1、前言

节能措施在绿色医院的设计中越来越引起人们的关注,为了更好地诠释“绿色医院”的内涵,本文以兖州人民医院工程为例,探讨了暖通专业在“绿色节能医院”的设计思路,愿与各位专家学者交流与商榷。

2、地源热泵技术在本项目中的设计思考:

2.1 我国能源形势及地源热泵技术发展概况

我国尽管能源总量比较丰富,但是人均能源资源拥有量较低,煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%,石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。尽管近几年来,我国能源供给能力提高,同时采取了许多节能措施,取得了一定节能效果,但能源紧张的局势仍未改观。为此,我国能源战略仍然坚持节约优先的策略,把资源节约作为我国的基本国策。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出, 到2015年,单位国内生产总值能源消耗比2010年降低16%左右,单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%。主要污染物排放总量减少8~10%。为了达到这一目标,我们要把节能技术放在优先发展位置,按照自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的方针,加快推进节能技术进步,努力为能源的可持续发展提供技术支撑。

在众多节能技术中,地源热泵技术利用浅层地下土壤中的能源,属于可持续发展、可循环利用、可再生的能源,在我国大江南北得到了广泛的应用,尤其在华东地区、京津地区和东北的沈阳地区应用较为典型。地源热泵主要有地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统和土壤源地源热泵系统。地下水地源热泵及地表水地源热泵的使用受很多条件限制,而土壤源热泵由于采用土壤换热器换热的闭式循环,不会对环境和地下水体造成影响,所以在土壤热物性较好的地区进行推广有较大的可行性。

2.2 地源热泵技术在本工程中的应用介绍

本项目所在地地处鲁西南,经过土壤热物性测试,适合采用土壤源热泵系统。项目特点为建筑占地面积大,层数不多。室外可供埋管面积不大。根据该项目特点,最终采用了如下埋管方案:部分埋管利用打桩孔埋管,充分节约投资;其余埋管利用打井进行埋管,部分打井在室外广场进行,部分打井在建筑基础下进行。其中利用打桩孔的能量桩共440个,打井共876孔,井深均为100m,钻井孔径为D150。井内地埋管为双U型,选用HDPE管,管径为D32,水平连接管管径为D40。能量桩内地埋管为双U型,选用HDPE管,管径为D25。所有埋管通过通过7座分集水器房内设置的分集水器汇总,接至制冷机房。

本项目夏季总冷负荷11818kW,冬季总热负荷6894kW。制冷机房内设置三台地源热泵机组,负担冬季全部空调热负荷及部分夏季冷负荷,其余不足部分夏季冷负荷由两台离心式水冷冷水机组负担。地埋管部分按冬季供热负荷考虑,可以完全满足冬季供热需要,夏季供冷时,除地源热泵机组运行外,根据供冷需要,还可以运行水冷离心式冷水机组。离心式冷水机组通过冷却塔散热。夏季运行时,地源水侧进出水温度按30/35℃设计,冬季运行时,地源水侧进出水温度按10/5℃设计。

2.3 使用地源热泵技术后的预期效益

使用地源热泵技术以后,冬季供热节能及节省运行费用效益明显。以能源利用总能效进行分析,折算成一次能源,地源热泵系统供热总能量最高约为115%,土壤源热泵系统供热总能效约为100%,燃煤集中锅炉供热总能效约为55%左右,燃气集中锅炉供热总能效约为65%左右,热电厂供热总能效约为70%。由此可见,地源热泵系统在供热时的巨大节能效益。在节能同时,运行费用显著降低。在供暖季,运行费用约为传统集中供热费用(按集中供热考虑)的2/3左右,节约运行费用1/3左右。

3、恒温恒湿技术的设计思考:

3.1、温湿度独立控制空调系统应用背景介绍

3.1.1系统应用背景

传统的空调系统末端设备采用热湿联合处理方式,有如下几个缺点:1、由于需要提供的冷水温度低(7/12℃),冷水主机效率较低,造成能源浪费;2、采用冷凝冷却除湿方式,其热湿比,只能在有限的范围内调整,不能适应工况变化的需要;3、空调末端湿工况运行,容易造成霉菌的繁殖和传播;4、能源输配效率低,导致空调系统综合COP远远低于主机COP。为了解决传统空调存在的这些问题,国内许多专家学者都在积极探索新的空调方式,并相继应用于实践。在这个大背景下,温湿度独立控制方式的中央空调系统逐渐走入了人们的视野。

3.1.2系统原理

 研究表明,排除室内余热与排除CO2、异味所需要的新风量与变化趋势一致,即可以通过新风同时满足排余湿、CO2与 异味的要求。而排除室内余热的任务则可以通过其他的系统(独立的温度控制方式)实现。由于无需承担除湿的任务,因而可用较高温度的冷源即可实现排除余热的控制任务。    

系统中,通过新风排除室内余湿、并保证室内空气质量。一般情况下,由于室内湿负荷、有害气体量仅随室内人员数量而变化,因此可采用变风量方式,根据室内空气的湿度或CO2浓度调节风量。室内的显热冷(热)负荷则通过干式风机盘管、辐射板等室内末端设备提供。

3.1.3系统特点

由于排除显热只需要提供较高温度的冷水(17/21℃),可以大大提高冷水机组的效率。另外,在条件允许的情况下,还可以利用浅层地下水作为冷源。在干旱地区,通过间接蒸发设备可以获得接近露点的高温冷水作为冷源。

由于进口水温高于室内露点温度,空调末端设备在稳定运行的情况下,不存在结露的危险,稳定在干工况下运行(运行初期为了防止产生凝结水,先开一段时间的新风系统,再开末端设备),系统可以考虑不设置冷凝水系统,提高了房间走廊吊顶高度,同时消除了由于冷凝水系统带来的其他问题。由于不再存在潮湿表面,根除了滋生霉菌的温床,可有效改善室内空气品质。

由于不存在冷凝水问题,末端设备可采用多种多样的结构和安装方式。末端设备基本可以分为两大类:辐射板或干式风机盘管。

温湿度独立控制中的新风系统与变风量系统相比,实现了室内温度和湿度的分别控制。尤其实现了新风量随人员数量同步增减。从而避免了变风量系统冬季人员增加,热负荷降低,新风量也随之降低的问题。

3.2 温湿度独立控制空调系统在本工程中的应用

在本工程中,设计人员采用了温湿度独立控制空调系统,进行室内温湿度的独立控制。新风经7/12℃空调冷水进行冷却除湿处理,变成低温干燥的新鲜空气送入室内,负担室内湿负荷及部分显热负荷;室内设置辐射板显冷末端,利用温度稍高的17/21℃空调冷水处理室内显热负荷。

3.2.1 新风处理及送风方式

本工程的新风处理机组为带热回收的空气处理机组,将新风处理到机器露点附近,其参数为:干球温度14℃,相对湿度90%,含湿量9.0g/kg干空气。室内状态点参数:干球温度25℃,相对湿度55%,含湿量10.9g/kg干空气。每个病房人数按两人考虑,新风量标准每人50m3/h,总新风量100m3/h。新风可以负担的湿负荷:100x1.293x(10.9-9.0)=245g/h。两个成人静坐状态湿负荷为102x2=204g/h。由此可见,新风完全可以承担室内湿负荷。两个成年人的人员显热负荷为66x2=132W。新风可以承担的显热负荷为: 1.01x100x 1.293/3600x (25-14)x1000 =399W。根据计算知道,新风除可以负担人员的湿负荷外,还可以负担人员的显热负荷,尚有富裕。

本工程新风送风采用的是置换通风方式。置换通风以低速在房间下部送风,气流以类似层流的活塞流的状态缓慢向上移动,到达一定高度时,受热源和顶板的影响,发生紊流现象,产生紊流区。气流产生热力分层现象,出现两个区域:下部单向流动区和上部混合区。首先由于送风速度极小且送风紊流度低,即可保证在工作区大部分区域风速低于0.15m/s,不产生吹风感;其次,新鲜清洁空气直接送入工作区,先经过人体,这样就可以保证人体处于一个相对清洁的空气环境中,从而有效地提高了工作区的空气品质。这种送风方式与传统的混合通风方式相比较,具有室内工作区空气品质较高、热舒适性较好及通风效率高的特点。

在本工程中,新风通过布置在吊顶内风道从新风机房送至各病房,通过沿墙角布置的新风支管上靠近地板位置设置的送风口低速送入室内。排风口设在房间吊顶上,房间排风经过设在走廊吊顶内风道回到新风机房与新风进行热交换回收后排至室外。

3.2.2 天棚辐射末端

本工程病房部分负责承担显热冷负荷的末端为天棚冷辐射楼板。无吊顶房间,采用顶板冷辐射,PB管埋设于楼板结构层内;有吊顶房间采用毛细管形式辐射。供回水干管、分集水器设置在走廊吊顶内。夏季空调供回水温度18/20℃,冬季供回水温度为28/26℃。

正常运行时,夏季辐射顶板表面温度20℃。当室内露点温度低于该温度时,系统正常运行,当露点温度高于此温度时,楼板表面极易发生结露。所以本系统在空调供水管路上设防结露装置,当室内湿度过高,有结露危险时,关闭供水管阀门,防止结露发生。

3.3节能效益分析

温湿度独立控制空调系统运行较常规空调系统初投资大约增加20%左右,但运行费用是常规空调系统的70%左右,增加部分投资回收期约5年。 

4、绿色节能设计远景展望:

绿色医院设计除了上述设计应用,还包括空调热回收技术(可用于生活热水)、净化空调系统减少电再热功率等技术。在今后的设计中,设计人员要逐步加以应用。这些技术的应用也会给医院带来可观的经济效益,会为国家降低大量能耗。

绿色节能医院在国内实行时间还不长,尽管已有相应国家规范出台,但真正大面积推广应用还缺乏必要的经验。所以,在今后的医院设计中,广大设计人员还需要更积极主动地按绿色节能医院的设计要求,结合工程所在地的实际情况及建设单位的资金情况,进行工程设计,使设计达到要求的节能目标,为建设单位节省运行费用,同时为国家节省大量能源资源、减少CO2等污染物的排放,为国家经济健康、环保、可持续发展做出自己的贡献。

参考文献:《绿色医院建筑评价标准》

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