水环热泵空调在医药阴凉库中的应用

1 引言

众所周知，某些药品在常温环境下无法正常保质，需要按照特定的温度需求进行储藏， 医药冷库建造可以使药品不会在高温（常温）环境下变质失效，以延长药品得到保质期限。GSP 医药冷库建造需要符合GSP、GMP 认证标准， 并严格按照《药品经营质量管理规范》进行设计建造。

医药冷库主要分为常温库（0~30 ℃）、阴凉库（0~20 ℃）、冷库（2~8 ℃）3 种类型，医药阴凉库一般温度设定在0~20 ℃，其相对湿度一般控制在40%~75%， 可用于储存不可高温储存，但又不能太过低温储存的各类药品，医药阴凉库需要避免阳光直射。

2 项目概况

该工程为合肥某医药仓储配送中心仓库，建设地点位于合肥市经开区， 总建筑面积为30 833 m2， 其中空调面积为20 923 m2，地下1 层，地上4 层，建筑高度为19.50 m。 框架结构，火灾危险性为“丙”类。 地下一层为汽车库，地上1~4 层主要由医药阴凉库和医药器械库组成， 主要功能是储存医疗器械和医药药品。

3 室内外计算参数

3.1 室外计算参数

夏季空调：室外计算干球温度35.0 ℃，室外计算湿球温度28.1 ℃，风速2.9 m/s。

冬季空调：室外计算温度-4.2 ℃，相对湿度76%，风速2.7 m/s。

3.2 室内设计参数

室内设计参数，见表1。

表1 室内计算参数

4 负荷计算

采用暖通负荷计算软件逐时、逐项计算空调负荷，本工程空调夏季总冷负荷为3 517 kW， 冬季总热负荷为462 kW，单位空调面积冷负荷指标为168.1 W/m2， 单位空调面积热负荷指标为22.1 W/m2。

5 空调设计方案的比较与选择

在空调系统的冷热源方案和空调系统形式的选择方面，结合本工程的特点及工艺要求，采用了两种方案进行比较。

5.1 方案一

方案一为水冷机组+ 燃气锅炉+ 末端空调系统 （水冷冷水机组+冷却塔+燃气锅炉+空调末端）。

1）冷源：采用电制冷冷水机组+冷却塔供冷。在仓库负一层设置制冷机房，设计选用两台双机头离心式冷水机组，单台制冷量1 760 kW， 夏季空调冷冻水供回水温度7 ℃/12 ℃，冷却水供回水温度32 ℃/37 ℃，冷却塔放置在仓库屋面。

2）热源：采用燃气锅炉供热。 在仓库负一层设置锅炉房，选用1 台0.5 MW 的常压燃气热水锅炉， 提供85 ℃/60 ℃的一次热水，经板式换热器换热后，为系统提供60 ℃/50 ℃的空调热水。

3）空调末端：在1~4 层阴凉库和器械库设置吊顶式空气处理机组，新风采用空调机组降温（升温）除湿后送入室内。

5.2 方案二

方案二为水环热泵空调系统[1]（水源热泵机组+ 冷却塔+太阳能集热器+蓄热水罐）。

1）冷源：夏季采用水源热泵机组+冷却塔供冷。在1~4 层阴凉库和器械库设置水源热泵机组， 每台机组带独立冷源构成制冷单元；在屋面设置2 台闭式冷却塔。

2）热源：冬季采用水源热泵机组+ 太阳能热水系统供热，在屋面设置太阳能集热器、蓄热水罐（带辅助电加热）和板式换热器。

3）空调末端：在1~4 层阴凉库和器械库设置水源热泵机组分散式送风，新风采用净化风机箱（带初效过滤段）直接将室外新风送入室内。

5.3 两种方案的对比分析

两种方案的初投资和耗电量，见表2。

表2 方案一和方案二的初投资和耗电量（耗气量）

方案一的主要设备包括： 离心式冷水机组， 冷却塔 （开式），冷冻水泵，冷却水泵，常压热水锅炉，板式换热器，一、二次侧热水循环泵，膨胀水箱、吊顶式空气处理机组和水管、阀门、保温材料等，初投资费用除了以上设备的设备费外，还包括施工费用、自控系统（BA 系统）费用和机房（制冷机房+ 锅炉房）的土建费用。

方案二的主要设备包括：冷却塔（闭式），冷却水泵，整体吊装式水源热泵机组（冷暖型+ 单冷型），真空管太阳能集热器，蓄热罐，集热系统循环泵，供热系统一、二次泵，板式换热器、定压罐，净化风机箱和水管、阀门等，初投资费用除了以上设备的设备费外，还包括施工费用、自控系统（BA 系统）费用。

5.4 两种空调方案的经济性分析

5.4.1 计算基准

制冷时考虑部分负荷运行情况空调使用系数取0.6，制热时考虑部分负荷运行情况空调使用系数取0.8。 制冷运行时间取240 d，制热运行时间取60 d，过渡季节空调不运行时间取65 d；制冷制热时全天24 h 运行。 电费按0.65 元/（kW·h）计算（考虑高峰、低峰均价），天然气按4.16 元/m3计算（工业用气）。

5.4.2 方案一的年运行费用

夏季： 制冷时年运行费用= （929.5 kW×240×24 h×0.6）×0.65 元/（kW·h）×10-5≈208.8 万元；

冬季：供热时年运行费用=（183.5 kW×60×24 h×0.8）×0.65 元/（kW·h）×10-5+（50×60×24×0.8）×4.16×10-5≈37.7 万元；

合计：208.8 万元+37.7 万元=246.5 万元。

5.4.3 方案二的年运行费用

夏季： 制冷时年运行费用= （985.7 kW×240×24 h×0.6）×0.65 元/（kW·h）×10-5≈221.4 万元；

冬季：供热时年运行费用=（178.7 kW×60×24 h×0.8）×0.65 元/（kW·h）×10-5≈13.4 万元；

合计：221.4 万元+13.4 万元=234.8 万元。

方案二较方案一初投资费用减少619.2-534.1=85.1 万元；方案二较方案一年运行费用减少246.5-234.8=11.7 万元。由于方案二投资和运行费用均低于方案一， 综合考虑后本工程采用方案二。

6 空调系统设计

6.1 运行策略

该工程采用水环热泵空调系统， 辅助冷源采用闭式冷却塔、辅助热源采用太阳能蓄热系统。 常温库和阴凉库采用整体式水源热泵机组，每台水源热泵机组自带冷（热）源、末端及电控[2]。

制冷时， 采用闭式冷却塔向水源热泵机组提供冷却水直接蒸发制冷； 制热时采用太阳能蓄热向水源热泵机组提供热水制热。 单冷型水环热泵机组仅运行制冷模式；冷暖型水环热泵机组既可运行制冷模式又可运行制热模式。

6.2 空调风系统

采用水源热泵机组分散式送风，新风采用净化风机箱（带初效过滤段）直接送入室内。 室内气流组织为上送上回的送风形式，送风系统采用了纤维织物风管空气分布系统，保证库内温湿度均匀。

6.3 空调水系统

采用分区两管制闭式系统，水平环路采用同程式、垂直环路采用异程式。 夏季由闭式冷却塔向水源热泵机组提供30 ℃/35 ℃冷却水；冬季由太阳能蓄热系统向水源热泵机组提供50 ℃/40 ℃热水 （太阳能蓄热系统在夏季与过渡季节向厂区办公区提供热水的再热热源）。 冷却水循环泵采用变频运行方式，根据室内空调负荷的变化进行运行调节，实现节能。空调水系统原理图见图1。

图1 空调水系统原理图

7 结论

1）本工程采用水环热泵空调系统，无须制冷机房和锅炉房，节省了建筑成本和后期维护保养的费用。

2）水源热泵机组为直接膨胀式制冷方式，机组出风温度较低（最低出风温度可达到15 ℃），适合应用于像医药阴凉库这种对室内温度要求较低的场所。

3）冬季空调系统辅助热源采用太阳能蓄热系统，夏季和过渡季节由太阳能蓄热系统提供生活热水的热源。 降低冬季空调运行费用的同时还可以向生活热水提供热源。