1、工程概況項目位于山東省濟南市(北緯36°，東經117°)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，其特點是四季分明，夏熱冬冷，極端最低氣溫為-1

1、工程概況

項目位于山東省濟南市(北緯36°，東經117°)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，其特點是四季分明，夏熱冬冷，極端最低氣溫為-14.9℃，極端最高氣溫為40.5℃，年平均氣溫14.7℃，年平均降水量671.1mm。

該項目是濟南市高新區某醫院1#病房樓，建筑面積25482.18m2，建筑高度49.8m，地下1層，地上11層。各層功能如下：地下1層為配電室、設備機房；1層為入口大廳、超市、培訓室和監控室；2~11層為護理單元，每層有48個床位，本單體設計床位480個。

2、生活熱水系統設計

2.1 設計參數

根據《建筑給水排水設計標準》(GB50015—2019)要求，病房樓需設置全日制集中生活熱水供應系統，供水溫度為60℃。在豎向將熱水系統分為高區和低區，高區為7~11層，低區為1~6層，均設置為上行下給雙管全循環形式。生活熱水用水量如表1所示。

表1 生活熱水用量設計

2.2 熱源配置方案

濟南日照充足，年平均日照時間可達2300h，年平均太陽輻照量可達5016MJ/m2，具有豐富的太陽能資源。該項目地勢平坦，市政條件成熟，地塊周圍有燃氣管道可接入本項目供燃氣鍋爐制備生活熱水。因此，該項目既可以使用太陽能熱水系統，也可以采用燃氣鍋爐制備生活熱水。采用太陽能熱水系統時，為了避免連續陰雨天氣或太陽能不足造成的熱水供應不足，一般采用輔助熱源，如燃氣鍋爐、空氣源燃氣機熱泵或空氣源電熱泵。

方案一：燃氣鍋爐。以鍋爐高溫熱水為熱媒，利用換熱器加熱冷水至60℃。醫院熱水供應系統的鍋爐不得少于2臺，1臺檢修時，其余鍋爐的總供熱能力不得小于設計小時耗熱量的50%。系統組成為鍋爐、鍋爐熱媒循環水泵、換熱器、生活熱水循環泵。

方案二：空氣源電熱泵。空氣源電熱泵中的壓縮機做功，將空氣中的熱能轉移到水中，并將熱水送至水箱。系統組成為空氣源電熱泵、熱水循環泵、換熱器。

方案三：空氣源燃氣機熱泵。空氣源燃氣機熱泵由燃氣發動機帶動壓縮機做功，將空氣中的熱能轉移到水中，并將熱水送至水箱。系統組成為空氣源燃氣機熱泵、熱水循環泵、換熱器。

方案四：太陽能集熱器+燃氣鍋爐。太陽能集熱器集中設置于屋面，以太陽能熱水作為熱媒，設置燃氣鍋爐加熱，使水溫達到設計溫度。太陽能不足時，采用燃氣鍋爐制備高溫熱水。系統組成為太陽能集熱系統、板式換熱器、鍋爐、熱水循環系統。

方案五：太陽能集熱器+空氣源電熱泵。工作原理同方案二，與空氣源燃氣機熱泵的不同在于空氣源電熱泵是用電驅動發動機，空氣源電熱泵為輔助熱源，與太陽能集熱器共同加熱冷水。系統組成為太陽能集熱系統、空氣源電熱泵系統、板式換熱器、熱水循環系統。

方案六：太陽能集熱器+空氣源燃氣機熱泵。工作原理同方案三，空氣源燃氣機熱泵為輔助熱源，與太陽能集熱器共同加熱冷水。該系統可以利用溫差自動控制熱水循環，空氣源燃氣機熱泵也可根據太陽能的實際運行情況自動切換運行模式。系統組成為太陽能集熱系統、空氣源燃氣機熱泵系統、板式換熱器、熱水循環系統。

熱源性能比較如表2所示。

表2 熱源的性能比較

由表2可知，在節能性、環保性及安全性方面，空氣源熱泵與太陽能集熱器均優于燃氣鍋爐。在占地面積方面，建筑屋面寬闊平整，能夠滿足空氣源熱泵與太陽能集熱器的擺放布置。項目所在地為濟南，當地歷史極限最低環溫不低于-25℃，常年最低溫度不低于-10℃，空氣源電熱泵受氣溫影響，能效衰減嚴重。且項目僅為供熱水使用，所以空氣源熱泵相對燃氣鍋爐優勢更大，空氣源燃氣機熱泵相對于空氣源電熱泵更適應極端天氣，太陽能集熱器與空氣源熱泵相結合可滿足極端天氣醫院熱水的供應。綜合考慮，太陽能集熱器+空氣源燃氣機熱泵是熱源供應方式的最佳選擇。

3、經濟性分析

3.1 鍋爐熱負荷計算

熱水加熱量計算：

式中：M——熱水量，kg；

Cw——水的定壓比熱容，4.18kJ/(kg·℃)；

t2——熱水加熱溫度，取60℃；

t1——冷水溫度，取10℃。

代入數據，Q=1.93×107kJ

設定機組每天工作時間為9小時，

則機組供熱水功率為：1.93×107÷3600÷9=596kW

考慮“環保、節能、省地、省錢、無需備案”的五個原則及項目情況等負荷替換，選擇藍焰高科全預混鑄鋁低氮燃氣鍋爐350kW2臺即可。

3.2 空氣源電熱泵計算

在最不利環境條件下，滿足熱水供應需求的空氣源電熱泵供熱量計算：

式中：Qg——空氣源電熱泵供熱量；

Q——熱水加熱量，kJ，本項目中Q=1.93×107kJ；

H——熱泵機組運行時間，取16h/d。

代入數據，Qg=335kW。

采用30P電空氣源熱泵，單臺制熱量72kW。根據計算所得該改造項目總熱負荷為335kW，故設備選擇如下：

335÷72=4.65，取5臺

因此選擇5臺型號為30P的空氣源電熱泵可滿足要求。

3.3 空氣源燃氣機熱泵計算

由上面可知滿足熱水供應需求的空氣源燃氣機熱泵供熱量為335kW

藍焰高科空氣源燃氣機熱泵機組GEHP-KXLY-195，單臺額定制熱量195kW，設備選擇如下：

335÷195=1.7，取2臺

因此選擇2臺型號為GEHP-KXLY-195kW的空氣源燃氣熱泵可滿足要求。

3.2 集熱器面積計算

太陽能系統的集熱面積由熱水負荷(產水量)和管道熱損失率確定，根據現場情況及項目提供用水資料，

本項目每天設計產水量為45t/d，所需集熱器面積為：

式中：Qw——日均用水量，45000kg；

ηcd——集熱器全日集熱效率50%~60%，取55%；

Ac——直接系統集熱器采光面積，m2；

Jr——所在地集熱器總面積的月平均日太陽輻照量，MJ/m2；

f——太陽能保證率0.4~0.8，取0.55；

tend——儲水箱內水終止溫度，60℃；

Cw——水的定壓比熱容，4.18kJ/(kg·℃)；

ti——水的初始溫度，取14℃；

ηL——管道及儲水箱熱損失率0.20~0.30，取0.20。

其中Jr為所在地集熱器受熱面上月均輻照量，根據濟南地區平均日集熱量表，計算結果取3月、4月、6月、9月、10月的平均值，計算可得Jr=14.455MJ/m2，太陽能集熱器面積Ac＝801m2。

1#病房樓因露面造型和設備問題導致安裝太陽能使用面積有限，本系統集熱器選用橫式方柱型集熱器，每臺集熱器的集熱面積為7.7m2，總計使用104組太陽能集熱器，每組使用50支真空管，直徑58mm、長1.8m。

設置輔助熱源時，輔助熱源的供熱量：

式中：QF——輔助熱源供熱量，kW；

Qh——設計小時供熱量，kW。

式中適用于空氣源燃氣機熱泵作為主熱源、其他熱源作為輔助熱源的情況。太陽能集熱系統作為主熱源、其他熱源作為輔助熱源時，計算輔助熱源供熱量的方法同

3.3 主設備配置及初投資

5種方案主設備配置及初投資情況如表 3 所示。

表 3 方案設備配置及初投資價格

3.4 運行成本分析

運行費用分析采用的數據為：濟南年平均日照天數300d，濟南燃氣燃燒熱值取35MJ/m3，商用天然氣價格經查資料為3.3元/m3；燃氣鍋爐燃燒熱效率取95%；電費為0.85元/kWh。

(1) 方案一

全年生活熱水耗熱量7049GJ；全年生活熱水耗氣量7.049×106÷35÷0.95=212000m3；全年生活熱水耗燃氣費用212000×3.3=69.96萬元。

(2) 方案二

全年生活熱水耗熱量7049GJ；空氣源電熱泵COP=3.0；全年空氣源電熱泵耗電量：7.049×109÷3600÷3.0=652685kWh，全年空氣源電熱泵耗電費：0.85×652685=55.48萬元

(3) 方案三

全年生活熱水耗熱量7049GJ；空氣源燃氣機泵能效1.30；全年空氣源燃氣機熱泵耗氣量：7.049×106÷1.30÷35=154923m3；全年空氣源燃氣機熱泵耗氣費用：3.3×154923=51.12萬元。

(4) 方案四

全年生活熱水太陽能預熱量4017GJ；全年燃氣鍋爐再熱量7049-4017=3032GJ；全年燃氣鍋爐再熱耗氣量3.032×106÷35÷0.95=91188m3；全年燃氣鍋爐再耗燃氣費用91188×3.3=30.09萬元。

(5) 方案五

全年生活熱水太陽能預熱量4017GJ；全年生活熱水空氣源電熱泵再熱量7049-4017=3032GJ；空氣源電熱泵COP=3.0；全年生活熱水空氣源電熱泵再熱耗電量3.032×109÷3600÷3.0=280741kWh，全年生活熱水空氣源電熱泵再熱耗電費用：0.85×280741=23.86萬元

(4) 方案六

全年生活熱水太陽能預熱量4017GJ；全年生活熱水空氣源燃氣機熱泵再熱量7049-4017=3032GJ；采用藍焰高科GEHP-KXLY-195kW全年生活熱水空氣源燃氣機熱泵再熱耗氣量：3.032×109÷3600÷1.3÷10=64786m3，全年生活熱水空氣源燃氣機熱泵再熱耗氣費用3.3×64786=21.38萬元。

經過上述運行費用的計算，方案一在無節能措施的情況下全年運行費用最高為69.96萬元；方案二設置了空氣源電熱泵，一熱量來自電能，運行費用55.48萬元；方案三設置了空氣源燃氣機熱泵，系統運行費用51.12萬元；方案四因設置太陽能系統運行費用降至為30.09萬元；方案五在方案四的基礎上將燃氣鍋爐替代為空氣源熱泵，全年運行費用為23.86萬元；方案六將方案五中的空氣源電熱泵替換成空氣源燃氣機熱泵，節能效果更明顯，全年運行費用21.38萬元。

4、結果與討論

分析6個方案及運行費用，結果如表4所示

表4 方案初投資及運行費用情況

綜合考慮，總費用方案五最高，方案四最低，運行費用方案一最高，方案六最低。太陽能+空氣源燃氣機熱泵運行費用最低，而且空氣源燃氣機熱泵能同時滿足供冷供熱供生活熱水的需求。冬季供熱可利用發動機排熱，供熱能力大，不受外界環境溫度影響,特別適用于冬季寒冷地區，無需輔助熱源，可快速除霜，也特別適合夏季炎熱冬季濕冷地區。綜合考慮，推薦考慮太陽能或空氣源燃氣機熱泵等節能措施，因此選擇方案六作為本項目的熱水供應方式。