太阳能热水系统和风冷热泵热水机组在医院建筑的应用分析

蒙捍生

摘要：以广西钦州某医院的太阳能热水系统设计为例，通过对该医院热水系统主要参数设计计算，将太阳能热水系统和风冷热泵热水机组的综合应用与医院供应卫生热水的其它方式进行比较分析，指出太阳能热水系统和风冷热泵热水机组的综合应用更能够充分发挥清洁能源的优势，实现稳定的卫生热水供应，节约建筑能源消耗。

关键词：太阳能热水系统；风冷热泵热水机组；绿色医院；节能

0前言

我国国民经济的持续稳步发展和医疗改革的推进，使得医院的建设得到了前所未有的发展，医院作为卫生热水使用的耗能大户之一，其能耗比例占整个建筑能耗的20%以上，太阳能以其可持续性、清洁性、经济性等特点，使得太阳能热水系统在医院建筑应用取得较为可观的经济效益和环境效益，下面以广西钦州某医院大楼的太阳能热水系统设计为例，就太阳能热水系统和风冷热泵热水机组在医院建筑的应用进行探讨。

1工程概况

本项目由综合大楼、爱心护理院楼、感染性疾病治疗楼及后勤服务楼组成，总用地面积为59096.79m2，项目总建筑面积为144272m2，住院病床总规模600张，门诊量5000人次/日，项目建成后达到国家绿色建筑二星级标准。其中综合大楼的病房、门诊及安心护理院的病房均全天供应热水。热水设计采用太阳能热水系统和风冷热泵机热水组联合供应。

2热水系统参数的确定

2.1项目所在地域气候情况

钦州位于广西南部沿海，地处北部湾顶端，年平均气温21.5～22℃，日平均气温基本稳定在10℃以上。7月最热，历年月平均气温27.9～28.3℃；1月最冷，历年月平均气温12.8～13.5℃。年总日照1612至1768h，年平均日辐照量为14.393MJ/(㎡.d)。

2.2设计日用热水量

卫生热水计算供水温度不小于50℃。冷水计算温度选15℃（《建筑给水排水设计规范》表5.1.4规定，广西的冷水计算温度为10-15℃），热水出水温度设计为60℃。

热水供应范围：综合大楼1～5层门诊、6层手术室、7～18层病房及医务人员；爱心护理院3～22层病房及医务人员。

每日卫生热水使用量经计算约为172m3/日，设计用量如表1所示。

表1每日卫生热水量计算表

2.3热水系统设计原则

（1）太阳能集热器和风冷热泵热水机组选用属节能、环保、安全型产品，太阳能集热器利用太阳能产生生活热水，无需消耗能源；阴雨天和冬季采用风冷热泵热水机组产生生活热水，其能效比最高可达4.5，其用电量极少，其总体经济效益十分可观。两者组合进行卫生热水的供应，保证了全天候的稳定工作。

（2）系统设计时考虑安全性、可靠性、先进性等特点，使系统达到最佳使用效果，实现系统节能、运行管理节能，减少电能消耗，达到节能减耗的目的，为医院全天24小时提供舒适的生活热水。

3太阳能热水系统设计及原理

3.1太阳能及风冷热泵机组选型设计

3.1.1太阳能集热器配置

直接式太阳能集热系统集热面积根据用户的每日用水量和用水温度，依据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005，太阳能面积按下式计算：

AC=Qw·Cw·(tend-ti)·f·ρ/JT·ηcd·(1-ηL)

式中：AC—直接系统集热器总面积，m2；Qw—日均用水量，172m3/日；Cw—水的定压比热容，4.18kJ/(kg·℃)；tend—贮热水箱内水的设计温度，60℃；ti—水的初始温度，15℃；JT—南朝向，倾角为钦州当地纬度的平面上年平均日太阳辐照量，14393kJ/m2；f—太阳能保证率，%；综合系统使用期内的太阳辐照、系统经济性、钦州各月平均日照时数和日照百分率等因素考虑，取0.47；ρ—水的密度，取1000kg/m3；ηcd—太阳能集热器年平均集热效率，根据集热器热效率曲线及机械循环系统效能，取0.635；ηL—管路及贮水箱的热损失率，经验值取0.15～0.25，取0.2；

代入数据计算，所需集热器面积为：Ac=2080m2；

3.1.2风冷热泵机组选型设计

（1）工作条件设定：年平均温度：环境温度15℃，进水温度15℃；

（2）全天用水量172m3；

（3）卫生热水全天耗热量

考虑到阴雨天气冬季条件下，太阳能集热器基本不产生热水，因此辅助加热系统必须按满负荷用水量设计。计算公式：

Q=Qw·c(tr-tl)/860(kcal/kWh)/T

式中:Q—热泵额定制热量(kWh)；Qw—日均用水量，172m3/日；c—水的比热，取1kcal/kg·℃；tr—设计热水温度(60℃)；tl—自来水补水温度(按15℃)；T—名义工况下设计运行时间（取11小时）；

热泵额定制热量Q=820kW。

选用风冷热泵机组每台额定输入功率16kW、制热量68kW，共12台。多台设置，保证单台热泵机组故障时稳定的热水供应。

（4）保温水箱

由于供水系统为全天候24小时供热，水箱容积应能满足储热与供热的需求，且要结合现场实际分配情况三种因素确定。系统日均用水量为172m3，最高时用水量为25.2m3/h。一般为满足供热水需求，水箱容积应为最高时用水量的3-4倍，且鉴于本项目中，考虑到楼面集热器分为三个区域，且分布距离较远，可以采用3个35立方保温水箱，内胆为304不锈钢、聚氨酯整体发泡。

3.2太阳能及风冷热泵机组热水系统原理

3.2.1太阳能热水系统+风冷热泵机组原理图，如图1所示。

图1太阳能热水系统原理图

4系统节能效益分析

4.1运行能耗的比较

在条件相同的状况下，利用不同的热源设备制热水所消耗的电量、燃料及费用等详见表2所示。

表2不同热源设备制热水所消耗的电量、燃料及费用

注：①以上能耗比较基于1m3温度为10℃的水加热至60℃所消耗的电量或燃料费用；

②电价按照0.7元/（kWh），柴油按照5.8元/kg；

③全年按照360天计，阴雨天为90天，太阳能年有效工作时间为270天。

4.2系统节能效益

4.2.1系统年节能量及节省费用

（1）太阳能热水系统+风冷热泵机组的年节能量：

Qs=Am·JT·(1-ηL)·ηcd

式中，Qs—太阳能热水系统的节能量，MJ；AC—直接系统集热器总面积，2080m2；JT—年平均日太阳辐照量，4598MJ；ηL—管路及贮水箱的热损失率，经验值取0.15～0.25，取0.2；ηcd—太阳能集热器年平均集热效率，根据集热器热效率曲线及机械循环系统效能，取0.635；

则本系统的节能量Qs=4858430.72MJ。

（2）寿命期内总节省费用：

Ss=Pi(Qs·C-A·DJ)-A

式中，Ss—系统寿命期内总节省费用（寿命期为15年），元；Pi—折现系数，9.82；Qs—太阳能热水系统的节能量，MJ；C—常规能源价格，0.2元/MJ；A—太阳能热水系统总投资，385万元；DJ—维修费用，一般为总投资的1%；

则本系统的节能费用Ss=5313888元。

5结束语

在医院建筑对热水的需求量大且要求供应时段较为集中，然而在通常的太阳能热水系统的设计过程中，经常会出现阴雨天或冬季安装太阳能集热器面积不能满足热水需求的情况，建议采用风冷热泵热水机组进行补充，在确保太阳能热水系统优先运行的情况下，利用风冷热泵机组进行辅助运行，提高太阳能热水系统的全年适用性，采用太阳能热水系统与风冷热泵热水机组共同供应稳定的卫生热水，即符合国家现有关于节能减排的要求，也可以节约业主的运行费用。

参考文献

[1]俞卫刚．医院能耗评价与节能对策[D].上海：同济大学，2009；

[2]GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S]；

[3]GB50015-2003建筑给水排水设计规范[S]；