广西华蓝设计（集团）有限公司 黄孝军★
摘要 ：以南宁市某医院为例，针对目前最常用的两种集中式冷暖空调设计方案均存在的一些不足，提出一种类似热源塔的优化设计方案，对这三种空调设计方案的初投资及运行费用进行分析比较，根据计算数据得出结论，为设计师及业主以后在选择类似项目的空调方案时提供借鉴和参考。
关键词； 冷暖空调 热源塔 优化设计 初投资 运行费用
An Optimization Scheme For Cooling-heating Air Conditioning System of a Hospital in Nanning
By Huang Xiaojun★
Abstract This paper is intended to propose an optimization scheme like energy tower to solve the problems on the two current design schemes of central cooling-heating air conditioning systems. Taking a typical hospital in Nanning for example, this paper provides reference to similar air conditioning schemes to designers and owners by comparing and analyzing the initial investment and operation cost of the three design schemes, and drawing a conclusion based on the calculation data.
Keywords cooling-heating air conditioning system，energy tower，optimization scheme，initial investment，operation cost
☆ Guangxi Hualan Design & Consulting Group，Nanning，China
☆ 黄孝军，男，1970年11月生，大学，高级工程师
1项目概况
该医院为一个全新兴建的综合性医院，地下3层，为停车库及设备用房，地上裙房部分6层，为门诊、手术室及医技用房；主楼7~26层为住院部。参考原来设计过的医疗建筑项目，估算本项目空调系统冷热负荷如表1（上班时段门诊、医技用房、手术室及住院部均使用空调8h，下班时段仅住院部使用空调16h）：
表1 冷热负荷估算
|
|
建筑面积/m2
|
冷负荷指标/（W/ m2）
|
冷负荷/kW
|
热负荷指标/（W/ m2）
|
热负荷/kW
|
|
门诊
|
48000
|
90
|
4320
|
33
|
1584
|
|
医技用房
|
9000
|
110
|
990
|
30
|
270
|
|
手术室
|
6000
|
230
|
1380
|
-
|
-
|
|
住院部
|
71000
|
85
|
6035
|
36
|
2556
|
|
上班时段合计
|
134000
|
-
|
12725
|
-
|
4410
|
|
下班时段合计
|
71000
|
-
|
6035
|
-
|
2556
|
2.1 水冷+风冷热泵冷暖空调方案2 常用冷暖空调方案
由于南宁市全年的气温基本都在0℃以上，冬季采用风冷热泵机组来供暖是可行且节能的，但制冷时，由于风冷热泵机组的造价及运行费用均比水冷冷水机组大很多，对于规模稍大的项目，先按空调系统的热负荷选择风冷热泵机组，夏季制冷由水冷冷水机组与风冷热泵机组共同负担，优先运行水冷冷水机组。这是目前最常用的方案，以下简称“水冷+风冷热泵”方案，编号A。
2.2 水冷+燃气机组冷暖空调方案
南宁市的制冷期为150天，供暖期为60天，由表1可知该医院的空调系统总冷负荷约为总热负荷的6.5倍，如果采用燃气热水机组来供暖，制冷就可以全部采用能效比高的水冷冷水机组，所以此方案也有许多应用实例，以下简称“水冷+燃气机组”方案，编号B。
3 常用空调方案的不足
3.1水冷+风冷热泵空调方案的不足
该方案主要的缺点是风冷热泵供暖时，室外气温越低，其最大制热量越小，而此时空调系统需求的热负荷反而越大。对于室内温度稳定性有较高要求的建筑，如医院及高级酒店，需要设置辅助热源[2]。
3.2水冷+燃气机组空调方案的不足
该方案主要的缺点是南宁市的商业管道天燃气价格较高，为4.8元/Nm3，热值为8400kcal/ Nm3，则产生1kW·h的热量需要燃烧1×3600/（4.18×8400）=0.1025的燃气，费用是0.1025×4.8=0.492元，如果电价按1.00元/kW·h计，用风冷热泵机组加热，按能效比3.0计，则需要1/3=0.333元，可见使用燃气热水机组供暖的运行费用比风冷热泵机组供暖要高50%左右。
4 优化的冷暖空调设计方案
4.1 借鉴的空调方案
近年来在长江以南地区出现了一种叫“热源塔”的空调型式，该方案采用水源热泵机组来制冷及供暖，夏季利用热源塔散热，冬季利用热源塔从大气中吸热。由于水源热泵的能效比比风冷热泵高，该方案较A方案节能[3]。不过此类方案有个问题，在室外气温较低时，从水源热泵出来的冷水温度可能在0℃以下，此时须加入防冻剂，防止水结冰，常规的防冻剂如氯化钠或氯化钙对设备及管道里的金属有腐蚀作用，减少设备及管道的使用寿命。
4.2 优化的冷暖空调设计方案
为避免使用防冻剂，结合方案B，在室外气温过低时，采用燃气热水机组辅助加热，以保证经过水源热泵的冷水出口温度在2℃以上，如果室外气温继续降低，无法利用热源塔来吸热，此时就停止运行水源热泵，全部采用燃气热水机组来供暖。按制热时冷水的进出水温差为3℃，热源塔内出水温度低于室外空气湿球温度2℃计[3]，则对应的室外空气湿球温度为2+3+2=7℃。查气象资料可知[4]，南宁市全年室外空气湿球温度低于7℃的时间为186h，仅占供暖期的186/（60×24）=12.9%。可见此优化设计方案（以下简称“水源热泵+燃气辅助”方案，编号C）是可行的。
5上述三种方案分析比较
5.1 三种方案的设备配置及运行情况
由于各方案的末端设备及管道基本一样，下面就不考虑这部分内容；按常规医院应选用带热回收的水冷机组，在制冷时免费提供生活热水。根据表1，参考设备生产厂家的样本，选出上述三种空调方案的冷热源设备配置情况如下表2~4：
表2 A方案冷热源设备配置及运行情况
|
设备名称
|
设备参数
|
台数
|
运行情况
|
|
水冷离心式冷水机组
|
制冷量2461kW，额定功率456kW，热回收量1000kW
|
3台（其中1台带部分热回收）
|
制冷时全天运行24h
|
|
冷水泵
|
L=460 m3/h，H=34 mH2O, N=75kW
|
4台（3用1备）
|
与水冷机组同时运行
|
|
冷却塔
|
L=600 m3/h， N=22kW
|
3台
|
与水冷机组同时运行
|
|
冷却水泵
|
L=550 m3/h，H=25 mH2O, N=55kW
|
4台（3用1备）
|
与水冷机组同时运行
|
|
风冷热泵冷热水机组
|
制冷量1236kW，制冷额定功率387kW，制热量1148kW，制热额定功率353kW
|
4台
|
制冷时仅上班时间运行，
供暖时上班时段运行4台，下班时段运行2台
|
|
供暖水泵
|
L=225 m3/h，H=34 mH2O, N=37kW
|
4台
|
与风冷热泵机组同时运行
|
表3 B方案冷热源设备配置及运行情况
|
设备名称
|
设备参数
|
台数
|
运行情况
|
|
水冷离心式冷水机组
|
制冷量3868 kW，额定功率666 kW
|
3台
|
仅制冷时运行，上班时段全运行，下班时段运行2台
|
|
冷水泵1
|
L=720m3/h，H=32mH2O, N=90 kW
|
4台（3用1备）
|
与离心式水冷机组同时运行
|
|
冷却塔1
|
L=500m3/h， N=22 kW
|
6台
|
与离心式水冷机组同时运行
|
|
冷却水泵1
|
L=860m3/h，H=28mH2O, N=110 kW
|
4台（3用1备）
|
与离心式水冷机组同时运行
|
|
热回收螺杆式冷水机组
|
冷量1252 kW，制冷额定功率248 kW，热回收量1257 kW
|
1台
|
仅制冷时上班时段运行
|
|
冷水泵2
|
L=280m3/h，H=34mH2O, N=45 kW
|
1台
|
与螺杆式水冷机组同时运行
|
|
冷却塔2
|
L=335 m3/h， N=15 kW
|
1台
|
与螺杆式水冷机组同时运行
|
|
冷却水泵2
|
L=280m3/h，H=28mH2O, N=37 kW
|
1台
|
与螺杆式水冷机组同时运行
|
|
燃气热水机组
|
制热量2320 kW，额定耗气量271.1 Nm3/h
|
2台
|
仅供暖时上班时段运行2台，下班时段运行1台
|
|
供暖水泵
|
L=280m3/h，H=34mH2O, N=45 kW
|
3台（2用1备）
|
与燃气热水机组同时运行
|
表4 C方案冷热源设备配置及运行情况
|
设备名称
|
设备参数
|
台数
|
运行情况
|
|
水冷离心式冷水机组
|
制冷量4571 kW，额定功率838 kW
|
2台
|
仅制冷时运行，上班时段全运行，下班时段运行1台
|
|
冷水泵
|
L=860m3/h，H=34mH2O, N=132 kW
|
3台（2用1备）
|
与水冷机组同时运行
|
|
热源塔1
|
L=600 m3/h， N=22 kW
|
4台
|
与水冷机组同时运行
|
|
冷却水泵1
|
L=1050m3/h，H=28mH2O, N=132 kW
|
3台（2用1备）
|
与水冷机组同时运行
|
|
水源热泵冷热水机组
|
制冷量1252 kW，制冷额定功率248 kW，制热量1502 kW，制热额定功率259 kW，热回收量1257 kW
|
3台（其中1台带全热回收）
|
制冷时，上班时段全运行，下班时段运行1台，单独供暖时，上班时段运行3台，下班时段运行2台
|
|
冷热水泵
|
L=280m3/h，H=34mH2O, N=45 kW
|
4台（3用1备）
|
与水源热泵机组或燃气热水机组同时运行
|
|
热源塔2
|
L=335 m3/h， N=15 kW
|
3台
|
与水源热泵机组同时运行
|
|
冷却水泵2
|
L=280m3/h，H=28mH2O, N=37 kW
|
4台（3用1备）
|
与水源热泵机组同时运行
|
|
燃气热水机组
|
制热量2320 kW，额定耗气量271.1 Nm3/h
|
2台
|
仅供暖时运行12.9%时间，单独供暖时上班时段运行2台，下班时段运行1台
|
5.2 各方案的初投资估算
经询问设备生产厂家及网上查询，估算出各方案冷热源设备的初投资如下表5：
表5 各空调方案主要设备的初投资
|
空调方案
|
A
|
B
|
C
|
|
各空调方案主要设备总投资（万元）
|
约1150
|
约980
|
约1010
|
为方便比较，下面的计算只考虑满负荷运行时的情况，同时统一按下面的数据：制冷期为150天，商业电价为丰水期电价0.78元/kW·h；供暖期为60天，商业电价为枯水期电价1.00元/kW·h。计算结果如下表6：5.3 粗略估算各方案的运行情况
表6 各空调方案冷热源设备的运行数值
|
项目
|
符号
|
计算公式或数据来源
|
A
|
B
|
C
|
|
上班时段制冷时额定制冷量/kW
|
L1
|
表2~4里相关数据相加
|
12327
|
12856
|
12898
|
|
下班时段制冷时额定制冷量/kW
|
L2
|
表2~4里相关数据相加
|
7383
|
7736
|
5823
|
|
上班时段制冷时运行的设备总耗电量/kW
|
N1
|
表2~4里相关数据相加
|
3520
|
3075
|
3327
|
|
下班时段制冷时运行的设备总耗电量/kW
|
N2
|
表2~4里相关数据相加
|
1824
|
1776
|
1469
|
|
满负荷制冷运行时全天运行费用/万元
|
F1
|
F1=（N1×8+N2×16）×0.78/10000
|
4.47
|
4.14
|
3.91
|
|
供暖时最大供热量/kW
|
R
|
表2~4里相关数据相加
|
4592
|
4640
|
4640
|
|
上班时段供暖运行热泵时最大耗电量/kW
|
N3
|
表2~4里相关数据相加
|
1560
|
0
|
1156
|
|
下班时段供暖运行热泵时最大耗电量/kW
|
N4
|
表2~4里相关数据相加
|
780
|
0
|
770
|
|
上班时段供暖运行燃气机组时额定耗电量/kW
|
N5
|
表2~4里相关数据相加
|
0
|
90
|
90
|
|
下班时段供暖运行燃气机组时额定耗电量/kW
|
N6
|
表2~4里相关数据相加
|
0
|
45
|
45
|
|
上班时段满负荷供暖时额定耗气量/（Nm3/h）
|
Q1
|
表2~4里相关数据相加
|
0
|
542.2
|
542.2
|
|
下班时段满负荷供暖时额定耗气量/（Nm3/h）
|
Q2
|
表2~4里相关数据相加
|
0
|
271.1
|
271.1
|
|
满负荷供暖运行热泵时全天运行费用/万元
|
F2
|
F3=（N3×8+N4×16）×1.0/10000
|
2.50
|
0
|
2.16
|
|
满负荷供暖运行燃气机组时全天运行费用/万元
|
F3
|
F4= [（N5x8+N6x16）x1.0+（Q1×8+Q2×16）×4.8]/10000
|
0
|
4.3
|
4.3
|
|
供暖期燃气机组运行时间百分比
|
H
|
3.2节
|
0
|
100
|
12.9
|
|
供暖期满负荷运行全天总运行费用/万元
|
F4
|
F4=F2×（1-H）+F3×H
|
2.50
|
4.30
|
2.44
|
|
满负荷运行时全年总运行费用/万元
|
F5
|
F5=F1×150+F4×60
|
820.5
|
879
|
733
|
根据表6可以看出，制冷时，A方案的运行费用最高，供暖时，单独采用水源热泵的运行费用最低，其次是风冷热泵机组，最高是燃气热水机组，而根据南宁市的室外气候条件时，综合采用水源热泵+燃气机组的运行费用最低。综合全年的运行费用来看，水源热泵+燃气辅助方案最低，其次是水冷+风冷热泵方案，水冷+燃气机组方案最高。
6 结论
综上所述，可见在南宁市，大型集中式冷暖空调非常适合采用水源热泵+燃气热水机组辅助加热方案。该方案的初投资及运行费用均比水冷+风冷热泵的空调方案低，供暖时最大供热量又像水冷+燃气热水机组方案一样稳定。该方案可以看成采用水冷冷水机组+燃气热水机组的空调方案的改进版，两个方案燃气热水机组的总容量完全一样，水冷冷水机组的总容量也基本一样。此方案相对水冷+燃气热水机组方案来说，系统相对复杂，初投资高一点，但从节能的角度看，这点代价是值得的。
参考文献
- 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M]. 2版. 北京：中国建筑工业出版社，2008：216
- 中国建筑科学研究院.GB50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012：66
- 刘秋克，王武英. 热源塔热泵低热能再生技术在我国南方的应用[J]. 建筑科技，2008（15）：124-125
中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005
