某医院门诊综合楼空调系统设计

欧阳银寿

（福建省闽武建筑设计院有限公司，福建 福州 350100）

0 引言

节能建筑、低碳建筑和生态建筑是当下绿色建筑的所提倡的主基调。中国建筑节能协会[1]报告披露2020年我国建筑运行阶段能耗占全国能源总量的比重为的21.3%，空调系统作为建筑能耗大户，已经从舒适层面逐步向健康节能的层面发展。暖通空调系统是医院建筑中的重要组成部分，既要满足人们对环境温湿度、洁净度的需求，也要满足大型医疗设备对温湿度的要求。在能源规划方面，我国已经进入到第四阶段气候变化时期，既要通过提高资源利用率和变频控制的方式对接节能减排指标，由此可见，邹惠芬等[2]的研究认为在空调设计及改造过程中，针对智能控制和变频控制系统的设计工作相当重要。本文在此基础上，提出了合理的空调系统划分及气流组织、新风全热回收以及节能空调设备的采用，能从源头降低空调能耗，助力我国提出的“在2030年碳排放达到峰值，2060年实现碳中和”的承诺[3]。

多联式空调机组简称多联机，即变制冷剂流量空调系统，其空调系统具有方便灵活、舒适节能等特点，随着变频技术及数码涡旋技术的运用、室内机形式的多元化、设备的高可靠性、简捷的系统设计及智能化技术等的发展，使多联机日趋完善，在办公楼、商业建筑、医院等建筑中得到广泛的运用。本文介绍了多联式空调在某医院门诊综合楼的运用，对发热门诊、信息中心、放射科等区域空调系统设计进行分析。

1 工程概况

1.1 建筑概况

本项目为泉州市某医院扩建项目，按二级甲等精神专科医院标准设计，主要建设内容为门诊医技楼及住院楼，其中门诊综合楼建筑面积 33 327.8m2，空调房间面积为23 530m2。建筑高度为39m。地下一层为地下停车及设备用房；一层：门诊大厅、药房、综合门诊入口、心理咨询门诊、急诊室与发热门诊等；二层：小综合门诊、治疗室及检验科等；三层：病房、餐厅、会议室及信息中心等。四～八层：病房、办公室、治疗室、餐厅等；九层：食堂、职工餐厅及活动生活区。

1.2 设计参数

室内空调设计计算参数如表1所示。

表1 室内空调设计计算参数

1.3 空调冷（热）负荷设计

通过计算软件进行逐项逐时冷（热）负荷计算，夏季冷负荷逐时综合最大值为5 226KW（含新风冷负荷），空调冷负荷指标为222.1KW/m2；冬季热负荷逐时综合最大值为2 245KW（含新风热负荷），空调冷负荷指标为95.4KW/m2。机组选型应考虑实际制冷（热）量的修正，它与配管等效长度、室外机的连接率、室外温度条件等因素有关，最终选用的空调外机制冷量为：5 530kW；制热量为：6 080kW。

2 空调系统选择

2.1 空调冷热源系统分析

方案设计阶段，暖通专业跟业主提出3种方案，方案一采用传统水冷式空调系统，在地下室设置空调主机房，冷却塔设置在五层小屋面。方案二采用风冷螺杆式冷水空调系统，冷水机组及水泵设置在屋面层。方案三采用变频多联式中央空调系统，室外机根据楼层分散设置。

2.1.1 冷水机组系统分析

本项目为医院门诊综合楼，地下室主要功能为车库及设备用房，面积较小，方案一在地下室增加一个制冷机房，车位数量会比较紧张，冷却塔设置在五层小屋面也会影响整体立面效果。方案二风冷螺杆机组设置在屋面，由于屋面布置了不少设备用房及其他管道，机组无法集中布置，增加管道数量及管理难度，同时主机及水泵噪声相对大，水泵运行引起振动可能对下方建筑造成一定影响。由于医院房间功能多，各个区域使用空调时间长短不一致，中央空调系统在满负荷使用时间非常短，且在75%～100%冷负荷率区间占总运行时间比例10%左右[4]，其余大多时间都是在低负荷下运行，因此衡量一套空调系统的好坏不仅要考虑机组的性能系数（COP），还要考虑其综合部分负荷性能系数（IPLV），冷水机组满负荷运行时COP虽高，但是在低负荷工况下COP较低，机组调节能力有限，并且循环水泵、水处理设备等辅助设施调节能力较差，特别是部分负荷系统能效较低，在运行管理上比较考验运行管理人员的能力及责任心，如果管理不当，势必造成系统能耗更大。

2.1.2 多联机系统分析

变频多联机系统是变频一拖多变冷媒流量中央空调系统的简称，系统能自动调节压缩机输出和冷媒流量，适应室内机组的负荷变化，从而提升了整个机组的综合能效水平，市面上已有多个品牌的商用风冷多联式空调机组的全年性能系数（APF）最高可达到5.7，且水冷多联式空调机组制冷综合部分负荷性能系数（IPLV）最高可达到10.05，远超过当下规范的节能最低要求。因此在部分负荷下多联式空调机组运行在节能方面更有优势，降低了空调使用成本，同时偏高价位的多联机系统的初投资正逐渐降低。相比传统中央空调，多联式中央空调不需要空调主机房、冷却塔、定压装置、循环水泵、阀门等水系统配件，节省了大量的建筑空间，同时管道占用空间小，有利于提高吊顶高度，系统相对简单，施工周期短，运行维修成本较低。

多联机室外机位置安装相对灵活，具有很高的设计自由度，室内机和室外机的配管长度可达200m，体量大的建筑空调系统合理划分区域，可实现分期、分区、分层、分时的方式灵活进行；每个区域设置独立的空调系统，方便运行管理，使用过程中即便有一个系统出故障也不会影响其他系统的正常使用。

2.2 空调冷热源系统方案确定

经过以上的方案对比及综合业主的需求，最终选用方案三，即变频多联式中央空调系统，在保证系统合理的同时也缩短施工周期。

3 空调系统设计

3.1 空调系统划分

本工程诊室、病房、办公室采用变频多联中央空调系统+新风系统；大会议室、药房、餐厅、门诊大厅及住院大厅等大空间采用变频多联中央空调系统+全热新风换气系统；发热门诊采用变频多联中央空调系统+数码变容量直膨全新风空调机组，新风机组通过两级过滤器（粗效、中效），新风末端设置亚高效过滤器风口；核磁共振间采用恒温恒湿机+新风系统；信息中心采用机房精密空调。

3.1.1 一层发热门诊空调系统

一层发热门诊空调及通风系统设计采用平疫交换的模式，污染区、半污染区和清洁区及门诊大厅采用多联式中央空调系统，室内机采用风管天井式和两面出风嵌入式，供平时使用；新风和排风系统按照功能分区（即清洁区、半污染区、污染区）独立设置，新风机组设备均设置在清洁区，机组选用数码变容量直膨全新风空调机组，平时全新风空调机组变频控制，新风量调整为全工况的一半，满足舒适性要求，新风空调机组不承担室内负荷，此时启动多联式中央空调系统；疫时多联式中央空调系统关闭，3台全新风空调机组全工况运行，并承担夏季房间空调冷负荷。直膨全新风空调机组通过两级过滤器（粗效、中效），在送风口末端设置亚高效过滤器送风口。半污染区及污染区房间排风口采用高效过滤器风口，清洁区排风口采用单层百叶风口。

发热门诊气流组织形成从清洁区至半污染区再至污染区的有序的压力梯度，如值班室10Pa，医护走道及穿衣区5Pa，过渡缓冲区及药房为0Pa，护理走道及门诊大厅为-5Pa，诊室-10Pa，化验室-15Pa，留观室-15Pa，卫生间-20Pa[5]。

发热门诊大厅、诊室、注射及输液室和检验科等房间气流组织采用上送下排，排风口设置在房间下部。其中诊室、检验科、注射及输液室等污染区，排风口均设置在患者所处位置下部，送风口则设置在医护人员活动区域的上方，保持医护人员位于送风气流上风侧。留观病房采用上送下侧排的方式，排风口设置在病人床头下侧和卫生间的吊顶上，设置在床头的排风口底部距地面不应小于100mm，送风口设置在床尾或床侧医护人员活动区的上方，实现室内合理的气流组织。新冠疫情暴发后，根据病毒通过飞沫及空气传播特性，人们对医院的暖通空调系统提出了更高的要求，合理的气流组织可以有效地避免病毒的传播。

新风系统的取风口应高于室外距地2.5m以上的室外清洁区域。排风机组宜采用箱式风机（与直膨全新风空调机组联动），排风机设置在六层屋面，即排风管路负压侧的末端。在排风机出口处管道上设置紫外C空气净化器（增设防雨措施），与相应管道上排风机联动，排风机出风口高出屋面3m，并设置钢制锥形风帽。

3.1.2 放射科空调设计

放射科包含多种检查设备，比如CT、DR、骨密度、MRI等，这些属于大型贵重精密设备，对室内温湿度要求较高，为了达到所需温湿度，避免系统漏水造成设备的损坏，一般采用多联式空调系统[6]，核磁共振间采用风冷恒温恒湿机，机组设置电极加湿及电辅热。空调室外机设置在四层小屋面，恒温恒湿机设置在空调机房设备间，设备间设置给水管和地漏，用于加湿和排除冷凝水。空调新风管、送回风管采用非磁性风管，风口采用ABS塑钢百叶风口，采用上送上回风气流组织方式，平面布置图如图1所示。

图1 核磁共振空调风管图

3.1.3 信息中心空调系统设计

信息中心采用风冷式机房恒温恒湿精密空调（一用一备），机组设置电极加湿及电辅热。设计送风温差不大于6℃以防结露。机房温度控制在22℃～24℃，湿度控制在50%±5%，换气次数40～50次/h。空调采用静电地板下送风上回风的方式，机组回风口设中效过滤器，地板送风口开孔率宜大于30%。该方式的优点如下：

（1）采用地板送风气流与机柜冷风吸热后的气流基本一致上升，避免了室内冷热气流的混合，从而降低工作区的环境温度。

（2）进入机房工作区和机柜内的空气洁净度较好。

（3）可以用较少的风量达到机柜冷却的目的，降低系统输配能耗。

（4）活动地板送风口可以自带调节阀的风口，以降低人员的吹风感。

3.1.4 其他区域舒适性空调系统设计

地上一层至三层主要功能有发热门诊、急诊区、门诊大厅、药房、门诊室、检验科及会议室等，四层至九层建筑功能以病房为主并配套办公室、治疗室、餐厅、活动中心等；不同区域的人流量变化大，从而导致的区域性温度变化，多联式空调系统根据楼层、房间朝向、使用功能及使用时间划分。药房、大会议室、门诊大厅等大空间区域新风采用全热新风换气系统，在空调季节送新风的同时回收部分排风的冷量，有利通风换气并节约新风能耗，其余区域由于空间受限采用带冷源的新风机组。

空调室内机形式结合装修需要进行设计，根据房间功能以及接管长度选用合适的机外静压。对于层高比较低的楼层或者吊顶高度要求高的区域，室内机可选用自带提升冷凝水泵的型号。选择合理的气流组织，主要采用上送上回和侧送上回两种方式。

3.2 空调系统能效分析

3.2.1 多联式空调系统在部分负荷率下的优势

本项目为医院门诊综合楼，建筑使用功能较多，医院患者人数变化较大特别是门诊部及治疗室等，空调冷（热）负荷也随之变化，这对空调机组的调整能力要求也高。多联机系统可以实现10%～100%的调整能力，当负荷率为50%～75%时，机组的能效比较满负荷时可提高15%～30%，使得空调部分负荷下的能效提升，在医院的使用过程中有着明显的优势。

3.2.2 新风系统全热回收

本工程地点在泉州，属于夏热冬暖沿海地区，夏季室外空气湿热，空调使用周期较长，由于新风负荷在空调设备的负荷中所占比重一般高达20%～40%，在商用多联机空调系统中搭配使用全热交换器新风系统，在向房间补充新风的同时通过室外新风与室内排风的热湿交换，回收排风中能量为新风预冷或预热，以接近室内温度送风，温度波动小，有效降低因引进新风而增加的空调负荷，全年可降低空调负荷20%～30%[7]。另外，商用全热交换器自带旁通功能，即新风进口和新风出口直接相连通，在过渡季节或室内外焓值相差较小时，可通过控制旁通阀门使室外的新风不经过热交换芯直接送入室内。全热交换器可与室内机联合运转，通过空调室内机遥控器进行控制，也可用专用控制器单独控制其运转，其系统可接入楼宇空调集中控制系统。

3.2.3 直膨式机组的变频调节

一层发热门诊空调及通风设计采用平疫交换的模式，新风系统采用直膨式组合空气处理机组，平时使用通过变频调节在满足舒适性要求下减小新风量，疫时机组全工况运行，并承担室内负荷。直膨式组合空气处理机组采用高精度、高效、高可靠性的变频器来控制压缩机，可根据系统容量变化连续自由调节，精度更高，实现无级变频。

3.2.4 楼宇空调集中控制系统与运行管理

本工程采用楼宇空调集中控制系统以便运行管理，集中管理系统可实现将全部空调机组、直膨AHU机组与电脑连接起来，通过电脑实现系统全部自控，也可以对每一层及每一套空调系统进行单独控制，实现多机组的联网群控和远程控制，从运行管理上减少能耗。

本项目每套多联式空调系统的用电量单独计量，并设置总空调用电量计量表，目的是统计及分析空调耗能情况，有利于运行管理和总结，从而减少能耗。

3.2.5 多联式空调系统衰减因素

影响多联式空调系统的机组性能有多种因素，如室内外温度、部分负荷率、室内机开启频率、冷媒管配管长度、室内（室内外）机高度差、积灰程度以及冬季结霜等因素影响，不同因素的影响程度不同，甚至存在一定的耦合关系。

由于多联式空调属于风冷热泵机组，室外温度对其效率具有显著影响，夏季空调制冷时[8]当室外温度高于32 ℃ ，随着室外温度的上升，冷凝器温度也上升，制冷剂的蒸发温度和压力将会升高，造成压缩机的功率增大，机组制冷量及制冷能效比也明显下降。在冬季制热工况下，室外温度低于14℃ ，随着室外温度的降低，制冷剂的蒸发温度也下降，吸热量减少，机组制热量及制热能效比明显下降。而在夏季室外温度低于32℃（冬季室外温度高于14℃）时，机组能效比没有随着室外温度的降低（升高）明显提升，原因在于此时室内外温差较小，空调部分负荷率较低，因此多联式空调综合能效比不高。

室内外机组连接配管长度对多联式空调系统的制冷与制热能力影响很大，设计时应予以重视。随着配管长度增加，制冷时将导致制冷剂管道阻力增加，蒸发压力（温度）升高，压缩机吸气压力下降，制冷剂循环量减少，室内机除湿能力降低，系统制冷量及能效比也减少，制冷剂液体压力降低也可能带来液体闪蒸，影响制冷效果；而制热时将导致室内机的冷凝温度（压力）降低、制热量及能效比减小，因此必须关注高压气体管（气体干管）内的压力损失。

因此设计选型时必须对其系统容量进行修正，制冷时主要考虑温度修正系数、管道长度及高差修正系数，冬季制热时还要考虑结霜修正系数。由于不同品牌的产品技术上有所区别，修正系数略有差异。

4 结论

暖通空调系统是医院建筑中的重要组成部分，选择一套合理有效的空调系统就显得尤为重要，本文为泉州某医院门诊综合楼空调系统设计，充分考虑经济、节能、环保等实际因素，确定了多联式空调作为本工程的空调冷热源。

（1）多联式空调系统因其节能、舒适、精度高、调节能力强、智能化管理、外形美观和设计灵活等优点，在工程上应用越来越多，与传统冷水式中央系统相比其控制系统选择也更智能化，不用专人管理，启动方便快捷。

（2）多联式空调系统可分层、分区域功能设计，方便实现区域计量，可随时满足用户需求，使用灵活；空调系统制冷及制热迅速，能根据负载的变化自动调节能量输出，满足短时间需要大量冷量的需求，综合能效比较高。

（3）多联式空调系统运行管理对能耗影响很大，业主应重视运行前的技术培训及运行期间的经验总结以实现绿色低碳的节能目标。