养老院热泵热水系统设计的技术经济分析

黄均兆

(贵阳建筑勘察设计有限公司， 贵州贵阳 550001)

1　工程概况

某市养老院项目为改扩建项目，设计床位共440床，其中新建1#养护楼370床，原有养护楼改造70床。房屋综合建筑面积按44.5 m2每床的建设标准执行，其中直接用于老年人的入住服务，生活用房、卫生保健用房、康复用房、娱乐用房、社会工作用房、行政用房、地下车库、附属用房等所占比例不应低于总建筑面积的75 %。

老年养护楼(新建)建筑面积为：23 416 m2，锅炉房(改造)面积为：742 m2，垃圾处理(新建)面积为：36 m2，污水处理(新建)面积为：120 m2。本项目容积率1.08，建筑密度27.66 %，停车位151辆。

本工程新建建筑层数为7层，其中地下1层，地上6层，建筑高度为22.80 m，结构形式为框架结构； 抗震设防烈度为六度。为多层公共建筑，耐火等级为一级，工程设计使用年限为50年。负一层为设备用房、地下停车库，一层为门厅、接待室、厨房、餐厅等，二层至五层为会见聊天室、居室、护士人员值班室、开水房、备餐间、护士工作室、浴室、文印室、档案室等；六层为人员值班室、办公室、会议室、资料室、档案室、多功能厅、阅览室、库房等。

本项目所在地气象条件：项目所在地属典型的高原型湿润亚热带季风气候，雨量充沛，年平均降雨量1 360 mm，一月平均气温4.3 ℃，一月平均最高温度7.6 ℃，一月平均最低温度2.1 ℃，七月平均气温22 ℃，七月平均最高温度26 ℃，七月平均最低温度19.2 ℃，全年平均气温14 ℃，历史最高气温34.3 ℃，最低气温-7.6 ℃，年平均相对湿度80 %，年平均风速2.4 m/s，冬无严寒，夏无酷暑，气候温和宜人。气候的主要特点是凉爽、湿润、清新、太阳辐射低。地处贵州高原苗岭山脊线上，山谷风明显，西南季风来自印度洋，夏季风多，无闷热感，夏季平均风速2.5～3.0 m/s。

2　热源选择分析

该大楼设置集中热水供应系统，全日供应热水。主要热水用水点为护理房的淋浴器、洗脸盆，一层的公共淋浴室、厨房。常用的生活热水加热方式有：电加热、燃气加热、燃油加热、太阳能加热、热泵、热电厂余热利用等。

2.1　电加热器

电加热制备热水的优点：干净卫生、安装方便、能适应天气变化，使用方便，温度可自调；缺点：热效率低、电能浪费大、运行费用较高，易结水垢，新型电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了容易结垢的问题，但阳极镁棒需两年更换一次，给保养带来麻烦。

2.2　燃气加热器

天然气加热制备热水(天然气锅炉)的优点：

(1)燃气锅炉不需要煤灰堆放地,节省用地。

(2)节约锅炉辅助生产用水。燃煤锅炉和燃气锅炉正常生产用水相等,但燃气锅炉节约了燃煤锅炉用来除尘、除渣等防尘的辅助用水。

(3)减少工作人员。燃气锅炉比燃煤锅炉辅助设备少,所需工作人员少,负担工资及福利费用就要少得多。

(4)节省锅炉生产用电费用。燃气锅炉燃料输送及其它辅助设备少,功率小,连续运行时间短,所以耗电量低,费用较省。

(5)降低劳动强度。燃煤锅炉在煤的输送、除渣过程中都需要高强度的体力劳动,而燃气锅炉工作人员劳动强度较小。

(6)燃气锅炉房布置灵活,占地面积少,产生的噪声低。

(7)改善环境。燃煤锅炉运行时产生大量烟尘,对环境造成很大污染,而天然气为清洁能源,对环境有很大的改善。

(8)高效、环保是燃气锅炉的最大优点，天然气燃烧没有杂质，对锅炉及相关配件没有没有损坏，锅炉使用寿命长。

缺点：气源投资大、运行成本高于燃煤。燃气锅炉使用是有条件限制的，只有有燃气管道的地方才可以享用，而在不通燃气的地方，是无法使用天然气，另外一个缺点就是目前来说多数燃气锅炉对氮氧化合物的排放不可控。

2.3　燃油加热器

燃油锅炉的优点：优点是设备投资少。燃油燃烧迅速，而且不存在炉膛结焦问题，炉膛容积热负荷较高，可比燃煤锅炉高近一倍。缺点：燃油锅炉油价高，导致使用成本高并且燃油的运输、储存的危险性高，易出现事故。目前油的价格过高，致使使用成本随之上涨。

2.4　空气源热泵热水器

空气源热泵热水器是一种高效节能的制热水设备，具有如下优点：

(1)运行附加费较小，这是因为：

①热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等；

②检修周期较长，因锅炉设备与高温烟气接触，构件极易受损；而热泵系统只有两个部件运动，磨损少，平时无需任何检修。

③管理人员与劳动强度均可减少，节省工资开支。

(2)空气源热泵室外安装，土建投资低，锅炉房需增加机房土建投资。

(3)燃煤锅炉房产生的废气、废渣对周围环境有影响，而空气源热泵对周围环境影响小。

(4)运行直接费用(电费)一般比燃煤锅炉大，这是热泵的主要开支。

(5)热泵初投资费用常大于锅炉房设备。相同容量的制热设备比锅炉设备为贵。

(6)热泵拥有大于1的能效，对能量的利用远远优于其他方式的采暖方式。

缺点：空气源热泵的性能会随室外气候变化而变化。在我国北方室外空气温度低的地方，由于热泵冬季供热量不足，需设辅助加热器。空气源热泵在寒冷地区应用的可靠性差。在低温环境下，空气源热泵的能效比(EER)会急速下降。

工程所在地一月平均气温4.3 ℃，年平均环境温度14 ℃，建筑气候分区属温和地区，适于采用空气源热泵，在一月室外气温低于5 ℃时，启用辅助电加热器作为备用热源。通过上述热源分析，结合本工程的实际特点，本工程选择空气源热泵作为热水供应系统的加热热源。

3　空气源热泵热水系统的设计

3.1　热水用水量及热量

根据相关设计规范取值(表1)：养老院热水定额按60L/床.日计算，冷水计算温度7℃，热水计算温度55℃。

表1　热水用水量及热量计算表

热泵每天设计工作时间T1取14 h，可按下式计算热泵机组设计小时平均秒供热量:

Qg=24×k1Qd/T1

Qd=QrCρr(tr-tl)/(24×3600)

式中:Qg为热泵机组设计小时平均秒供热量(kW)；T1为热泵机组设计工作时间 (h)；k1为安全系数，k1=1.05～1.10；Qd为最高日平均秒耗热量(kW)；Qr为最高日热水量(m3/d)；C为水的质量热容，C=4187(J/kg·℃)；ρr为热水密度 (kg/L)；tr为热水设计温度 (℃)；tl为冷水设计温度 (℃)。

可计算热泵机组设计小时平均秒供热量为241 kW，考虑到产品使用地区室外计算温度修正系数0.9和机组融霜修正系数0.9，空气源热泵的名义制热量取297 kW。选用模块化空气源热泵机组FM-40Q(R)型，2台，机组总制热量332 kW，满足计算要求。设置电辅助加热器输入功率2×50 kW，在冬天气温低于5 ℃时启用。

根据国家标准GB/T 21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》：环境温度20 ℃，进水温度15 ℃，出水温度55 ℃。热泵机组制热能力随着冷水温度的降低而略有增加，但是变化不明显，随着环境温度的降低而显著降低。对热泵热水系统的计算和机组选型应根据设置位置的最不利环境温度校核。

3.2　热泵热水机组运行时间校核

本工程所在地最冷月(1月)室外平均气温4.3 ℃，1月进水最低温度7 ℃，按此条件校核机组运行时间，热泵此条件下的制热能力为265 kW，则冬季每天运行时间为：58 t/d×1000 kg/t×4.185 kJ/(kg·℃)×(55-7)℃÷3 599.5 kJ/(kW·h) ÷265 kW=12.2 h/d，热泵机组的设计工作时间根据用水规律、低温热源情况和系统经济性等因素综合考虑，全日供水时，不大于20 h，所以校核的机组运行时间满足规定要求。

4　空气源热泵热水系统运行成本分析

空气源热泵热水系统运行成本分析主要与燃气锅炉、燃油锅炉、蓄热式电锅炉进行比较，蓄热式电锅炉是以电锅炉为热源，在用电低谷期利用低价位的电力生产热水，储存在热水箱中，在电网高峰时段关闭电锅炉，由热水箱供应热水，采用低谷电价计算。

空气源热泵热水机组的能效比为3.77，成本分析的其他基础数据如下：当地商业用电电价0.95元/(kW·h)，低谷电价0.5元/(kW·h)，燃烧值3599.5 kJ/(kW·h)；轻柴油6元/kg，燃烧值43 110.6 kJ/kg，天然气3.6元/Nm3, 燃烧值33 484 kJ/Nm3。电锅炉热效率0.95；燃油锅炉热效率0.85；燃气锅炉热效率0.8。

4.1　年运行费用分析

每年所需总热量为：134 kW /d×365 d=48 910 kW，对于不同热源的热水系统：燃料年需求量=年总热量÷燃料燃烧值÷热效率，根据燃料单价计算出不同热源的热水系统的年运行费(表2)。

从表2可以看出，在相同条件下，空气源热泵热水机组的年运行费(这里仅指燃料费用)最低，燃油锅炉的年运行费最高，燃油锅炉是其2.34倍。空气源热泵热水方案与常规燃料供热水方案比较，节能效果显著。

表2　不同热源热水系统年运行费计算

4.2　结论

空气源热泵热水机组以空气为低温热源，易受室外空气温度、湿度的影响，一般适用于长江流域以南地区的中小型热水系统中。民用建筑集中热水系统热源的选择必须根据工程建筑特点、当地气候和燃料供应情况综合考虑确定，一般情况下，空气源热泵热水系统是经济实用环保节能的优先选择热源，在提倡绿色建筑和可持续发展的今天，空气源热泵热水机组在建筑集中热水系统中的应用值得大力推广。