隨著人們保健意識的日益提高,人們自然對醫(yī)療環(huán)境的要求也相應(yīng)提高,對于現(xiàn)代化醫(yī)療建筑建設(shè)者來講,營造生態(tài)保健型綠色醫(yī)院就成為我們的努力方向,在現(xiàn)代醫(yī)院建筑中引入綠色節(jié)能的地源熱泵技術(shù),使醫(yī)院真正成為人類和諧舒適,環(huán)境優(yōu)美,綠色生態(tài)的現(xiàn)代化療養(yǎng)場所.因此,地源熱泵系統(tǒng)在現(xiàn)代醫(yī)院建筑中具有很大的應(yīng)用價(jià)值,它將成為我國醫(yī)院建筑節(jié)能領(lǐng)域重點(diǎn)推廣的技術(shù)之一。

醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)的工作原理是通過深埋在地下巖土層的地埋管系統(tǒng)，與地源熱泵鉆孔周圍的巖土層進(jìn)行能量交換。例如在冬季，地源熱泵地源側(cè)的供水溫度為2-5攝氏度，經(jīng)過地下埋管的循環(huán)以后，回到地源熱泵地源側(cè)回水端的溫度升溫到7-10攝氏度。在主機(jī)內(nèi)容將這7-10攝氏度的水在溫度交換器中進(jìn)行換熱，銅管內(nèi)的冷媒吸收熱量，再由壓縮機(jī)做功，產(chǎn)生高溫高壓氣體，并進(jìn)行放熱，從而加熱室內(nèi)的水循環(huán)系統(tǒng)。地源熱泵原理與一般中央空調(diào)類似，都是由空調(diào)的四大件構(gòu)成。

在節(jié)能減排的大背景下，國家倡導(dǎo)發(fā)展新能源和可再生能源，地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)作為可再生能源的利用，其應(yīng)用的項(xiàng)目數(shù)量和規(guī)模近年來快速增加，以某醫(yī)院項(xiàng)目為例，對醫(yī)院項(xiàng)目應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析。

從系統(tǒng)合理、可靠、節(jié)能、減少系統(tǒng)初投資等綜合因素出發(fā)，醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)冷熱方案如下：

本工程由地源熱泵負(fù)擔(dān)整個(gè)項(xiàng)目的50%冷熱負(fù)荷；由冷水機(jī)組負(fù)擔(dān)剩余50%冷負(fù)荷；由鍋爐提供熱負(fù)荷。

手術(shù)中心及CUU、ICU設(shè)置小型風(fēng)冷冷熱機(jī)組長期供冷（由于資料未顯示此項(xiàng)負(fù)荷大小，本方案將其納入總負(fù)荷中考慮）。凈化空調(diào)所需蒸汽及生活熱水熱源由院區(qū)鍋爐房供給。使用暖氣片區(qū)域采用毛細(xì)管網(wǎng)。根據(jù)該項(xiàng)目占地面積進(jìn)行地埋孔的打孔區(qū)域估算，按照5米間距120m孔深估算，地埋孔可布孔數(shù)為520口，需要鉆孔區(qū)域約為12600平方米。參照該地段其他項(xiàng)目地源熱泵地下巖土熱物性參數(shù)，選擇2臺螺桿式熱泵機(jī)組提供該項(xiàng)目50%冷熱負(fù)荷，夏季輔助2臺滿液高效型水冷冷水機(jī)組提供冷負(fù)荷，冬季輔以2臺燃油（氣）熱水鍋爐。

一、前言

有資料表明醫(yī)院的能耗是一般辦公建筑的1.6～2倍，而在整個(gè)建筑能耗中空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到整個(gè)建筑總能耗的65%。在當(dāng)今能源需求不斷增長的情況下，“節(jié)能”話題成為人們討論和關(guān)注的熱點(diǎn)。越來越多的設(shè)計(jì)師及企業(yè)在尋找綠色節(jié)能的方法。而地源熱泵技術(shù)是利用儲存在地表淺層的清潔可再生能源---地?zé)幔鳛槔錈嵩矗瑳]有任何污染物排放，是當(dāng)今最清潔、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的能源方式之一。

二、工程介紹

江蘇宿遷市某醫(yī)院一期工程該項(xiàng)目總用地面積53041.50m2，一期門診醫(yī)技病房綜合樓，地上十六層，地下一層，總建筑面積61520m2，其中地上面積49520m2，地下面積12000㎡。地下室主要功能為地下停車庫，空調(diào)機(jī)房、水泵房、消防水池；一至五層為門診辦公、手術(shù)室等；六-十六層均為普通病房，每層一個(gè)護(hù)理單元。本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)采用地源熱泵系統(tǒng)+冷水機(jī)組的混合式系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷

經(jīng)計(jì)算，本工程夏季最大冷負(fù)荷為5010kw；冬季最大熱負(fù)荷為3405kw。

2、空調(diào)主機(jī)選型

由于本項(xiàng)目冷熱負(fù)荷相差較大，故選用2臺螺桿式地源熱泵機(jī)組以及一臺水冷螺桿冷水機(jī)組，螺桿式熱泵機(jī)組單臺制冷量1727.2KW，制冷功率252.8KW，單臺制熱量1726.3KW，制熱功率357.3KW；水冷螺桿式冷水機(jī)組制冷量1566.1KW，制冷功率265.1KW。熱泵機(jī)組通過地埋管系統(tǒng)夏季散熱及冬季取熱，冷水機(jī)組夏季通過冷卻塔散熱。夏季冷凍水供回水溫度為7/12℃，冬季熱水供回水溫度為45/40℃。

3、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)配置采用地源熱泵+單冷冷水機(jī)組+冷卻塔混合新能源系統(tǒng)，地埋管數(shù)量按系統(tǒng)冬季空調(diào)熱負(fù)荷進(jìn)行垂直埋管，系統(tǒng)技術(shù)原理如下：

夏季，地源熱泵機(jī)組由地埋管系統(tǒng)冷卻制取7℃的冷凍水送至室內(nèi)末端；

冬季，地源熱泵機(jī)組由地埋管系統(tǒng)吸熱制取45℃的空調(diào)熱水送到室內(nèi)末端；

4、地埋管換熱器設(shè)計(jì)

地下土壤作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，其作用相當(dāng)于換熱器，空調(diào)系統(tǒng)從土壤取冷/取熱，因此地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的核心技術(shù)是地埋管換熱器的設(shè)計(jì)與施工，而地埋管換熱器設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于取得可靠的工程所在地土壤熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)本工程巖土熱響應(yīng)測試勘察報(bào)告分析可知，本工程延米取熱量為：43.5W/m ；延米放熱量為：62.5W/m。設(shè)計(jì)埋管深度為100m。

經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目設(shè)計(jì)打孔數(shù)量為716口，地埋管設(shè)計(jì)孔間距4.5m×4.5m，地埋孔設(shè)置在周邊綠化及基坑內(nèi)。單口孔水流量為1.02m3/h，根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2005》中地埋管換熱器內(nèi)管道推薦流速要求雙U型埋管不宜小于0.4m/s，單U型埋管不宜小于0.6 m/s，本工程設(shè)計(jì)采用雙U形式的地埋管，管材選擇高密度聚乙烯（HDPE）管材，SDR11系列，垂直埋管直徑為De25，垂直孔孔徑Φ150，管內(nèi)流速為0.45m/s。本工程鉆孔回填材料采用原漿回填。

5、機(jī)組運(yùn)行策略

由于本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)能夠提供的冷負(fù)荷略多于冷水機(jī)組系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行過程中，為保證本系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，必須解決“優(yōu)先開啟冷水機(jī)組還是地源熱泵機(jī)組”的問題。

1、主機(jī)性能比較

額定工況下，冷水機(jī)組與地源熱泵機(jī)組的能效比基本相同，但冷水機(jī)組在部分負(fù)荷工況下的能效比具有一定的優(yōu)勢。

2、系統(tǒng)穩(wěn)定性

采用地源熱泵機(jī)組需充分考慮室外地埋換熱器的熱平衡問題，即夏季最大散熱量與冬季最大吸熱量應(yīng)盡可能保持平衡，減少室外地埋換熱器的熱堆積現(xiàn)象。因此為保證室外地埋換熱器的穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，需根據(jù)室外地埋溫度場的情況，控制地源熱泵機(jī)組的使用。

根據(jù)上述分析可以得出，應(yīng)優(yōu)先開啟冷水機(jī)組，既能保證系統(tǒng)在較高效率下運(yùn)行，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6、熱平衡分析

通過模擬分析得出本項(xiàng)目全年取熱量和釋熱量相差7.17%，滿足江蘇省《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（DGJ32/TJ 89-2009）的要求。當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱系統(tǒng)全年取熱量和釋熱量相差不大于10%時(shí)，對系統(tǒng)運(yùn)行影響不大，不需要采取措施。當(dāng)熱平衡率大于10%時(shí)，則應(yīng)增設(shè)輔助熱源或冷卻塔等滿足建筑空調(diào)與供熱需求。

四、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

本工程采用地源熱泵混合冷水機(jī)組系統(tǒng)初投資為1679萬元，空調(diào)造價(jià)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：273元/㎡（建筑面積），若采用傳統(tǒng)冷水機(jī)組+熱水鍋爐系統(tǒng)初投資為1548萬元，空調(diào)造價(jià)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：252元/㎡（建筑面積）。

空調(diào)系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算公式如下：

式中Q為建筑年累計(jì)冷熱負(fù)荷，C為電價(jià)（本項(xiàng)目電價(jià)按照宿遷市目前的商業(yè)電價(jià)0.882元/kWh計(jì)算）。本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的性能系數(shù)COP分別為3.04（冬季）和3.42（夏季），通過計(jì)算使用地源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為165.9萬元。

冷水機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用：常規(guī)冷水機(jī)組系統(tǒng)性能系數(shù)COP選取為2.29。通過計(jì)算使用冷水機(jī)組+熱水鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用為208.4萬元。

從全年運(yùn)行狀況來看，與傳統(tǒng)冷水機(jī)組+熱水鍋爐系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用42.5萬元，節(jié)能率達(dá)20.4%，因此本項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益明顯。結(jié)合投資回收期分析數(shù)據(jù)可知，3.1年就能回收增加的初投資。

五、結(jié)論

本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的的合理性、高效性特別是節(jié)能性。與傳統(tǒng)空調(diào)相比地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢突出，實(shí)際工程中擬采用地源熱泵作為冷熱源時(shí)，應(yīng)該對地埋系統(tǒng)設(shè)計(jì)、地埋管換熱系統(tǒng)熱平衡、冷熱負(fù)荷構(gòu)成比例等方面綜合考慮，以便提高地源熱泵系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。