【HVAC】论文丨液体循环式热回收新排风空调机组在医疗建筑中的设计总结及经济性分析

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• 日期: 2022-01-17
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近年来，随着我国医疗事业的快速发展，医疗建筑越来越多，医疗建筑能耗受到越来越多的关注。在医疗建筑总能耗中，空调系统能耗占了很大的比例，一般为20%～40%，而空调系统能耗中新风能耗又占到了20%～30%。因此，空调新风系统采用有效的节能降耗技术对降低医疗建筑总能耗有着非常重要的意义。

新风系统中采用排风热回收技术能有效降低新风系统负荷。液体循环式热回收新排风空调机组由于其新排风不交叉、布置灵活等优点，非常适合应用在医疗建筑中。本文对液体循环式热回收新排风空调机组（本文中所提及的液体循环式热回收新排风空调机组均为分体式）作简要介绍，对笔者近几年来所做的医疗建筑中液体循环式热回收新排风空调机组的设计进行总结，并以某工程为例分析其经济性。
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液体循环式热回收新排风空调机组简介

1.1 原理与流程
液体循环式热回收新排风空调机组，也称为中间热媒式热回收新排风空调机组，它是在新排风空调机组上分别设置水-空气热回收换热器，2台热回收换热器间通过液体循环泵和管道进行液体循环，将热量传递给新风或者排风，从而预热或者预冷新风。循环液体一般为水，在严寒和寒冷地区，为了防止结霜、结冰，宜采用乙烯乙二醇水溶液，并应根据当地室外温度的高低和乙烯乙二醇的凝固点选择采用不同的浓度。

液体循环式热回收新排风空调机组流程如图1所示。

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图1 液体循环式热回收新排风空调机组流程图

液体循环式热回收新风空调机组在热回收换热器后侧（按新风方向）按照实际需求增加1台水-空气换热器，可以加热或者冷却热回收换热后的新风。

1.2 分类
液体循环式热回收新排风空调机组从调节上分为带水量调节装置和带风量调节装置;从新排风热回收换热器配套关系可以分为一对一、一对多、多对一、多对多形式。

1.3 优缺点
液体循环式热回收新排风空调机组优点如下：

1） 新风与排风通过中间液体传递能量，不直接接触，不存在新排风交叉感染的风险。由于医疗建筑人员众多且流动性强，服务对象为患者及医护人员，既需要满足患者康复的需要，又需要满足长时间在医疗环境中工作的医护人员的需要，所以对供暖空调系统的舒适性有更高的要求，空调通风系统需充分考虑空气交叉污染问题。如果采用一般的热回收方式，与新排风有接触，容易产生交叉污染。

2） 热回收换热器通过管道连接，新排风空调机组为分体式，安装灵活方便。医疗建筑中，功能和平面布局复杂，分体式安装的液体循环式热回收新排风空调机组布置灵活，其对应的室外新排风口能有效地拉开距离，避免短路。

3） 运行稳定可靠，使用寿命长。

4） 循环泵、热回收换热器均属于常规产品，设备成本低，维修简便。

液体循环式热回收新排风空调机组缺点如下:

1） 新排风由于通过循环液体进行间接换热，换热效率较低，市场主流产品热回收效率均低于65%，设备制造时通过换热器换热面积及过风风速的优化可保证热回收效率不低于55%，该设备的热回收效率通常为55%～65%。

2） 热回收换热器按照显热方式进行换热，不能回收潜热。

3） 由于配备循环水泵、膨胀罐、循环管路等，新排风空调设备初投资有所增加；由于配备循环水泵且2台热回收换热器增加了空气阻力，机组运行费用有所增加。

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液体循环式热回收新排风空调机组在医疗建筑中的设计总结

液体循环式热回收新排风空调机组设计中确定循环液体及合理的质量百分比、新排风热回收换热器的设计选型计算、循环水泵膨胀罐的计算与选择等常规设计可详见相关手册和图集，本文不再详述。笔者主要对这几年所做的医疗建筑工程中液体循环式热回收新排风空调机组的设备型式设计、控制系统设计、液体循环管路设计等进行总结。

2.1 设备型式设计
随着市场容量的增加，目前市场上有很多专业厂家生产液体循环式热回收新排风空调机组，但也有厂家仅用2个简单的新风机组来做这种设备（一个做新风，一个做排风），只考虑风量足够，而热回收换热器没有经过专业的设计计算选型，导致热回收换热面积不够从而降低热回收效率。因此，设计选型应参考专业厂家生产的产品，设计师应建议建设单位从专业厂家采购产品。

目前市面上生产的液体循环式热回收新排风空调机组按照风机是否变频分为定风量机组和变风量机组。定风量机组配合定风量末端使用，变风量机组配合变风量末端使用。在实际医疗建筑设计中，可以根据机组服务区域的特点选择定风量或者变风量机组，从而达到更加节能的目的。

机组中的液体循环系统的液体循环泵、膨胀罐及相关附属设备在设计中建议集中放置在排风机组内，这种设计在各种管道设备较多的医疗建筑工程中有如下优点:产品安装、维修方便，在后期维修保养中不会发生扯皮的情况。但这样会增大排风机组设备体积，在设计中应预留充分的设备安装和维修空间。

2.2 控制系统设计
在医疗建筑工程建设中，为了避免设备招标漏项和施工中出现责权不明确的情况，建议设计的液体循环式热回收新排风空调机组自带控制柜及控制系统，设备材料表中对相应新排风机组的控制及检测系统提出详细要求。根据具体项目特点，新风空调机组控制及检测系统可以包括但不限于。风机启停控制、运行状态检测及故障报警，电动风阀、防火阀连锁启闭控制，电动水阀启闭控制及调节，粗效过滤器状态检测及堵塞信号报警，盘管防冻信号及连锁控制，净化装置启闭控制、运行状态检测及故障报警，进风温度检测、PM2.5浓度检测，送风温湿度检测，加湿器启停控制、运行状态检测及故障报警，溶液泵启停控制，与相应热回收排风空调机组连锁控制，机房内液晶控制面板，楼内热回收新排风机组集中控制、显示等;排风机组控制及检测系统可以包括但不限于：风机启停控制、运行状态检测及故障报警，电动风阀、防火阀连锁启闭控制，排风温度检测，溶液泵启停控制，与相应热回收新风空调机组连锁控制，楼内热回收新排风机组集中控制、显示等。

液体循环式热回收新排风空调机组间信号连接线及线管建议由机组厂家提供性能参数，设计单位复核，空调施工单位采购并施工。

2.3 液体循环管路设计
当循环液体采用乙二醇溶液时，由于乙二醇溶液与锌接触时会发生化学反应，因此液体循环管路管材不得使用含锌的材质。

虽然液体循环式热回收新排风空调机组布置灵活，但新排风机组间的液体循环管路不宜过长，以免造成热回收效率降低过多，在医疗建筑工程设计中一般以不超过20～30 m为宜。



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液体循环式热回收新排风空调机组在医疗建筑中的经济性分析

济南某医院门诊医技综合楼工程采用风量2 000、3 000 m3/h的新排风空调机组各2组，风量4 000 m3/h的新排风空调机组5组，风量5 000 m3/h的新排风空调机组8组，新/排风总量70 000 m3/h。下面就采用液体循环式热回收新排风空调机组和普通新排风空调机组的经济性进行分析。

3.1 回收冷热量计算
济南夏季室外空调计算参数:干球温度34.7 ℃、湿球温度26.8 ℃、比焓84.9 kJ/kg、含湿量19.4 g/kg；冬季室外空调计算参数：干球温度-7.7 ℃、湿球温度-9.3 ℃、比焓-5.2kJ/kg、含湿量1.1 g/kg：该工程室内设计干球温度：夏季26 ℃、冬季20 ℃。

夏季工况，当室外干球温度高于26 ℃时，开启乙二醇溶液泵，进行热回收；冬季工况，当室外干球温度低于15 ℃时，开启乙二醇溶液泵，进行热回收。根据选定的新排风机组（风量为10 000 m3/h），对换热盘管在冬夏季不同室外计算参数下的热回收效率进行计算，结果见表1。

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通过对表1中几种室外温度下效率的计算可知，热回收机组的效率全部能维持在60%以上。虽然表1中的几种室外温度工况点效率不能代表所有室外温度工况点的效率，结果理想化且具有偶然性，但是以上几种室外工况点计算出的效率也能定性地反映出机组在所有室外工况点的效率。所以，为了简化计算，后续计算效率取60%。

济南月平均干球温度如表2所示。
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由表2可知，济南市高温天气集中出现在6—8月，低温天气普遍出现在11月至次年3月，以6—8月、11月至次年3月分别计算液体循环式热回收机组夏季和冬季的热回收量。该医院夏季逐时干球温度高于26 ℃时开启热回收机组，冬季逐时干球温度低于15 ℃时开启热回收机组。每天开启热回收机组的时长为10 h，时间段为08:00—18:00。由济南气象参数表逐时干球温度筛选出符合上述要求的时长，则新风经过热回收换热器后的温度及逐时平均室外温度下的热回收量如表3所示。

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3.2 经济性分析
液体循环式热回收新排风空调机组较普通新排风空调机组初投资有所增加，由于增加了热回收换热器、循环泵等，使得机组运行费用也增加。但是，通过回收冷热量可以减少新风系统的供冷供热量，从而减少空调系统运行费用。通过2个方案的初投资、运行费用的比较，计算出液体循环式热回收新排风空调机组的静态投资回收期，对其经济性进行分析。

3.2.1 初投资（见表4）
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3.2.2 年运行费用
该工程夏季空调运行时长按750 h计算，冬季空调运行时长按1530 h计算；当地电费0.9元/（kW·h）；夏季空调系统采用冷水机组，综合COP为4.0；冬季采用市政供暖，用热费用为0.3元/（kW·h）。

新排风空调机组年运行费用如表5所示。

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液体循环式热回收新排风空调机组较普通新排风空调机组夏、冬季减少的空调系统年运行费用见表6。

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该工程液体循环式热回收新排风空调机组较普通新排风空调机组全年减少的运行费用为8.63万元。

3.2.3 静态投资回收期
该工程液体循环式热回收新排风空调机组静态投资回收期为2.09 a。假设液体循环式热回收新排风空调机组使用寿命为15 a，使用周期内可以减少费用111.45万元。

通过以上计算分析可以得出，液体循环式热回收新排风空调机组较普通新排风空调机组虽然增加了初投资和机组本身运行费用，但减少了空调系统运行费用，大约2 a可以收回初投资，之后每年减少的运行费用较可观。该工程设计选用的是定风量液体循环式热回收新排风空调机组，而在实际医疗建筑工程设计中，可以根据机组所服务区域的特点选择变风量机组，根据房间标定的污染物浓度实现变风量运行，不仅可以提供更高品质的空气，还可以更大程度地减少运行费用，产生更好的经济效益。

结语

在节能减排越来越重要的今天，各项通风空调节能技术越来越多地应用在实际工程中。液体循环式热回收新排风空调机组具有新排风不交叉、布置灵活、减少运行费用等优点，在医疗建筑工程中会得到越来越广泛的应用。