新建医院复合式多能源供冷供热系统的设计

朱培根

（山东宜美科节能服务有限责任公司，山东 济南 250000）

1 项目概况

某新建医院为三级甲等综合医院，总建筑面积为11.26万m2，包括病房楼、门诊医技楼、感染科综合楼、职工宿舍楼、后勤综合楼及门卫6栋建筑。医院用热、用冷需求包括10.33万m2的地上建筑冬季供暖及夏季制冷、病房楼生活热水需求，设计总冷负荷为9000kW，设计总热负荷为8300kW，生活热水设计日热水用量为350t。原设计热源为城市热网供热，设计冷源为冷水机组，由于医院建筑冬季供暖具有特殊性，采用城市热网采暖期固定，系统运行灵活性差，设计采用地埋管地源热泵系统为建筑提供冷、热源，病房楼生活热水制取采用地源热泵、太阳能、燃气热水锅炉复合式多能源系统。

2 地源热泵系统设计

2.1 地源侧设计

采用TRNSYS软件进行全年动态逐时冷热负荷计算，夏季空调设计冷负荷为9000kW，累计冷负荷估算为1050万kWh，冬季采暖设计热负荷为8300kW，生活热水调峰负荷为850kW，累计热负荷负荷估算为825万kWh。

建设单位提供的岩土综合热物性参数值：导热系数为 1.623W/（m·K），比热容为 1890kJ/（m3·K），岩土体初始温度为15.6℃。按照《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2005）附录B推荐算法和ASHRAE手册推荐的简化算法进行地埋管换热器的设计计算。经计算，设计钻孔长度为Lh=293847.84m，单井设计有效深度为120m，所需孔数为Nh=2449个；钻孔孔径为150mm，钻孔内设置单U型地埋管换热器，U型管公称外径为DN32，承压为1.6MPa。

为了保证地源热泵系统常年供冷、供热运行的可靠性和经济性，必须保证地源热泵系统常年运行时，地下岩土的温度基本保持不变。也就是说，夏季制冷工况向地下岩土的排热量和冬季制热工况从地下岩土的取热量基本相当，每个制冷制热循环地下岩土实现热平衡状态。夏季空调累计冷负荷估算为1320万kWh，冬季采暖累计热负荷负荷估算为1050万kWh，排热量大于取热量，不平衡率约110%。根据全年模拟分析，地下岩土温度上升速度为1.50～3.0℃/年，将导致地埋管区域的岩土体温度逐年持续缓慢升高，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地源热泵系统的运行效率。为解决排热量大于吸热量，采用增设冷却塔的方式，保证地下热平衡和系统的长年运行效果，冷却塔额定流量为500t/h～1000t/h。

2.2 地源热泵机房设计

热泵机房设计3台离心式水-水热泵机组，机组单台额定制热量为3296kW，额定制冷量为3100kW。生活热水采用1台高温地源热泵机组，额定制热量为850kW。生活热水机组可承担空调冷、热负荷，作为备用冷、热源，也可在负荷率极低时启用。

（1）用户侧夏季空调设计供、回水温度分别为7℃、12℃，冬季设计供、回水温度分别为45℃、40℃。各系统的季节切换采用手动阀门切换。用户侧与地埋管侧水泵与热泵机组连锁，采用台数控制。

（2）用户侧与地源侧循环水泵均采用一次泵系统，为节约系统的输配能耗，均采用变频水泵。由于冬、夏季设计工况流量不同，季节转换时，按设计流量设置季节最大频率。变流量运行时，用户侧水泵变频的控制方式采用定压差控制。地源侧水泵变频采用定温差并结合最小流量的控制方式，保证机组最小流量要求。

（3）用户侧分水器与集水器之间设电动阀，当循环水流量小于单台循环水泵变频后的最小流量时，通过压差旁通部分水量，以保证循环水泵的最小流量。

（4）每台机组设置电动阀，当某台热泵机组不运行时，蒸发器、冷凝器入口处的电动阀门关闭，相对应的水泵也关闭。系统采用成套补水定压装置来定压和补水，补水采用软化水。

（5）为满足地下热平衡需要，设置闭式冷却塔作为辅助散热，当地埋管换热器换热后的温度超过32℃，启动冷却塔进行辅助调节。同时，还可以通过分配生热活水热泵机组和锅炉的开启时间，以保证地下热平衡。

（6）水力平衡措施：并联地埋管之间采用异径同程连接，保证同一支路各个地埋管换热器之间水力平衡，各个支路接入分集水小室后，在分集水器各支路回水侧均安装静态水力平衡阀，以保证各个支路之间水力平衡。各子分区由分集水器汇集入分区枝状管网，在枝状管网之间安装水力平衡阀门，以保证每个大区各个分支管网间水力平衡。根据各分区水力计算，选择地源侧输配泵，根据需要变频调节水泵流量，确保整个地源侧各个地埋管换热器之间的水力平衡。

3 多能源生活热水系统设计

病房楼生活热水设计日热水用量为350t，热水设计供水温度为60℃。拟采用复合式多能源系统为病房楼提供生活热水，包括太阳能、地源热泵热水机组及热水锅炉。系统设计最高日累计24h用热量20349kWh，考虑生活热水箱及相应热损失后，热水系统最大用热负荷为1980kW，其中地源热泵机组可提供850kW，其余由太阳能和锅炉系统承担。优先采用太阳能，不足部分由地源热泵热水机组和热水锅炉补充。

3.1 太阳能系统

太阳能集热系统采用全玻璃真空集热管，太阳能保证率取35%时，所需集热器面积为1405m2。集热器安装在门诊楼、感染病房楼楼顶屋面，设置1台140m3生活热水箱，太阳能集热器和水箱之间采用温差强制循环，设置1套自控系统，实现对太阳能全天候自动控制。自控系统具备的功能包括集热温差强制循环控制、集热管路防冻循环控制、高温保护功能、生活热水箱自动补水、水箱辅助能源的控制、低水位保护、停电保持、故障报警等。

3.2 辅助能源

生活热水系统辅助能源包括1台地源热泵热水机组和2台燃气热水锅炉。热水机组位于热泵机房内，制热量为850kW；热水锅炉位于锅炉房，单台供热量为1020kW。辅助能源与生活热水箱之间设置板式换热器，采用间接加热的方式。

3.3 多能源热水系统控制

生活热水箱竖向按一定间隔设置6个温度传感器，太阳能集热系统根据水箱下层传感器控制集热系统加热，热泵热水机组和燃气热水锅炉根据水箱中、上层传感器温度进行控制。

（1）当水箱中上层温度低于设定值（如40℃）时，启动热泵板式换热器两侧水泵，延时启动生活热水热泵机组；达到设定值（如50℃）时，关闭生活热水热泵机组，延时关闭热泵板式换热器两侧水泵。

（2）当水箱中上层温度低于设定值（如50℃）时，启动锅炉板式换热器两侧水泵，延时启动热水锅炉；达到设定值（如60℃）时，关闭热水锅炉，延时关闭锅炉两侧水泵。热水箱设置液位高低位报警。

（3）高、低区生活热水均采用成套变频供水装置恒压供水。控制策略为调节供水泵投入台数和频率，保持供水压力维持在设定范围（P0～P1）内。

（4）循环水泵平时开启，电动阀VE1处于关闭状态，当回水温度小于设定值（如42℃）时，开启VE1，关闭循环水泵，系统压力下降，供水泵自动开启。当回水温度大于设定值（如55℃）时，电动阀VE1关闭，循环水泵开启。

多能源生活热水系统原理图如图1所示。

图1 多能源生活热水系统原理图

4 节能减排效果

4.1 制冷节能效益

该项目的夏季空调设计冷负荷为9000kW，累计冷负荷估算为1050万kWh。若采用地源热泵系统供冷，全年供冷总耗电量约300万kWh/年。若采用常规冷机供冷，全年供冷总耗电量约为375万kWh/年。采用地源热泵全年供冷可节约234.8t标煤。

4.2 供热节能效益

冬季采暖设计热负荷为8300kW，生活热水调峰负荷为850kW，累计热负荷负荷估算为825万kWh。若采用地源热泵系统供热，全年供热总耗电量约为275万kWh/年。若采用常规区域燃气锅炉供热，全年供热总耗标煤量约为1265.6t标煤，全年供热可节约404.8t标煤。该多能源复合系统年制冷与供热可节约639.6t标煤/年，可以减排二氧化碳1726.8t/年，减排二氧化硫12.8t/年，减排氮氧化物25.5t/年，减排烟尘6.39t/年。

5 结束语

该项目采用地源热泵作为制冷与供热的主要冷热源，生活热水采用地源热泵、太阳能、燃气热水锅炉复合式多能源系统，是对可再生能源、清洁能源的利用，完全契合“清洁取暖”的国家发展政策，有较大的示范意义。年节约639.6t标煤/年，节约大量能源的消耗，减少污染物的排放，进而改善环境，具有较好的经济效益和社会效益。