医院建筑空调节能设计探讨
日期:2015-01-18

概要:本文以某市立医院综合病房楼暖通空调设计中采用的节能新技术为基础,对该类建筑中空调节能设计中的相关技术问题和节能技术措施,包括水力平衡阀、新风换气机等新设备的应用,进行了分析和论述,并对国家节能设计规范中相关条文的实施进行探讨,可供同行参考。

  

 

前言:为建设节约型社会,建设部2005年5月开始实行《公共建筑节能设计标准》,其中,第4.1.2、4.2.2、4.2.4、4.2.6、5.1.1、5.4.2(1、2、3、5、6)、5.4.3、5.4.5、5.4.8、5.4.9条(款)为强制性条文。提出了按本标准进行的建筑节能设计,在保证相通的室内环境参数条件下,与未采取节能措施前相比,全年采暖、通风、空气调节和照明总能耗应减少50%的要求。在这样前提下进行的某医院综合病房楼设计,考虑了新规范的实施与应用,做出了相应的设计调整。

 

1.工程概况:

 

1.1  某市立医院综合病房楼,空调服务面积为54520m2,建筑高度35.7米;地下一层为动力中心、中心供应、地下车库;动力中心主要包括制冷机房、热交换站、通风机房、高低压变配电室、水泵房。地上八层,一层为出入院办理药房、营养食堂、心内科护理单元;二层为手术部、ICU、血库、病理、检验科;三层为产科、妇科、烧伤科、整形美容科病房;四层为神经内科、神经外科病房;五层为普外科、泌尿科、胸外科病房、干部病房、眼科、内分泌科、口腔、耳鼻喉科病房;六层为骨外科、呼吸内科、血液内科病房;七层为小儿科、消化内科、泌尿内科病房;八层为干部病房、眼科、内分泌、口腔、耳鼻喉科病房;二层三层之间为设备层,顶层为机房层。

1.2 空调设计范围:

制冷机房、热交换站、采暖及空气调节系统、通风及防排烟系统,二层手术部、六层血液病房为洁净病房,其空气调节系统留待专业洁净公司进行二次设计。

1.3  暖通空调室内外设计参数:

1.3.1 室外计算参数:

1).夏季:空调干球温度34.8℃,空调湿球温度27.8℃,通风温度31℃,室外风速2.4m/s。

2).冬季:空调干球温度-9℃,相对湿度67%,通风温度-2℃,室外风速2.8m/s。

1.3.2 室内空调设计参数:依据相关设计标准。

1.4 空调冷热源:

1.4.1 本建筑空调夏季总冷负荷为4800KW,冷指标为91W/m;空调冬季总热负荷为4850KW,热指标为89W/m。

1.4.2 夏季采用三台500RT的双螺杆冷水机组作为空调冷源,提供供回水温度为7/12℃的冷冻水。冷冻水泵与制冷机一一对应,冷却水泵与制冷机和冷却塔一一对应。冷却塔设于机房层屋面上。空调循环水系统及冷却水系统备用泵由建设单位购存。

1.4.3 冬季采用两台高效板式热交换器,利用来自院区锅炉房、压力为0.4MPa的蒸汽进行热交换。地上部分及地下一层中心供应、动力机房为一个空调水系统,负荷侧供回水温度为60/50℃。

1.4.4 空调冷热水系统采用落地膨胀水箱定压,定压压力0.5MPa。由囊式气压罐控制补水泵启停,补水采用软化水,由全自动钠离子交换器进行软化处理;冷却水采用综合水处理器进行处理。

1.5 空气调节系统:

1.5.1 空调水系统为单级泵变流量闭式循环双管制系统,二层(手术部等)、三层(产科等)单设一路水系统,冬季可提前供暖。

1.5.2 新风系统根据每层不同情况,分别采用热回收式新风换气机或新风机组;新风管道附带PTC加湿器,冬季对新风进行加湿处理,病房新风管道连接空气处理器,对空气进行消毒处理;落地式新风换气机组、新风机组新风口,均设电动调节阀,与机组风机联动,冬季防冻。

1.5.3 空调房间主要采用风机盘管加新风的空调方式,气流组织根据房间吊顶情况不同分为上送上回及侧送下回。医技部的X光、CT、DSA及设备间等需进行防护的房间应将空调设备及风管置于防护层外。

1.5.4 空调水系统末端采用变流量控制,风机盘管供水支管设铜球阀及水过滤器,回水管设电动两通阀及浮点式电热阀,供回水支管上均设橡胶软接头。

1.6 采暖系统:

1.6.1 地下一层采用热风采暖系统。热源为0.4MPa蒸汽,凝结水经自动加压型凝结水回收装置回收至锅炉房(二期设计)。在车库内沿柱布置暖风机,车库入口处设置热风幕。系统形式为上供上回异程式,车库总散热量210KW。

1.6.2 有外窗的公共卫生间、各公共淋浴间均设置暖气片。采暖系统热媒与空调合一。采用内腔无粘砂型TZY-6铸铁柱翼型散热器。

单片标准散热量(T=64.5℃)为140W,设计条件(T=37℃)散热量为66W。

 

2 空调节能设计的主要技术措施:

2.1 建筑节能措施:

本工程结构形式为框架结构,填充墙体为加气砼砌块,外墙240厚,内墙180厚。该地区属寒冷地区,建筑物外表面积F0=29074㎡,体积V0=193828m3,体型系数为0.15<0.3。本工程屋面围护结构做法L96J002屋47,保温层采用100厚聚苯乙烯泡沫塑料板,平均传热系数0.45W/㎡.K<0.55。

外墙(包括非透明幕墙)做法为:

120厚水泥砂浆

2240厚加气砼砌块

3粘贴50厚聚苯板保温层

45厚抗裂砂浆,传热系数为0.50W/㎡.K≤0.50。

外窗(包括透明幕墙)

南向:窗墙比为0.42≤0.5,采用门窗类型为断桥铝合金中空玻璃窗,其传热系数为2.3 W/㎡.K≤2.3

北向:窗墙比为0.42≤0.5,采用门窗类型为断桥铝合金中空玻璃窗,其传热系数为2.3 W/㎡.K≤2.3。

东向:窗墙比为0.31≤0.4,采用门窗类型为断桥铝合金中空玻璃窗,其传热系数为2.3 W/㎡.K≤2.7。

西向:窗墙比为0.31≤0.4,采用门窗类型为断桥铝合金中空玻璃窗,其传热系数为2.3 W/㎡.K≤2.7。

屋顶透明部分占屋顶总面积的14.6%,其做法为夹层中空玻璃,其传热系数为2.5W/㎡.K≤2.7。

地下室地面做法:钢筋砼底板350厚,上垫1650厚炉渣砼,热阻为2.3(㎡.K)/W≥1.5,地下室与土壤接触外墙热阻为2.0(㎡.K)/W≥1.5。

2.2 空调系统节能措施:

2.2.1 冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机进行电动联锁启停,其启动顺序为:冷却水泵--冷冻水泵--冷却塔风机--冷水机组,系统停车时顺序与上述相反。

2.2.2 冷却塔供回水总管上设置旁通管,通过温度传感器控制旁通管流量及风机运转台数,当冷却塔供水温度低于设定温度时,逐渐开启旁通阀,冷却塔风机依次自动停止运转;当冷却塔供水温度上升至正常值时,风机自动恢复运行,旁通阀逐渐关闭。

2.2.3 热交换器的负荷侧供水管上设置温度传感器控制其蒸汽管上温控阀的开度,保证低温热水采暖系统供水温度不高于60℃。蒸汽凝结水由自动加压型凝结水回收装置集中回收,输送回院区锅炉房二次利用。(二期设计)。

2.2.4 空调水系统为一次泵变流量水系统,通过冷水(热水)集分水器间的电动压差旁通阀控制冷(热)水系统供回水管路间的压差,使系统保持稳定运行。

2.2.5 每层连接供水立管的各供水支管设静态水力平衡阀(HYDROCONTROLF型),连接回水立管的各回水支管设压差调节器(HYDROMATDP型)。制冷机房集水器各回水立管设静态水力平衡阀(HYDROCONTROLF型)。在制冷机冷冻水及冷却水的进水管上设置动态流量平衡阀(FLOWSETTER型)。新风机组、风机盘管供水支管设动平衡电动调节阀(EDRV3型),型号均同管径,以保持系统水力平衡。

2.2.6 整个建筑物的空调系统采用直接数字式控制(DDC),详电施图。新风空调机送风温度通过控制冷热水回水动态平衡电动调节阀来实现。

2.2.7 风机盘管的控制由室温调节器及电动二通阀组成,电动二通阀采用双位式。

2.2.8 地下一层车库采暖系统蒸汽冷凝水回收至动力机房,与换热机房内蒸汽换热机组凝结水汇合,经自动加压型凝结水回收装置回收至锅炉房(二期设计),二次利用。

2.2.9 本工程新风系统采用新风换气机+吊顶式新风机组供给,大部分区域采用新风换气机,以回收余热,达到最大限度的节能。

2.2.10 各运行设备均采用高效率型。冷冻(热)水管道,采用高效保温材料闭孔橡塑保温材料。

2.2.11 热废水重复利用,减少排放量。组合式板式换热机组凝结废水,经全自动汽压凝结水回收器回收输送回锅炉房二次利用。

 

3 平衡阀在空调水系统中的节能作用:

空调水系统设计的主要目的,是为各末端装置送达符合规定要求的水量。在此前提下,根据不同的使用情况,进行水量和水温的调节。因此,系统的水力平衡是设计中需要解决和运行中必须控制的问题。平衡阀的使用,对空调水系统的调节和运行,都具有至关重要的作用,对空调节能会产生巨大的影响。

 

3.1 全面水力平衡必要性分析

3.1.1 项目特点:菏泽市立医院作为大型化高级公用建筑,系统功能复杂,公用部分单层面积较大,单线分支管网管程较长,不同功能段之间的分支中央空调循环水系统设计流量差异性较大。

3.1.2 空调系统使用标准:空调品质、节能标准要求高,即在满足中央空调实现高品质空气环境(房间的温度、湿度、风速及空气洁净度满足设计标准要求)的基础上,空调的投入使用数量与系统运行成本实现现行动态平衡。

3.1.3 实现方式:所有终端在系统运行时必须获得设计流量,控制阀两端的压差变化不能太大,流量必须与系统界面相兼容,变流量系统在运行过程中各分支环路的流量随外界负荷的变化而变化,从而控制冷机、冷却设备、辅助设备的运行时间及投入运行数量,实现经济运行、动态平衡节能。

3.1.4 实现手段:对变流量空调系统进行全面水力平衡设计,实现系统初调节全面运行阶段的静态水力平衡及部分负荷运行时的动态水力平衡。

3.1.5 经济运行分析:在欧洲国家的中央空调系统运行成本数据显示,超过20℃以上每增加1℃的成本会增加8%,低于23℃每降低1℃的成本会增加15%。

3.2 空调水系统平衡阀的装设位置

本工程分别对中央空调系统的机房部分、变流量循环系统及末端三部分进行水力平衡设计。

3.2.1 机房部分: 冷机——在系统循环冷冻水、冷却水机组入口设置固定流量动态平衡阀,实现变流量系统在部分负荷运行时冷机在标准工况下运行,在一定的压力范围内限制空调设备的最大流量、自动恒定流量的特点,在大型、复杂、空调采暖负荷不恒定的工程中,简化了系统调试过程,并缩短了调试时间,避免过流从而影响机组的制冷cop即运行使用寿命。

集水器——在集水器分支系统的回水总管安装静态水力平衡阀,实现系统在初调节时期的流量分配控制符合方案设计(即系统运行调试时的水力平衡),系统在初调试完成后阀门开度无须做任何改变,系统各处流量始终保持恒定。

分水器、集水器——在分、集水器之间设置压差旁通控制系统(规格详见图纸),系统在动态工况运行时,从分集水器上采集压力信号输入压差变送器,压差变送器输出4-20mA标准电流信号到调节计(或DDC),通过与调节计上设定压差相比较,输出4-20mA控制信号到电动调节阀控制其动作,通过调节电动调节阀改变旁通水量从而保证分集水器压差△P恒定到设计压差,这时分集水器上任一分支回路流量变化时对其它回路不产生影响,系统实现动态水力平衡。

3.2.2 变流量循环系统空调立管分支系统:在立管系统水平分支管供回水管处,水平分系统部分分支供回水管处安装同规格的压差调节器与静态水力平衡阀阀组,静态平衡阀设置在供水分支管处,实现系统运行调试过程中的系统静态水力平衡调节;压差调节器设置在回水分支管处,通过供回水分支管之间的恒定压差,实现各水平分支系统间的动态水力平衡;避免了一般水力失调系统一部分系统还没有达到设计流量,而另一部分已远高于设计流量的问题。因此阀组解决的是系统初调节时的系统静态平衡和运行过程中系统内部的动态水力平衡,即保证系统能均衡地输送足够的水量到各个分支系统。

3.2.3 系统末端部分的水力平衡

组合式空调器——在设备回水管处安装与设备设计流量及设计压差相匹配的动态平衡电动调节阀,在系统中各个末端设备的流量达到末端设备实际瞬时负荷要求流量的同时,各个末端设备流量的变化只受设备负荷变化的影响,而不受系统压力波动的影响,即系统中各个末端设备流量的变化不互相干扰,从而保证系统能高效稳定地将设备在各个时刻所须的流量准确地输送过去。

风机盘管末端——在单个房间末端供水管安装动态平衡电动两通阀(动态平衡阀和电动两通阀集成到一个阀内),保证每个风机盘管达到动态水力平衡的基础上,实现房间温度变化时动态调节阀门的开启或关闭。它将上述功能和电动二通阀,其缺点是价格较高;

代替动态平衡电动两通阀——浮点式电热阀,利用房间温控器输出的控制信号,实现电热阀在通电状态下的缓慢开启或关闭,从而使流过阀体的流量控制;由于房间温控器的控制信号是实时灵敏的,电热阀的开启和关闭是缓慢的。由于执行器是利用热物理原理制作的热电执行器,避免了传统的电动两通阀马达控制故障率高、噪声大、容易老化的缺点。

 

3.3 空调水系统水力平衡设计中技术方案的分析

3.3.1 基本目的:

暖通空调变流量水力系统的全面平衡为暖通空调系统高效、稳定、节能、舒适提供了一种有效的解决方案。但是,在实际的工程设计中,应根据暖通空调工程项目的投资、规模及系统的精度要求合理地选用水力平衡方案,既要保证工程设计和规范要求,同时又应采用合理的方式,为甲方节约资金和运行费用。

3.3.2 选用平衡阀方案的技术经济性要求:

 

长管线异程大系统多级安装普通平衡阀价格高于末端设备一级动态平衡阀。在末端装置上安装动态平衡阀,维修时影响的范围小。动态平衡电动二通阀自带过滤功能,避免了水系统管路中的污垢对自控阀门的损伤。由于动态平衡阀在某一段压力范围内的误差只有±5%,其些设备的开或关对其他设备的流量几乎没有影响,保证了末端装置水流量的稳定性。动态流量平衡阀使阀胆能根据水系统不时的压差变化而变化,保证不会超过原先设定的水流量并吸收过量的压差,从而实现整个水系同压力和流量的自动平衡。

3.3.3  平衡阀在空调系统运行管理中的作用:

 

不需要进行系统调试,节约大量的时间,缩短竣工日期;不需要安装同程管理,可以增加使用的面积和空间、节约安装及材料费用;方便使用:工程安装分期完工或设备分期使用都不会影响水系统平衡;方便更改:当某些区域的水系统需要重新设计时,不会影响其它区域的水系统设计和平衡;减少耗电量:由于整个水系统得到平衡,保证制冷机组(锅炉、换热器)及水泵以最佳的工作状态运行,具有明显的节能效果;降低磨损和减少浪费:由于保证水流量不会超过原来设计,保障所有设备的耐用性,避免流量过大而造成的铜管损耗;提高安全性:由于水系统的流量平衡是自动进行,杜绝了人为破坏性调节的可能性 

 

4  新风换气机在医院建筑空调中的应用

 

4.1 新风换气机概述

新风换气机是用于空调排风能量回收的节能设备。其主要部件是外壳体,换热芯体和过滤器。由于换热芯体中采用有传热传透性能的材质,所以应用于空调系统时可以利用排风在夏季时预冷干燥新风,在冬季时预热加湿新风,使新风负荷显著降低,从而节省冷热系统能耗,对小系统规模,节省运行费和降低峰值用电量都十分有利。其全热交换效率与换热芯体的结构特征,通过风量,通过芯体的两股空气的风量比值以及进风参数有关。

 

4.2 新风负荷占空调负荷的比率:

按设计规范规定的负荷计算方法,新风负荷在空调房间总冷(热)负荷中所占比率,一般为30-40%,是空调负荷计算中很重要的一项。如果在设计中漏掉这一项,或者像采暖计算那样只计算窗缝渗入的风量,就会由于窗缝渗入风量数值较小,(多数情况下大大小于房间要求的新风量),而使负荷计算值过小,导致室内、外机装机容量偏小而使房间的供冷(或供热)不足。

 

室内机组的装机容量是按设计条件进行计算和选定的,应当考虑到新风、运行时间性能衰减及其他条件。对空调房间温度的测试,应当在保证新风量的条件下进行。在无新风的条件测试室温是不正确的。而对间歇使用的建筑物,如果室内机不考虑间歇附加,那么,即使室外机组有制冷或制热能力,则室内机组也无法传输过来。在无新风的条件下,即使对间歇用房提前开机,也只能是温度的相应升高,但会因无新风的送入而无法改变室内空气环境条件(除温度外),无法提供一个清新卫生的工作环境。

综上所述,笔者认为,对全年及春夏两季使用的空调工程而言,应当设置专用的新风系统,不能以开窗换气为手段,取代新风系统。而新风系统的设置目前有以下几种做法:

1.       房间内的室内机带新风引入,或单设本房间专用的小型新风机。

2.       一层楼设一个(或几个)专用的新风机组,用风管分送至房间,其新风引入立管也可多层合用。

3.       几层楼合设一个新风机组,用风管分送各层、各房间。

实践证明,对冷媒水直供(风机盘管)空调系统而言,早已形成共识设置了新风,称为风机盘管加新风空调系统,其新风机组也可以带一定负荷。

 

4.3 最新节能设计规范对于排风热回收的规定

 

公共建筑节能设计标准(GB50189-2005)第5.3.14建筑物内设有集中排风系统且符合下列条件之一时,宜设置排风热回收装置。排风热回收装置(全热和显热)的额定热回收效率不应低于60%。

 

4.3.1       送风量大于或等于3000m3/h的直流式空气调节系统,且新风与排风的温度差大于或等于8度。

4.3.2       设计新风量大于或等于4000m3/h的空气调节系统,且新风与排风的温度差大于或等于8度。

4.3.3       设有独立新风和排风的系统。

 

4.4 本工程处理方案:

 

本工程具有建筑面积大,新风量大的特点。如果按照常规的新风做法,必然造成一部分能量浪费。作为节能的一个重要手段,笔者选用了新风换气机作为新风提供方式。以集中风道将新风和排风汇集于设备层,由新风换气机集中处理。最大限度地回收余热,以节约能源。

 

4.5 小结:

 

时至今日,创造节约型社会已经成为国家首要的发展目标,笔者在设计中运用一些新兴技术,力求达到最大限度地节能与系统平衡。以上不当之处,望同行指正。

 

                                                    2007.05.15

 

参考资料:

1.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇   暖通空调。动力部分

                建设部工程质量安全监督与行业发展司  2007版

 

2. 冷剂直供(VRV)空调系统的新风问题

 山东省建筑设计研究院  牟萌 宋智勇 李萍 牟灵泉

 

3. 欧文托普阀门系统有限公司技术资料

 

 

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