou Electric Power Supply Company，Suzhou 215008，China）

This paper briefly describes the heating modes，types and working principles of air-source heat pump，and presents its application of the system structure and selection method.At last，through the comparison of the different heating system energy consumption and operation cost in the energy consumption of the system，the paper illustrates the units with extreme low temperature combined with electric auxiliary heating to ensure the use of the system normal heating water，in order to find a more energy-saving，more economical method to produce hot water for the users.

air-source heat pump modes；circulating；direct heating modes；heat attenuation；defrosting；electric heater

2016-04-28

F407.61；TK018

B

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.006