浅析热管热回收技术在医疗建筑空调系统中的应用

陆琼文

华东建筑设计研究院总院

1 引言

目前，公共建筑已成为工业建筑外的主要能耗载体。公共建筑能耗包括供暖、空调、生活用热水、照明等方面内容，其中供暖、空调约占50%以上[1]，而在各类型公共建筑中，医院建筑能耗相对处于较高的水平。

在空调负荷中，新风负荷占了较高的比例。在新风系统设置能量回收装置，使新风与排风进行热交换，将排风所携带的冷/热量传递给新风，可有效地减少新风系统的耗冷量/耗热量，是降低建筑能耗的有效措施之一。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）、《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）等规范均建议在设置集中排风的系统中设置空气-空气能量回收装置。

2 常用的空气-空气能量回收装置

在空调热回收系统中，目前较常用的有转轮式换热器、板式换热器、盘管换热器和热管换热器。

2.1 转轮式换热器

转轮热回收分显热回收和全热回收两种方式。显热回收的材质一般为铝箔，全热回收中的材质为具有吸湿表面的铝箔材料或其他蓄热吸湿材料。转轮作为蓄热芯体，在旋转过程中排风与新风逆向经转轮各自释放或吸收热量，完成全热交换。其优点是热回收效率可达到70%～80%。转轮式换热器需要设置传动机构，需日常维护。对于排风中含有害物、有毒物质的场所并不适用。

2.2 板式换热器

板式换热器分为平板式显热换热和板翅式全热换热器两种，其优点为结构简单、无传动部件、运行可靠、使用寿命长。但存在压力损失大，结构强度不高，凝结水、结冰现象影响使用寿命等缺点，它一般适用于风量较小的通风系统。

2.3 盘管换热器

盘管换热器是一种空气+液体的换热器，由布置在新、排风管道上的两个换热器、循环泵、膨胀箱、排气阀和管道配件等组成。管道内的传热液体采用乙二醇或水，传热液体将排风中的热量通过换热传递给新风。该系统布置灵活，新排风系统可分开布置，新风排风介质不接触，安全可靠。但由于系统复杂，对日常维护要求较高，且需经过两次换热，热回收效率较低。

2.4 热管换热器

热管由蒸发段、绝热段、冷凝段三部分组成，其结构如图1所示。当热管的一端受热后，吸液芯中的液体吸收外界热量迅速汽化，在微小压差下流向热管的另一端，在向外界放出热量后冷凝成为液体，液体借助于贴壁金属网的毛细抽吸力返回到加热段，并再次受热汽化。如此不断循环，热量就从管的一端传向另一端。热管换热器依靠工作液体的相变来实现传热，换热效率高且无传动机构，且新、排风介质不接触，安全可靠。

图1 热管结构原理图

由于医院建筑排风中含有一定量的污染物，因此公共建筑中常用的转轮热回收系统，很少在医疗建筑设计中采用。根据《综合医院建筑设计规范》（GB51039-2014）中的规定[2]，医疗用房的集中空调系统的新风量不应低于40 m3/h·P或2次/h换气，其新风量及新风负荷占比均高于办公、商业等一般公共建筑。因此，若采用新排风热回收技术，回收部分排风能量，能在一定程度上降低新风能耗，从而达到节能的目的。

各类换热器之间的性能比较见表1。为了避免新风与排风之间的交叉污染，获得较高换热效率，且系统运行维护简单，医院中采用热管换热器是一种较好的选择。

本文以上海市某医院设计的通风系统为例，分析医院建筑中使用热管热回收技术的节能性、经济技术性以及设计过程中的注意事项。

3 热管热回收技术在医院建筑中的应用分析

3.1 项目概况

表1 多种能量回收系统的性能比较

该医院总建筑面积185 000 m2，包括门诊、急诊急救、住院、后勤综合、感染科等功能。其中5层至22层为住院部，建筑面积约57 000 m2，床位数为1 200床。住院部设置集中新风与排风系统，系统中采用热管热回收技术。热回收装置在设备层和屋面集中布置，总新风量184 000 m3/h，总排风量160 000 m3/h，共分为8个子系统，单台热回收型新排风机组新风量23 000 m3/h,排风量20 000 m3/h。图2为住院楼中某子系统的通风原理图。

3.2 设计过程中的注意事项

由于热管技术无动力设备，液体工质是依靠重力或者毛细管力回流至蒸发段，因此需实现全年热回收的热管热回收器，新排风机组应水平布置，不可叠放。在布置机房上应充分考虑设备占地。

热管热回收装置宜设置旁通回路，当新排风温度不具备热回收条件时，可将新风旁通送入新风机组。

在北方寒冷地区使用热管热回收装置，宜在新风入口设置预热段，保证进入热管热回收装置的新风高于-10℃，避免出现结冰现象。本项目位于上海，因此未增加预热段。

3.3 热管热回收节能特性分析

在同一工况下，热管换热器的换热特性受热管排数、换热工质类别以及换热管材料等的影响。根据文献，热管换热器的效率与压力损失如表2所示。

表2 热管换热器效率与压力损失[3]

根据AHRI Standard 1060-2011[4]规定，用于空气-空气能量回收通风装置中的空气-空气换热器的显热效率，可用下列公式计算：

图2 住院楼中某子系统通风原理图

式中，Gs——送风质量流量，kg/s；Gmin——排风质量流量与送风质量流量的最小值，kg/s；t1——排风入口温度，℃；t2——新风出口温度，℃；t3——新风入口温度，℃。

当新风、排风流量不变时，显热效率仅和介质温度有关。在已知新、排风流量，新风入口温度（室外温度），排风入口温度（室内温度），可以根据式（1）计算出新风出口温度t2，进而根据新风流量和新风进、出口温度获得热回收量：

由于热管热回收装置存在压力损失，且为了保护热管需在排风入口侧额外增设空气过滤器，故实际收益需要扣除该部分造成的风机电量增量：

依据上海市电费标准、天然气标准，结合上海地区气象资料[5]，笔者计算了全年工况热管热回收装置的收益情况。计算过程中有如下假定：

1） 每年3月15日～4月14日，10月15日～11月14日为非空调季；

2） 当新风温度不满足热回收条件时，即夏季室外温度低于室内温度，冬季室外温度高于室内温度时，开启旁通；

3） 供冷工况空调系统综合COP按3.0取值；

4） 供热工况空调系统按燃气热水锅炉作为热源，锅炉效率按93%取值，并假设热水泵扬程为30 m H2O。

5） 非空调季节和新风温度不满足热回收条件时，热管热回收装置会增加风机能耗，增加的运行费用见式（5）。冬季运行费用按式（6）计算，夏季运行费用按式（7）计算，当热回收节能量大于风机能耗时运行会节省运行费用，反之增加。

其中，C——运行费用，元；Pe——电价，元/kWh[6]；Pg——燃气价，元/kWh[7]；ηb——锅炉效率，取0.93；ηp——水泵效率，取0.80；∆H——热水泵扬程，取30 m H2O；Gws——热水流量，t/h，系统温差取10℃；SCOP——冷水系统综合制冷系数，取3.0。

根据式（5）～式（7），可以计算全年逐时室外温度情况下的热管运行费用，计算结果见图3。由图3可知，由于热管热回收为显热回收技术，新排风温差是主要驱动力，夏季新排风温差小，热回收装置节能量较少，运行收益为2 167元，仅占总节能量的3%；冬季新排风温差大，热回收装置节能量远大于夏季工况，运行收益为68 130元，占总节能量的97%。同时，由于采用热管热回收需要风机提供额外的风机压头，当新排风温度不具备热回收条件或热回收量较小的情况下，会出现负收益的情况，该部分的总费用约为8 613元。

图3 6排管工况热管热回收装置全年收益/元

根据计算，6排的热管热回收装置全年运行收益为61 683元，全年共有3 758 h能实现新、排风热回收，时间占比43%。

3.4 热管热回收盘管排数收益分析

根据3.2节中介绍的计算方法，笔者分别计算了2排、4排、6排、8排、10排工况的全年收益情况，并计算了静态回收周期，计算结果汇总如表3所示。

表3 不同排数工况下热管热回收器全年收益与静态回收周期

图4 热管排数经济性分析

由图4可知，随着热管排数的增加，年收益逐步增大，但增速与排数的增量不成正比。静态回收周期的趋势也验证了该结果。6排管工况是比较经济的配置方案，该项目最终也选取了6排的热管热回收器。由于热管换热器无运动部件，又便于清洗，其使用寿命远长于转轮换热器、盘管换热器，因此可以考虑较长的回收周期，以获得更大的节能收益。

4 结论

（1）医院建筑通风系统排风量大，排风中含有大量的余热，又由于传统板式和转轮式热回机组在医院建筑中存在交叉感染的风险，因此医院设计中较少采用该类型的空气-空气热回收技术。热管热回收技术不接触介质，高效低阻，维护便捷，故适合在医院建筑中应用。

（2）显热回收技术，新排风温差是主要的驱动力，因而供热工况下的热回收量会远大于供冷工况。本文通过上海某医院的实例，计算分析了热管热回收装置的全年收益情况。根据分析结果，可推断在冬季室外温度更低的区域，更适合采用热管热回收技术。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50189-2015，公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015．

[2]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会．GB51039-2014，综合医院建筑设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014．

[3]陆耀庆．中国建筑科学研究院.实用供热空调设计手册. [M].北京：中国建筑工业出版社，2008：2491～2509.

[4]AHRI.AHRI Standard 1060-2011 Performance rating of air-to-air heat exchangers for energy recovery ventilation equipment [S].USA: Airconditioning, Heating, and Refrigeration Institute, 2015.

[5]中国气象局气象数据中心．中国气象数据网[EB/OL]．北京：中国气象局气象数据中心，2005[2017-10-20] ．http://data.cma.gov.cn/.

[6]上海市经济和信息化委员会网站 [Z]．上海：上海市经济和信息化委员会，[2017-10-20]．http://www.sheitc.gov.cn/.

[7]上海燃气[Z]．上海：上海燃气（集团）有限公司， 1999 [2017-10-20]． ttp://www.shgas.com.cn/.

节能信息与动态

黄浦区超进度完成三季度节能降碳目标

近年来，黄埔区节能办聚焦“三个抓”，落实目标责任。（1）抓责任督查。制定并下发了《黄浦区2017年节能减排工作计划》及任务分解表等文件，将节能任务目标分解有关部门、街道和重点用能单位，并建立了定期督促检查机制。推动重点用能单位完成能源利用和温室气体排放报告。（2）抓对标达标。按季度公布节能晴雨表，对区内重点用能单位开展酒店、办公、商业等分行业能耗对标工作，对重点楼宇开展在线能效水平对标达标，推进斯格威大酒店获得金牌能效“领跑者”。（3）抓考核公示。通过会议、区节能网站，公布年耗能500t标准煤及以上的区重点用能单位名单，对重点建筑进行能耗公示。考核结果通过区节能网站予以公布，便于社会共同监督。

据统计，2017年前三季度黄浦区单位增加值能耗同比下降4.33%，能耗总量同比下降0.1%，超进度完成三季度节能降碳目标。