广州某大型医院冷热源方案选型及水系统设计分析

黄坚

（华建集团华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011）

1 引言

改革开放以来， 随着人民生活水平的提高和日益增长的对美好生活质量的需求，我国卫生事业得到空前发展，一、二线城市的医院建设规模日益增长， 新用地建设的医院其规模大多超过10 万m2，甚至超过20 万m2的综合医疗建筑群体也屡见不鲜。 作为能耗“大户”的医院类建筑，通常能耗比一般公共建筑高出50%以上， 其中医院空调的能耗又占总能耗的60%左右，所以如何选择空调冷热源方案，合理设计水系统中能源输送系统，并有效地运行维护将有着非常重要的意义。

2 项目概况

该项目位于广东省广州市，整体功能为集医疗、科研、教学为一体的甲级综合性医院， 本文讨论的范围为一期综合医疗中心及其地下室，其地上建筑面积为149 120 m2。 医疗中心集中整合了门诊、急诊急救、医技、住院医疗功能。 南侧门急诊楼地上9 层，北侧医技住院楼地上23 层。 一期地下室位于综合医疗中心下方，建筑面积87 000 m2，地下室除车库外另设置核医学科、污水处理机房、太平间、战时人防中心医院、制冷机房等设备保障用房。

3 冷热源选型

3.1 非净化区冷热源

病案库、档案库及MRI 采用恒温恒湿空调机组；直线加速器、检验科、CT、DR 等有设备发热的区域及与中央空调开启时间不匹配的房间设置独立变制冷剂流量多联空调。

除上述区域外，综合医疗中心及地下室设置集中空调。经计算，综合医疗中心及地下室普通区域夏季冷负荷约为21 609 kW，热负荷约为8 678 kW，冷热源方案对比如表1 所示。

表1 冷热源方案比较

各方案优缺点如下：

方案一中磁悬浮为新型设备，IPLV 数值是其亮点， 普遍能达到7～8[1]，但同时价格也偏高。 最初大部分为国产设备，目前大部分合资品牌均已开发或引进了磁悬浮冷水机组； 真空热水锅炉不受外界气候影响，供热稳定，但需设置锅炉房并接入燃气，有烟囱排放，影响建筑美观并对环境有一定影响，同时锅炉房要避开人员密集场所、有两个安全出口等要求，设备效率较低，初投资及运维费用较高。

方案二技术稳定可靠，性能成熟，市场占有率高；按照DBJ 15-51—2020 《广东省公共建筑节能设计标准》 中5.2.15条要求：常年有稳定生活热水需求，且采用集中空调系统的空调面积大于或等于10 000 m2的建筑， 应采取冷凝热回收措施。故冷凝热回收功能为本项目的必要措施[2]。变频离心机组可根据生活热水要求实现冷凝热回收功能；空气源热泵采用可再生能源，由于冬季室外温度较高，可做到供水温度稳定；热泵机组不占用机房面积，没有烟囱，初投资及运维费用较低。

通过上述比较，本项目地处广州，冬季温度较高，空气源热泵制热效果能得到保障且效率相对较高。 当地较少使用燃气锅炉，且考虑到蒸汽需求量较小，可做到独立供应，亦可规避蒸汽锅炉。 结合项目投资、 运维费用及医院的安全运行考虑，确定采用冬季空气源热泵供热，夏季冷水机组+空气源热泵联合供冷的方案，冷冻机采用变频离心式冷水机组。

最终冷热源方案选型为：夏季冷源采用3 台制冷量为4 650 kW 的变频离心式冷水机组 (其中一台为冷凝热回收机组)及5 台制冷量1 581 kW、制热量为1 686 kW 的空气源热泵联合供冷，优先运行冷水机组，冬季采用空气源热泵供热。 冷水供、回水温度为6 ℃/12 ℃，热水供、回水温度为45 ℃/40 ℃。 冷水机组、冷冻水泵及加药设备、分集水器等配套设备设置于地下冷冻机房内。 空气源热泵及冷却塔设置在裙房屋面上。

3.2 净化区冷热源

本项目净化区夏季制冷量为4 876 kW， 夏季热水再热量为1 734 kW，冬季制热量为2 363 kW。

考虑到净化区有空调再热与过渡季供冷的需求， 且若与非净化区共用集中式冷热源可能造成净化区域冷冻水供水温度偏高，以及室内环境湿度过大的问题（造成这种情况的原因较多，如系统输送距离较长，保温未做好或水利失衡，部分医院后勤为了降低整个医院的运行能耗， 从而人为提高中央空调系统的供水温度）[3]。 本项目净化区空调冷热源采用独立设置的方案。

冬夏季及过渡季节由设置于10 层屋面的风冷螺杆机组（2 台四管制热泵型，2 台两管制单冷型） 提供4 972 kW 冷量及2 788 kW 热量，全年提供7 ℃/12 ℃冷冻水及45 ℃/40 ℃的热水。 夏季再热及冬季冷源由屋面的四管制风冷螺杆热泵机组提供， 风冷螺杆热泵机组夏季回收热量供空调机组再热使用、冬季回收冷量供科室内区制冷使用。 空调冷热源采用“四管制+两管制”的形式，空调用冷水、热水全年不间断供应。

4 空调水系统设计分析

由于非净化区面积较大且系统较为复杂， 本文重点讨论非净化区空调水系统设计相关内容。 本项目空调供回水按功能分为4 个分区，分别为（1）门诊楼非净化区；（2）医技楼非净化区；（3）病房楼及急诊区非净化区；（4）地下室功能区。 空调水系统采用冷热两用两管制系统。 由于垂直管段各支路高差相差不大，系统采用水平同程、垂直异程。

介于项目体量较大， 系统可按二级泵变流量或一级泵变流量系统设置，下文重点对这两种输配方式进行分析。

4.1 二级泵变流量系统

冷冻机组、风冷热泵与集水器之间设置一级泵，分水器后根据各环路流量及压降情况设置二级变频泵， 由于冷热负荷相差较大，二级泵冷热水泵分开设置，为确保水泵在高效率范围内运行， 各支路二级泵按3 台各50%总流量或2 台各75%总流量选取。 冷却水泵及冷凝热回收水泵按常规设置，在此不做赘述。

该系统优点为， 二次泵的流量与扬程可以根据不同负荷特性的分区环路分别配置， 对于阻力较小的环路来说可以降低一次泵的设置扬程，做到“量体裁衣”，避免了能源的浪费。二级泵变流量系统空调冷热源系统原理图如图2 所示。

图2 二级泵变流量系统空调冷热源系统原理图

4.2 一级泵变流量系统

冷冻机组、 风冷热泵与集水器之间设置冷热水循环变频泵，冷热水泵分开设置，集水器与分水器间设置最小流量旁通阀组，水泵数量、流量与主机对应并考虑备用。

该系统优点为，系统控制较为简单明了，初始投资较少，在部分负荷时水流量减小，冷冻水泵的输送能耗随之减小，从而达到节能降耗的目的。 一级泵变流量系统空调冷热源系统原理图如图3 所示。

图3 一级泵变流量系统空调冷热源系统原理图

经计算，本项目空调供回水4 个分区（地下室、门诊、医技、住院及急诊）中，地下室分区与住院楼分区最不利环路管长差距最大。 但由于地下部分整体面积较大，地下室分区最不利环路管长也达到了450 m 左右； 住院楼分区最不利环路管长为550 m 左右（门诊、医技均在480～500 m）。 最大管道沿程+局部阻力计算差值为30 kPa 左右。 且从图2 与图3 中的对比可以看出， 一级泵变流量系统水泵数量远少于二级泵变流量系统，采用一级泵系统可大大节省冷冻机房面积。

综合以上两个方案分析，虽然本项目体量较大，最不利环路较长，但经深化复核各支路压降后，考虑到各环路间阻力差距较小，使用二级泵系统节能意义并不是很大。 同时为节省初始投资与机房面积，在经各方沟通讨论后，确定采用一级泵变流量系统。 为避免循环水泵扬程过大，设计中通过优化管线路由、增大供回水管径、减少管道翻弯等措施减小系统阻力，将空调冷热水泵扬程控制在一个满足国家节能标准的合理的数值。

5 结语

本文所述的项目案例地处夏热冬暖地区，综合供热、热回收需求、造价、节能、机房使用面积、技术稳定性等各方面因素， 针对南方城市气候条件及院方运行实际需求做到冷热源合理设置，并通过对比一级泵与二级泵系统的优缺点，分析最适合本项目的水系统布置方案。

作为设计人员，规划设计阶段需要对不同规模、地区的医院做详细调查，并综合分析研究，针对医院特点选择合理的冷热源形式并制定运行模式，才能降低项目的投资和运行成本。