廖啟芳

(廈門市建設(shè)工程施工圖審查所 福建廈門 350002)

0 引言

空調(diào)全熱回收機(jī)組可一機(jī)三用，夏季制冷同時(shí)將冷凝熱回用于制備熱水，冬季按熱泵模式制備熱水或供暖，既減少廢熱的排放又節(jié)能、節(jié)地，在設(shè)有集中空調(diào)和集中熱水系統(tǒng)的酒店、醫(yī)院建筑中運(yùn)用越來越廣泛。由于該類機(jī)組的能效會(huì)隨熱水出水溫度的升高而下降，當(dāng)出水溫度超過50°C時(shí)效率將急劇下降，故一般機(jī)組熱水出水溫度采用45～50°C。而居于軍團(tuán)菌的原因，衛(wèi)生熱水供水溫度采用55～60°C更安全。對(duì)于醫(yī)院生活熱水，《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GB51039-2014，6.4.5條的規(guī)定，系統(tǒng)加熱器出水水溫不應(yīng)低于60°C。所以，醫(yī)院采用全熱回收機(jī)制備熱水時(shí)，普遍采取增加補(bǔ)熱設(shè)施來提高熱水供水水溫以保證安全。此類用以提高系統(tǒng)供水水溫的補(bǔ)熱設(shè)施與規(guī)范GB50015-2003，5.4.2條所述的輔熱設(shè)施功能不同，在工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員易將二者混淆，導(dǎo)致工程熱水系統(tǒng)出現(xiàn)熱水水溫不達(dá)標(biāo)或節(jié)能效果不佳。本文就此以某醫(yī)院的熱水制備系統(tǒng)方案為例，進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施。

1 工程簡介

廈門某醫(yī)院門急診樓，建筑面積8萬m2，建筑總高度99.8m，1～9層為門急診、手術(shù)，10層以上為病房，8層以上分A、B棟，其中A棟18層,B棟9層。日門診量10 000人/天，病床數(shù)500張，設(shè)有集中空調(diào)和集中熱水系統(tǒng)。衛(wèi)生熱水采用空調(diào)熱回收機(jī)組(簡稱“主機(jī)”)加補(bǔ)熱設(shè)備(簡稱“輔機(jī)”)聯(lián)合制備。

2 熱水制備原方案

根據(jù)建筑布局及使用功能，熱水制備系統(tǒng)分成2套，1套設(shè)在B棟屋頂供1～9層使用，另1套設(shè)在A棟屋頂供10～18層使用，2套熱水制備方式相同，本文僅取其中的A棟系統(tǒng)進(jìn)行探討。以下為原方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備選用過程。

常用符號(hào)代表如下：

Qh——最大小時(shí)耗熱量；

Qkh——主機(jī)小時(shí)制熱量；

Qfh——輔熱功率；

Q1d(Q2d)——第一(二)溫升段最高日耗熱量；

Q1h(Q2h)——第一(二)溫升段最大時(shí)耗熱量。

(1)熱水用水標(biāo)準(zhǔn)：病房按150L/床·天，醫(yī)務(wù)人員按70L/人·班,冷水計(jì)算溫度t0夏季取22℃,冬季取15℃,熱水計(jì)算溫度tr取60℃。經(jīng)計(jì)算，最高日耗熱量(Qd)：夏季5498kW,冬季6687kW；最大小時(shí)耗熱量(Qh)：夏季682kW ，冬季802kW。圖1為原方案的熱水制備原理圖。

圖1 原方案熱水制備原理圖

制備原理：冷水進(jìn)入1#水箱；主、輔機(jī)均由T1控制，主機(jī)在T1<47℃開啟至T1=50℃止，輔機(jī)在T1<60℃開啟至T1=63℃止。2#水箱與1#水箱設(shè)閥門連通。

(2)主機(jī)選用：空調(diào)專業(yè)根據(jù)水專業(yè)所提條件進(jìn)行主機(jī)選型。因空調(diào)冷凝熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于衛(wèi)生熱水耗熱量，僅考慮部分機(jī)組選用熱回收機(jī)組即可滿足要求，主機(jī)的制熱量按不小于Qh取值。原方案選用2臺(tái)循環(huán)加熱式熱回收機(jī)組，單臺(tái)制熱量790kW(夏季)和576kW(冬季)。夏季開啟1臺(tái)，冬季開啟2臺(tái)可滿足衛(wèi)生熱水的需求。為敘述簡便，除非特別需要，下文中的有關(guān)計(jì)算及敘述僅提及冬季最不利工作情況，夏季情況可自行類比。

①主機(jī)循環(huán)泵參數(shù)。主機(jī)采用循環(huán)加熱的方式，機(jī)組進(jìn)出口溫差△tj按5℃考慮，循環(huán)設(shè)計(jì)流量如式(1)：

(1)

計(jì)算得夏季qrx=152m3/h,冬季qrx=220m3/h。

循環(huán)泵揚(yáng)程H=1.2×(h沿+h局)+0.01H高差+0.01H出流水頭，算得H=0.14MPa。原方案選用3臺(tái)循環(huán)泵，流量110m3/h,揚(yáng)程0.2MPa。

②輔機(jī)功率。根據(jù)主機(jī)熱水出水水溫將系統(tǒng)制熱分成2個(gè)溫升段:其中，15℃～50℃段為由主機(jī)制熱的溫度，稱為第一溫升段(簡稱Td1)，Q1d為5201kW，Q1h為628kW；水溫50～60℃段為需要靠輔機(jī)升溫，稱為第二溫升段(簡稱Td2)，Q2d為1486kW，Q2h為179kW。輔機(jī)采用1臺(tái)電加熱器，輔機(jī)功率 100kW，一天工作15h可滿足Q2d要求。

③熱水箱容積計(jì)算。因主機(jī)和輔機(jī)串聯(lián)對(duì)同一箱水體加熱，水箱應(yīng)同時(shí)滿足二者對(duì)儲(chǔ)熱容積的要求，因Qkh>Q1h，,Td1段儲(chǔ)熱量可按該段90minQ1h計(jì)算，算得儲(chǔ)熱容積為23m3；而Qfh

(2)

計(jì)算，T取3h，得儲(chǔ)熱容積為23m3，原方案采用有效容積40m3加熱水箱(1#箱)、儲(chǔ)熱水箱(2#箱)各一。

表1為原方案主要設(shè)備一覽表。

表1 熱水制備系統(tǒng)主要設(shè)備表

④設(shè)計(jì)節(jié)能目標(biāo)?？照{(diào)季Td1段均由主機(jī)提供免費(fèi)熱水，每日可免費(fèi)得熱5201kW,全年(按180d計(jì))可節(jié)約936 180kWh,冬季主機(jī)COP按3計(jì)，可節(jié)約用電624 120kWh,按0.8元/kWh，每年可節(jié)約電費(fèi)124.8萬元。

3 原方案合理性分析

原方案原理圖系參照國標(biāo)圖集06SS127，11頁 “空氣源熱泵獨(dú)立熱水系統(tǒng)原理圖”繪制，但06SS127圖集中的輔熱設(shè)備是季節(jié)性使用設(shè)備，是在冬季熱泵效率下降供熱量不足時(shí)臨時(shí)作補(bǔ)充用的，與本例中供全年使用的輔機(jī)功能不同，二者的控制原理也無法等同。

從原方案的原理可看出，輔機(jī)的工作溫度段(T1<60℃)覆蓋了主機(jī)工作的Td1段，所以，輔機(jī)的能耗并非僅在Td2段，這勢(shì)必造成輔機(jī)能耗增加，導(dǎo)致主機(jī)的制熱能力發(fā)揮不足，無法完成設(shè)計(jì)的節(jié)能目標(biāo)。

另外，由于輔機(jī)功率Qfh遠(yuǎn)小于Qh，一定存在由主機(jī)與輔機(jī)同時(shí)工作的時(shí)段，該時(shí)段系統(tǒng)的熱水溫度也一定小于50℃，不滿足規(guī)范所規(guī)定的60℃值，設(shè)計(jì)不合理。

為了更直觀地了解原方案的能耗及水溫情況，更有針對(duì)性地對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，下文擬借助現(xiàn)有的Qd和Qh，嘗試計(jì)算系統(tǒng)最高日逐時(shí)耗熱量和逐時(shí)供水水溫。為簡化計(jì)算，擬作如下假設(shè):

(1)模擬一條反映醫(yī)院用水變化規(guī)律的最高日24h用水曲線，如圖2所示，其中的17:00～20:00時(shí)段，小時(shí)耗熱量等于Qh，24h耗熱量總和為Qd，其余時(shí)段耗熱量根據(jù)醫(yī)院用水規(guī)律估值。

圖2 最大日24h用水逐時(shí)變化曲線模擬圖

(2)忽略水箱及管路的熱損失；假定同一個(gè)時(shí)段內(nèi)用水和水箱補(bǔ)水瞬時(shí)完成，且假定水箱水溫瞬時(shí)各處均勻。

(3)在同一小時(shí)內(nèi)機(jī)組的工作狀態(tài)不變，僅根據(jù)水箱在該時(shí)段的起始水溫控制機(jī)組的啟停。

有了以上假設(shè)，再根據(jù)熱平衡原理，借助EXCEL表即可進(jìn)行24h逐時(shí)供耗熱量和逐時(shí)水溫的計(jì)算。具體計(jì)算步驟如下：

步驟1：假定0時(shí)水的初溫t0C，并根據(jù)初溫和系統(tǒng)控制方式切換0-1時(shí)主機(jī)及輔機(jī)的工作狀態(tài)。

步驟2：根據(jù)熱平衡原理計(jì)算1時(shí)水的終溫t1z，

(3)

式(3)中：qk——主機(jī)在0-1時(shí)段的制熱量；

qf——輔機(jī)在0-1時(shí)段的制熱量；

V——熱水箱容積，原方案為80m3；

m0-1——0-1時(shí)段的熱水用水量；

t0——設(shè)計(jì)冷水補(bǔ)水水溫。

步驟3：取上一時(shí)段的tz溫作為下一時(shí)段的tC，并重復(fù)步驟2，至t24Z。

步驟4：令t0C=t24Z重復(fù)步驟1～3至二者誤差達(dá)設(shè)定精度為止。

對(duì)原方案進(jìn)行的具體計(jì)算如表2所示。

表2 原方案的逐時(shí)供耗熱量和逐時(shí)水溫計(jì)算表

注：0時(shí)段為0時(shí)～1時(shí)，依次類推。24h合計(jì)供熱量：主機(jī)-4267kW,輔機(jī)-2400kW。

從表2 明顯看出，原方案熱水出水溫度不達(dá)標(biāo)，節(jié)能效果也未達(dá)預(yù)期。原方案24h水溫均小于52℃，輔機(jī)24h開啟，主機(jī)供熱指標(biāo)低于設(shè)計(jì)值。為了更好地分析問題，僅將輔機(jī)功率提高到200kW時(shí)再行計(jì)算，結(jié)果如下：各時(shí)段溫度提高了，但仍小于60℃，24h均溫達(dá)53.4℃，24h供熱量中主機(jī)占1867kW,輔機(jī)占4800kW。由此可以看出，輔機(jī)功率的提高會(huì)提升熱水出水溫度，當(dāng)輔機(jī)的功率提高足夠高，可能會(huì)出現(xiàn)部分出水溫度達(dá)標(biāo)的時(shí)段，但主機(jī)的供熱能力將受到更大限制，系統(tǒng)的節(jié)能效果更差。

分析原方案熱水出水溫度不達(dá)標(biāo)、節(jié)能效果未達(dá)預(yù)期的原因有三。第一：原方案輔機(jī)與主機(jī)的工作溫度重疊，加熱、蓄熱水箱未分開，實(shí)際二者功能沒差別，且水箱容積大、熱惰性大，有限補(bǔ)水量造成的溫降較小，當(dāng)水溫未降至主機(jī)動(dòng)作溫度時(shí)僅靠輔機(jī)工作，導(dǎo)致輔機(jī)能耗增加，主機(jī)利用率下降。第二：由于存在水箱補(bǔ)水的能耗全由輔機(jī)提供的時(shí)段，當(dāng)該時(shí)段輔機(jī)功率小于系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)段的耗熱量時(shí)，出水水溫就達(dá)不到設(shè)計(jì)值；第三：當(dāng)補(bǔ)水量大、溫降大至主機(jī)足以開啟時(shí)，該時(shí)段的能耗由主機(jī)和輔機(jī)同時(shí)承擔(dān)，但受主機(jī)的出水溫度以及輔機(jī)功率能力限制，水溫仍無法達(dá)到設(shè)計(jì)值。

4 改進(jìn)方案

原方案主要存在以下2個(gè)問題：

第一：熱水器出水水溫低于60℃，水質(zhì)安全無保證。因用水點(diǎn)出水是冷熱水混合后的結(jié)果，理論上只要系統(tǒng)供水水溫高于用水點(diǎn)出水所需水溫，用水點(diǎn)就可以得到合適水溫的熱水，但過低的供水水溫是軍團(tuán)菌的溫床，它影響供水水質(zhì)的安全。醫(yī)院的病人體質(zhì)弱，更應(yīng)重視軍團(tuán)菌的問題。

第二：原方案節(jié)能設(shè)備的功效發(fā)揮不良，節(jié)能效果不理想，同樣需要進(jìn)一步改進(jìn)。

基于以上分析可以看出，加熱水箱(1#箱)及蓄熱水箱(2#箱)未分開，主機(jī)與輔機(jī)工作介質(zhì)混在一起，工作溫度又重疊，導(dǎo)致輔機(jī)部分代替主機(jī)功能，最終導(dǎo)致上述后果。 所以，改進(jìn)的方案從1#箱及2#箱分開著手。

圖3為改進(jìn)方案原理圖。1#箱與2#箱連通管斷開，主機(jī)及其循環(huán)泵與1#箱組成第一溫升(Td1)系統(tǒng)，它的功能是由主機(jī)制備50℃并儲(chǔ)存的熱水；輔機(jī)及其循環(huán)泵與2#箱組成第二溫升(Td2)系統(tǒng)，它的功能是利用輔機(jī)維持2#箱熱水溫度不低于60℃。冷水補(bǔ)至1#箱，當(dāng)1#箱水溫T1<47℃時(shí)主機(jī)開啟至T1=50℃止， 1#箱水溫達(dá)50℃后由過墻泵提升至2#箱，2#箱水溫T2<60℃時(shí)輔機(jī)開啟至T2=63℃止。由此，1#箱、2#箱功能清晰，主輔機(jī)各自在獨(dú)立的介質(zhì)中完成制熱，主機(jī)的能力被充分利用，熱水出水溫度由輔機(jī)始終保證60℃以上，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)既定節(jié)能。

圖3 改進(jìn)方案熱水制備原理圖

改進(jìn)方案除主機(jī)及其循環(huán)泵可沿用原方案外，其它制熱設(shè)備的參數(shù)選用需要重新核算。

(1)1#、2#水箱及輔機(jī)

由于有蓄熱水箱的存在，輔機(jī)的功率可在Td2段的最大時(shí)及平均時(shí)耗熱量范圍內(nèi)選擇，取決于2#蓄熱容積的大小。2#水箱的蓄熱容積應(yīng)滿足:①不小于用水高峰持續(xù)段內(nèi)熱水在Td2段的總耗熱量與輔機(jī)制熱量之差。②不小于90minQ2h，即不小于23m3。

(4)

進(jìn)行計(jì)算。

式中，t為用水高峰持續(xù)段輔機(jī)的最短工作時(shí)數(shù)。

t值的計(jì)算與Td1系統(tǒng)的工作周期有關(guān)。

經(jīng)計(jì)算改進(jìn)方案t=1.5h，(t的具體確定見下文)。

根據(jù)式(4)可以列出不同輔機(jī)功率提供的Td2段熱水出水流量(qf)及最小蓄熱容積計(jì)算一覽表(表3)，設(shè)計(jì)可根據(jù)實(shí)際情況選擇輔機(jī)和蓄熱容積。本改進(jìn)方案輔機(jī)擬選用2臺(tái)80kW,總供熱量160kW,蓄熱水箱容積取40m3。

表3 輔熱功率、熱水出水流量及最小蓄熱容積一覽表

(2)過墻泵

過墻泵的功能是將1#箱內(nèi)的50℃熱水泵至2#箱，其流量要與輔機(jī)功率相匹配。流量過大恐導(dǎo)致水箱出水溫度不達(dá)標(biāo)，流量過小則會(huì)延長Td1系統(tǒng)的制熱水周期，一般可按輔機(jī)的0.9qf取值。本例選用2臺(tái)過墻泵，參數(shù)Q=12m3/h，H=0.07MPa，N=0.55kW。

(3)1#水箱

改進(jìn)方案中，主機(jī)及其循環(huán)泵沿用原方案選型，1#水箱的容積及水位控制對(duì)主機(jī)能否及時(shí)高效地將冷凝熱轉(zhuǎn)移到水體起重要作用。首先，水箱容積應(yīng)保證主機(jī)和循環(huán)泵不頻繁啟停；再者，容積也不應(yīng)過大，以免熱水制備周期過長，無法及時(shí)向2#箱提供50℃熱水。1#箱有效容積設(shè)置考慮因素建議:①不小于最大一臺(tái)循環(huán)泵5min的流量；②不小于主機(jī)Td1段30min的制熱量；③不小于45minQ1h。經(jīng)計(jì)算改進(jìn)方案1#箱水箱有效容積取16m3。

循環(huán)加熱類主機(jī)的能效會(huì)隨著出水溫度的提高而下降[1]。當(dāng)熱水出水溫度從40℃提升到50℃時(shí)，主機(jī)能效將下降10%～15%[1]。所以，為提高主機(jī)的能效，應(yīng)盡可能將高溫?zé)崴哭D(zhuǎn)移到2#箱，避免滯留在箱內(nèi)與補(bǔ)水混合形成高溫區(qū)(40～50℃)反復(fù)加熱。改進(jìn)方案通過控制1#箱的進(jìn)水流速，將主機(jī)與進(jìn)水時(shí)段適當(dāng)錯(cuò)開，實(shí)現(xiàn)此目的。

現(xiàn)假設(shè)Td1系統(tǒng)的一個(gè)工作周期：將1#箱水位至最低水位時(shí)設(shè)為0點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)水閥開啟進(jìn)水，0～20min時(shí)水箱補(bǔ)水至滿水位，當(dāng)水位達(dá)1/2箱時(shí),即10min時(shí)，主機(jī)啟動(dòng)至45min水溫升至50℃止。45min時(shí)，過墻泵開始工作，120min時(shí)可泵送完畢?？梢钥闯觯到y(tǒng)可在2h內(nèi)完成Td1段從補(bǔ)水至50℃熱水完全送至2#箱的一個(gè)完整工作周期。由此計(jì)算水箱的補(bǔ)水管徑，可以算出在持續(xù)高峰用水時(shí)段3h內(nèi)，補(bǔ)熱設(shè)備的有效工作時(shí)間t的最小值為90min。

表4為改進(jìn)方案的熱水制備主要設(shè)備表，考慮到水箱的清洗及檢修，1#、2#水箱均采用2座并聯(lián)使用。

表4 改進(jìn)方案的熱水制備系統(tǒng)主要設(shè)備表

注：主機(jī)及其循環(huán)泵同原方案，參數(shù)略

5 結(jié)語

綜上，該醫(yī)院的熱水制備系統(tǒng)原方案有待優(yōu)化，其問題的關(guān)鍵在于回收機(jī)組供熱系統(tǒng)及輔助補(bǔ)熱系統(tǒng)未獨(dú)立設(shè)置?；耍倪M(jìn)方案將由熱回收機(jī)及加熱水箱組成的加熱系統(tǒng)和由補(bǔ)熱設(shè)備和儲(chǔ)熱箱組成的輔熱完全分離，加熱系統(tǒng)制備的50℃熱水通過專用泵提升至儲(chǔ)熱水箱，用戶所需的60℃熱水則由輔熱系統(tǒng)及時(shí)提供。這樣，該系統(tǒng)的供水溫度和節(jié)能則均能保障。

當(dāng)然，方案的優(yōu)化是多方面的，也可以從主機(jī)的選型、輔機(jī)的形式考慮，上述改進(jìn)方案也不一定是最優(yōu)的，比如：可將1#、2#箱連通管斷開，主機(jī)及輔機(jī)仍與1#箱連接，將水箱進(jìn)水、主輔機(jī)開啟溫段分開(輔機(jī)僅在50度