山東省某三星級綠色醫院，其集中空調系統采用了多種綠色建筑技術，2020年11月投入運行。本文對其地埋管地源熱泵空調系統設計方案及系統運行情況進行介紹，通過分析運行數據指出其存在的問題及提出改進建議，以期對其他醫院集中空調系統建設及運營提供思路。

 

　　PART 01、項目介紹

　　該醫院位于山東省濱州市，項目占地面積約86 700.0m2，規劃總建筑面積99020.0m2。一期工程為醫療區，建筑主體為門診、醫技、病房綜合樓，如圖1所示，建筑面積62509.8m2，規劃設計床位600張，同時配套建設公用、消防、安全、環保、綠化、硬化等輔助設施。當地主管部門及醫院領導高度重視該院區的建設，希望打造出滿足社會需要、符合當今科學技術發展的現代化中醫醫院，從建筑建設角度提出將醫院打造成為三星級綠色醫院。經過設計優化，一期工程施工圖于2018年5月通過山東省住房和城鄉建設廳的專家審查，獲得三星級綠色建筑設計標識證書。

　　該項目綠色醫院建筑申報采用GB/T 51153—2015《綠色醫院建筑評價標準》（以下簡稱《評價標準》）。《評價標準》中標識的設計評價共計56條評分項，評價總分為100分，并有12條創新加分項，限制最高加分10分。該項目專家評審最終評分為82.08分，其中，與地源熱泵系統相關的5個評分項加權計算得分為9.54分，占比11.6%。由此可見，采用地源熱泵系統對創建綠色建筑具有較大助益。

 

　　PART 02、空調系統設計建設情況

　　本著建設健康、適用、高效及節能環保的綠色建筑原則，該項目集中空調系統冷熱源因地制宜地采用了地埋管地源熱泵，病房采用雙面地板輻射供冷供暖系統+動力分布式新排風系統通風空調末端，門診、醫技及辦公區域采用風機盤管+動力集中式可變新排風系統通風空調末端。其空調系統在疫情之下仍能正常運行，有效保障了醫院的空氣安全及環境品質，同時取得了較好的節能成效。

 

　　2.1、負荷計算

　　采用空調負荷計算軟件進行逐項逐時空調冷負荷計算及逐項空調熱負荷計算，室內外設計參數見表1、2。集中空調系統承擔門診、醫技、病房綜合樓除凈化空調系統、分體空調外的冷熱負荷，以及后勤樓的冷熱負荷，共計承擔冷負荷6701kW、熱負荷4480kW。

　　2.2、巖土熱響應測試及計算

　　在該項目規劃設計前期（2015年10—11月）進行了巖土響應測試。根據GB 50366－2005《地源熱泵系統工程技術規范》（2009年版）的要求，共設置了2個試驗孔。測試結果為：場地內地面至地下100m（地埋管換熱器埋設范圍）巖土恒溫層的參考平均溫度為15.13℃，巖土的參考導熱系數為1.45W/(m·℃)，參考單位體積熱容為3.14 MJ/(m3·℃)，巖土溫度條件較好。同時，打孔測試發現該項目區域的地質結構主要以黏土和沙粒巖地層為主，可鉆性較好，地源熱泵鉆孔施工難度較小。

 

　　根據熱響應測試結果，采用地埋管換熱系統設計輔助軟件對該地質條件下雙U形地埋管換熱器不同工況下的換熱能力進行計算，輸入參數見表3。

　　雙U形地埋管換熱器不同工況測試條件下的單位埋管深度參考換熱量見表4。

　　2.3、地埋管換熱器設計

　　綜合考慮場地布局，利用四周空地豎向打孔埋管布置地埋管換熱器。圖2為地埋管布孔平面圖，其中100m深換熱孔（A區）390個，120m深換熱孔（B區）930個，總計打孔1320個，總換熱延米數為150600m。

　　豎直埋管換熱器采用雙U形地埋管，管材為PE，孔間距4m，成孔直徑130mm（1±5%）。地埋管水平管采用五孔匯管方式，地埋管環路采用兩級分集水器設計，各個分區回路通過水平集管連接到二級分集水器，再連接到地下1層制冷機房的一級分集水器，地埋管末端環路采用同程布置（布管方式見圖3），一級與二級分集水器之間采用異程布置（見圖4）。供水環路的集管與回水環路的集管距地面1.7m，兩者最小間距為0.6m，最大間距為2.0m，以減少相互間的熱干擾。二級分集水器主管底部距地面1.3m，水平集管保持0.002及以上的坡度，坡向分集水器。

　　系統采用穩壓膨脹罐補水定壓。為監測地埋管系統的漏水情況，對膨脹水箱的補水流量及連續補水時間進行監測，故障時自動報警。同時，對埋管區域分區布置了地溫采集儀，但傳輸線路在2019年救災中被挖斷，災后重建過程中未找到接頭，故該項目無運行地溫監測數據。

 

　　2.4、地源熱泵機房選型及設計

　　該項目空調熱泵機組及循環水泵選型結果見表5，地源熱泵總裝機冷量為6710kW，熱量為6398 kW，選擇了高能效機組。同時，引入生活熱水鍋爐房供/回水溫度為90℃/65℃的熱水作為輔助熱源，用于冬季調峰及平衡地熱。

　　常溫熱泵機組配套3臺（兩用一備）空調水循環泵，高溫熱泵機組配套2臺（一用一備）空調水循環泵，鍋爐熱水配套2臺換熱器及2臺熱水循環泵，所有水泵都采用高效節能變頻水泵。

 

　　地源熱泵機房及換熱站系統原理圖見圖5。

　　2.5、末端系統方案

　　該項目門診、醫技及辦公區末端為常規的風機盤管加動力集中新排風系統，病房末端為雙面地板輻射加動力分布新排風系統，輻射系統或風機盤管系統承擔室內顯熱負荷，新風系統承擔室內潛熱負荷及部分顯熱負荷，新風系統采用雙冷源新風機組，其功能段設置見圖6。

　　病房采用的地板輻射系統與常規集中空調系統相比，從能耗角度，輻射傳熱效率更高且供/回水溫度要求低（15℃/20℃），能夠充分利用可再生的地源熱，更為節能；從室內環境角度，地板輻射系統無吹風感和噪聲，從而更為舒適，最重要的是無回風避免了空氣的交叉感染，更為安全。動力分布式新排風系統在節能與室內環境品質控制等方面相較動力集中式通風系統更有優勢，具體新排風系統布置如圖7所示，病房內設新風口與排風口，新風從每層新風機房引入，房間內排風與衛生間排風串聯，通過衛生間排風豎井排出屋面。圖中EMV35S、EMV35P為直流型智能風量調節模塊，可進行無級調速。排風的EMV帶有空氣品質傳感器，可根據空氣品質進行風量調節，且帶有關斷閥，具有防倒流功能。

　　病房空調通風系統運行時可根據需求智能調節各區域的送、排風量大小，形成梯級壓差，使得室內空氣流向為從清潔區到過渡區再到污染區，避免交叉感染。在近年新冠疫情反復的背景下，有力地保障了醫院的正常運行。

 

　　2.6、控制系統方案

　　該項目地源熱泵能源系統采用直接數字式（DDC）監控系統進行參數監測或控制，中央控制中心可根據監控及設定參數對設備運行進行自動調節。監控項目如表6所示。

　　節能控制邏輯為：

　　1）熱泵主機。主機自帶智能控制系統，顯示主機制冷（熱）循環工況。并根據實際供回水溫差，自動增減冷（熱）量，達到經濟、節能運行目的。

　　2）空調側水泵。可設定供回水溫差，當實際溫差大于設定值時，自動加泵并聯運行；當實際溫差小于設定值時，自動減泵或降頻運行。頻率上限為50Hz，下限為35Hz。

　　3）地源側水泵。可設定供回水溫差，當實際溫差大于設定值時，自動加泵并聯運行；當實際溫差小于設定值時，自動減泵或降頻運行。頻率上限為50Hz，下限為35Hz。

 

　　PART 03、空調系統運行情況分析

　　3.1、運行基本情況

　　該項目2020年10月開始試運行，11月投入使用。由于門診就診人數不飽和、住院樓有一層空置樓層、后勤辦公樓入住率較低，未啟用手術室和ICU的單獨冷熱源，僅運行地源熱泵制冷與供熱。該項目供冷季為6月15日至9月30日，供熱季為11月15日至次年3月15日。醫院全年無休運行，病房區域每日24h運行，門診區域及后勤辦公樓每日運行時間為08:00—17:30。供冷季和供熱季每日開啟1臺離心式機組及對應的循環水泵24h運行，螺桿式機組及其對應的循環水泵由負荷側供回水溫度反饋控制啟停。地埋管換熱器支路冬季由于防凍需求全部開啟，夏季根據供回水溫度手動選擇開啟支路。

 

　　室內設計溫度為夏季25~26℃、冬季20~22℃。實際運行時，夏季實測溫度在26.0℃左右，冬季實測溫度在20.5~24.2℃之間，滿足設計及用戶的使用要求。

 

　　3.2、熱泵機組運行水溫分析

　　1）供熱工況。

　　供熱季每日開啟1臺離心式機組保持全天24h運行，偶爾停機進行檢查保養。分析水溫數據發現，除啟停時刻水溫發生變化外，機組穩定運行時地源側和負荷側的供回水溫波動較小。為便于展示，選取2021年1月每日12:00的供回水溫度進行分析，供回水溫度見圖8。從圖8可以看出：冬季負荷側供水溫度約為45.0℃，滿足設計要求；地源側回水溫度平均值為10.3℃，且無波動，地源側換熱穩定。供回水溫差見圖9，地源側供回水溫差約為2℃，負荷側供回水溫差約為3℃，低于設計溫差（5℃）。

　　由于螺桿式機組的服務末端為雙面地板輻射供能末端，具有一定的蓄熱功能，故螺桿式機組采用了負荷側供水溫度反饋控制的運行策略，設定供水溫度為（38±3）℃，即當供水溫度高于41℃時停機，當供水溫度低于35℃時開機，機組處于間斷運行狀態。1月螺桿式機組總計運行了約332.0h，平均每天運行約10.7h，運行時間集中在20:00至次日08:00。1月供回水溫度見圖10，地源側供/回水溫度平均值為10.7℃/10.3℃，負荷側供/回水溫度平均值為38.9℃/40.3℃。供回水溫差見圖11，地源側供回水溫差約為0.4℃，負荷側供回水溫差約為1.5℃。

　　2）供冷工況。

　　選取2021年6月14日（開始供冷時間）至7月底運行時段的水溫數據進行分析，該時段內離心式機組水溫見圖12。6月14—20日開啟了多個地埋管換熱器支路，地源側平均回水溫度為21.4℃，負荷側平均回水溫度為14.4℃，該工況下螺桿式機組（設計工況地源側供/回水溫度為25℃/30℃，負荷側供/回水溫度為7℃/12℃）出現故障停機，機組設備廠家解釋出現故障的原因為冷水溫度和冷卻水溫度太接近，無法建立機組運行需要的油壓差。由于離心式機組和螺桿式機組地源側水系統連通，為保證螺桿式機組的正常運行，6月21日起減少地埋管換熱器支路，同時開通地源側旁通水閥提高地源側供水溫度。此后運行中手動調節旁通閥門，控制地源側回水溫度在30~35℃之間波動，供回水溫差見圖13。6月21日調整之后，負荷側的供回水溫差有所提升，地源側約為2.2℃，負荷側約為2.3 ℃。

　　螺桿式機組采用回水溫度反饋控制運行策略，設定負荷側回水溫度為（20±4）℃，即當回水溫度高于24℃時開機，當回水溫度低于16℃時停機。2021年7月螺桿式機組總計運行了約143h，平均每天運行約4.6h，運行時間集中在10:00—22:00。運行時段的供回水溫度見圖14，7月地源側回水溫度由于人為調節旁通閥控溫呈波動趨勢。供回水溫差見圖15，地源側供回水溫差約為1.6 ℃，負荷側供回水溫差約為2.4℃。

　　根據上述熱泵機組冬夏季地源側和負荷側供回水溫度的運行數據進一步分析如下：

 

　　1）常溫離心式冷水地源熱泵機組和高溫螺桿式冷水地源熱泵機組冬季和夏季地源側和負荷側的設計供回水溫差均為5℃。而實際運行時，常溫離心式冷水地源熱泵機組地源側和負荷側的供回水溫差為2~3℃，小于設計供回水溫差；高溫螺桿式冷水地源熱泵機組地源側冬季和夏季供回水溫差為1.5℃左右，冬季負荷側的供回水溫差僅為0.4℃左右，遠低于設計值，但水泵已處于最低頻率（35Hz）運轉。分析認為，雖然醫院所有科室都已搬遷，但就診人數不飽和、住院樓有空置樓層、后勤樓入住率較低導致集中空調系統負載較低，而系統設備的選型搭配未充分考慮項目負荷率較低狀態下的運行需求。

 

　　2）夏季運行策略存在問題，由于6月14—20日地源側回水溫度過低（21.4℃），冷水和冷卻水溫度接近導致螺桿式機組報警停機，運行人員采取了減少地埋管換熱器支路開啟數量并手動調節地源側旁通閥的措施，將地源側回水溫度調節至30℃以上，高于離心式機組和螺桿式機組的設計冷卻水溫度要求（25℃），運行水溫甚至超過常規冷水機組的設計供回水溫度，機組的實際運行制冷性能系數降低。系統的運行控制手段有待進一步完善，運行控制水平有待進一步提高。

 

　　3.3、能耗分析

　　表7給出了該項目自投入運行以來的地源熱泵機房能耗數據。據了解，由于地源熱泵系統供熱穩定，工程自投入使用以來冬季未采用過鍋爐進行補充供熱。

　　根據表7，該工程2020年11月至2021年10月地源熱泵系統共耗電261.7萬kW·h，單位面積耗電41.9kW·h/m2。地源熱泵機房電耗分布見圖16。

　　地源熱泵系統采用輻射末端情況下，熱泵機組+水泵的能耗與末端能耗的比值約為12.5∶1，估算得到該項目暖通空調單位面積電耗約為45.3 kW·h/m2，折算標準煤（電力折算系數取0.3kg/（kW·h））約為13.6kg/m2。

 

　　根據寧宇對山東地區綜合醫院能耗的調研，6家與該工程同等規模的二級及以下綜合醫院空調能耗（不含供暖）指標均值約為50.6kW·h/m2，折算標準煤為15.18kg/m2，供暖能耗指標均值約為8.9 kg/m2，暖通空調總能耗約為24.1kg/m2。

 

　　根據以上對比可知，該項目空調系統相較傳統的集中空調系統，暖通空調系統節能約10.5kg/m2，建筑全年節省標準煤656t，約減少碳排放2000t。

 

　　PART 04、結語

　　該工程集中空調系統結合了可再生地源熱利用、雙面輻射地板技術、動力分布式通風系統、分體式能量回收技術及高效節能設備等多項技術，響應了國家的減碳號召，并給醫院應對疫情提供了有力的基礎設施支撐。雖然系統設計和運行控制還存在一定的優化空間，但通過對運行能耗的分析可知，地源熱泵空調系統相比常規的冷水機組和鍋爐或市政供暖，仍然有一定的節能效果，有較好的環境效益。針對地源熱泵空調系統的設計及運行，總結并提出以下建議：

 

　　1）通風空調供暖冷熱源的系統設計及設備選型應調研分析建筑的冷熱負荷特性，根據全年動態建筑冷熱負荷進行冷熱源機組的選型搭配，不僅考慮設計工況下空調設備的高效率運行，同時考慮低負荷率下設備的高效率運行。

 

　　2）寒冷地區全年平均氣溫較低，巖土恒溫層的平均溫度也較低，對于采用了地源熱泵+末端供冷供暖輻射系統的項目，可考慮設置板式換熱器，過渡季及供冷初期可不開制冷機組，通過板式換熱器直接采用地下換熱器的水系統循環進行免費輻射供冷。

 

　　3）該項目夏季運行時為了維持螺桿式機組冷凝側和蒸發側的壓差，調整地埋管換熱器的開啟數量及地源側旁通閥將冷卻水溫度調節得過高（33 ℃），造成熱泵機組運行效率降低，在目前的機械旁通閥條件下，建議加強旁通水閥的精細化管理，調節地源側回水溫度使之接近25℃。新項目設計有條件時可考慮電動旁通調節閥，以便自動控制水溫。

 

　　4）該項目能源管理平臺未與項目同步完善，空調末端電耗自動計量系統暫未運行，升級改造計量系統又導致地源熱泵機房月電耗數據丟失，這對能耗分析造成了影響。建議建設單位重視能耗計量系統的同步建設，運行單位重視能耗數據的記錄、保存與分析，及時控制不合理的能源消耗。