济南市某医院病房楼热水系统热源方案比选

1、工程概况项目位于山东省济南市(北纬36°，东经117°)，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，其特点是四季分明，夏热冬冷，极端最低气温为-1

1、工程概况

项目位于山东省济南市(北纬36°，东经117°)，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，其特点是四季分明，夏热冬冷，极端最低气温为-14.9℃，极端最高气温为40.5℃，年平均气温14.7℃，年平均降水量671.1mm。

该项目是济南市高新区某医院1#病房楼，建筑面积25482.18m2，建筑高度49.8m，地下1层，地上11层。各层功能如下：地下1层为配电室、设备机房；1层为入口大厅、超市、培训室和监控室；2~11层为护理单元，每层有48个床位，本单体设计床位480个。

2、生活热水系统设计

2.1 设计参数

根据《建筑给水排水设计标准》(GB50015—2019)要求，病房楼需设置全日制集中生活热水供应系统，供水温度为60℃。在竖向将热水系统分为高区和低区，高区为7~11层，低区为1~6层，均设置为上行下给双管全循环形式。生活热水用水量如表1所示。

表1 生活热水用量设计

2.2 热源配置方案

济南日照充足，年平均日照时间可达2300h，年平均太阳辐照量可达5016MJ/m2，具有丰富的太阳能资源。该项目地势平坦，市政条件成熟，地块周围有燃气管道可接入本项目供燃气锅炉制备生活热水。因此，该项目既可以使用太阳能热水系统，也可以采用燃气锅炉制备生活热水。采用太阳能热水系统时，为了避免连续阴雨天气或太阳能不足造成的热水供应不足，一般采用辅助热源，如燃气锅炉、空气源燃气机热泵或空气源电热泵。

方案一：燃气锅炉。以锅炉高温热水为热媒，利用换热器加热冷水至60℃。医院热水供应系统的锅炉不得少于2台，1台检修时，其余锅炉的总供热能力不得小于设计小时耗热量的50%。系统组成为锅炉、锅炉热媒循环水泵、换热器、生活热水循环泵。

方案二：空气源电热泵。空气源电热泵中的压缩机做功，将空气中的热能转移到水中，并将热水送至水箱。系统组成为空气源电热泵、热水循环泵、换热器。

方案三：空气源燃气机热泵。空气源燃气机热泵由燃气发动机带动压缩机做功，将空气中的热能转移到水中，并将热水送至水箱。系统组成为空气源燃气机热泵、热水循环泵、换热器。

方案四：太阳能集热器+燃气锅炉。太阳能集热器集中设置于屋面，以太阳能热水作为热媒，设置燃气锅炉加热，使水温达到设计温度。太阳能不足时，采用燃气锅炉制备高温热水。系统组成为太阳能集热系统、板式换热器、锅炉、热水循环系统。

方案五：太阳能集热器+空气源电热泵。工作原理同方案二，与空气源燃气机热泵的不同在于空气源电热泵是用电驱动发动机，空气源电热泵为辅助热源，与太阳能集热器共同加热冷水。系统组成为太阳能集热系统、空气源电热泵系统、板式换热器、热水循环系统。

方案六：太阳能集热器+空气源燃气机热泵。工作原理同方案三，空气源燃气机热泵为辅助热源，与太阳能集热器共同加热冷水。该系统可以利用温差自动控制热水循环，空气源燃气机热泵也可根据太阳能的实际运行情况自动切换运行模式。系统组成为太阳能集热系统、空气源燃气机热泵系统、板式换热器、热水循环系统。

热源性能比较如表2所示。

表2 热源的性能比较

由表2可知，在节能性、环保性及安全性方面，空气源热泵与太阳能集热器均优于燃气锅炉。在占地面积方面，建筑屋面宽阔平整，能够满足空气源热泵与太阳能集热器的摆放布置。项目所在地为济南，当地历史极限最低环温不低于-25℃，常年最低温度不低于-10℃，空气源电热泵受气温影响，能效衰减严重。且项目仅为供热水使用，所以空气源热泵相对燃气锅炉优势更大，空气源燃气机热泵相对于空气源电热泵更适应极端天气，太阳能集热器与空气源热泵相结合可满足极端天气医院热水的供应。综合考虑，太阳能集热器+空气源燃气机热泵是热源供应方式的最佳选择。

3、经济性分析

3.1 锅炉热负荷计算

热水加热量计算：

式中：M——热水量，kg；

Cw——水的定压比热容，4.18kJ/(kg·℃)；

t2——热水加热温度，取60℃；

t1——冷水温度，取10℃。

代入数据，Q=1.93×107kJ

设定机组每天工作时间为9小时，

则机组供热水功率为：1.93×107÷3600÷9=596kW

考虑“环保、节能、省地、省钱、无需备案”的五个原则及项目情况等负荷替换，选择蓝焰高科全预混铸铝低氮燃气锅炉350kW2台即可。

3.2 空气源电热泵计算

在最不利环境条件下，满足热水供应需求的空气源电热泵供热量计算：

式中：Qg——空气源电热泵供热量；

Q——热水加热量，kJ，本项目中Q=1.93×107kJ；

H——热泵机组运行时间，取16h/d。

代入数据，Qg=335kW。

采用30P电空气源热泵，单台制热量72kW。根据计算所得该改造项目总热负荷为335kW，故设备选择如下：

335÷72=4.65，取5台

因此选择5台型号为30P的空气源电热泵可满足要求。

3.3 空气源燃气机热泵计算

由上面可知满足热水供应需求的空气源燃气机热泵供热量为335kW

蓝焰高科空气源燃气机热泵机组GEHP-KXLY-195，单台额定制热量195kW，设备选择如下：

335÷195=1.7，取2台

因此选择2台型号为GEHP-KXLY-195kW的空气源燃气热泵可满足要求。

3.2 集热器面积计算

太阳能系统的集热面积由热水负荷(产水量)和管道热损失率确定，根据现场情况及项目提供用水资料，

本项目每天设计产水量为45t/d，所需集热器面积为：

式中：Qw——日均用水量，45000kg；

ηcd——集热器全日集热效率50%~60%，取55%；

Ac——直接系统集热器采光面积，m2；

Jr——所在地集热器总面积的月平均日太阳辐照量，MJ/m2；

f——太阳能保证率0.4~0.8，取0.55；

tend——储水箱内水终止温度，60℃；

Cw——水的定压比热容，4.18kJ/(kg·℃)；

ti——水的初始温度，取14℃；

ηL——管道及储水箱热损失率0.20~0.30，取0.20。

其中Jr为所在地集热器受热面上月均辐照量，根据济南地区平均日集热量表，计算结果取3月、4月、6月、9月、10月的平均值，计算可得Jr=14.455MJ/m2，太阳能集热器面积Ac＝801m2。

1#病房楼因露面造型和设备问题导致安装太阳能使用面积有限，本系统集热器选用横式方柱型集热器，每台集热器的集热面积为7.7m2，总计使用104组太阳能集热器，每组使用50支真空管，直径58mm、长1.8m。

设置辅助热源时，辅助热源的供热量：

式中：QF——辅助热源供热量，kW；

Qh——设计小时供热量，kW。

式中适用于空气源燃气机热泵作为主热源、其他热源作为辅助热源的情况。太阳能集热系统作为主热源、其他热源作为辅助热源时，计算辅助热源供热量的方法同

3.3 主设备配置及初投资

5种方案主设备配置及初投资情况如表 3 所示。

表 3 方案设备配置及初投资价格

3.4 运行成本分析

运行费用分析采用的数据为：济南年平均日照天数300d，济南燃气燃烧热值取35MJ/m3，商用天然气价格经查资料为3.3元/m3；燃气锅炉燃烧热效率取95%；电费为0.85元/kWh。

(1) 方案一

全年生活热水耗热量7049GJ；全年生活热水耗气量7.049×106÷35÷0.95=212000m3；全年生活热水耗燃气费用212000×3.3=69.96万元。

(2) 方案二

全年生活热水耗热量7049GJ；空气源电热泵COP=3.0；全年空气源电热泵耗电量：7.049×109÷3600÷3.0=652685kWh，全年空气源电热泵耗电费：0.85×652685=55.48万元

(3) 方案三

全年生活热水耗热量7049GJ；空气源燃气机泵能效1.30；全年空气源燃气机热泵耗气量：7.049×106÷1.30÷35=154923m3；全年空气源燃气机热泵耗气费用：3.3×154923=51.12万元。

(4) 方案四

全年生活热水太阳能预热量4017GJ；全年燃气锅炉再热量7049-4017=3032GJ；全年燃气锅炉再热耗气量3.032×106÷35÷0.95=91188m3；全年燃气锅炉再耗燃气费用91188×3.3=30.09万元。

(5) 方案五

全年生活热水太阳能预热量4017GJ；全年生活热水空气源电热泵再热量7049-4017=3032GJ；空气源电热泵COP=3.0；全年生活热水空气源电热泵再热耗电量3.032×109÷3600÷3.0=280741kWh，全年生活热水空气源电热泵再热耗电费用：0.85×280741=23.86万元

(4) 方案六

全年生活热水太阳能预热量4017GJ；全年生活热水空气源燃气机热泵再热量7049-4017=3032GJ；采用蓝焰高科GEHP-KXLY-195kW全年生活热水空气源燃气机热泵再热耗气量：3.032×109÷3600÷1.3÷10=64786m3，全年生活热水空气源燃气机热泵再热耗气费用3.3×64786=21.38万元。

经过上述运行费用的计算，方案一在无节能措施的情况下全年运行费用最高为69.96万元；方案二设置了空气源电热泵，一热量来自电能，运行费用55.48万元；方案三设置了空气源燃气机热泵，系统运行费用51.12万元；方案四因设置太阳能系统运行费用降至为30.09万元；方案五在方案四的基础上将燃气锅炉替代为空气源热泵，全年运行费用为23.86万元；方案六将方案五中的空气源电热泵替换成空气源燃气机热泵，节能效果更明显，全年运行费用21.38万元。

4、结果与讨论

分析6个方案及运行费用，结果如表4所示

表4 方案初投资及运行费用情况

综合考虑，总费用方案五最高，方案四最低，运行费用方案一最高，方案六最低。太阳能+空气源燃气机热泵运行费用最低，而且空气源燃气机热泵能同时满足供冷供热供生活热水的需求。冬季供热可利用发动机排热，供热能力大，不受外界环境温度影响,特别适用于冬季寒冷地区，无需辅助热源，可快速除霜，也特别适合夏季炎热冬季湿冷地区。综合考虑，推荐考虑太阳能或空气源燃气机热泵等节能措施，因此选择方案六作为本项目的热水供应方式。