医疗卫生机构地源热泵技术及合同能源管理模式应用实践李敏马宏权郁松涛张志鹏郭放（南京丰盛新能源科技股份有限公司南京，江苏 210012）摘要：营造绿色、低碳、节能型医院是现代化医疗建筑发展的一个重要方向，地源热泵技术作为一种高效、节能的空调技术必将成为我国医疗建筑节能领域重点推广的技术之一。

本文对医疗建筑的空调能耗现状、特点和采用地源热泵技术的节能潜力进行分析，并对医疗建筑中应用地源热泵技术的实际案例进行了介绍，证明了地源热泵技术将为医疗建筑节能技术的发展带来更大的空间。

关键词：地源热泵；医疗建筑；空调能耗1医院空调系统的能耗特点医院承担着为病人和特定人群提供诊断、治疗、防疫及其他健康服务的重任，在我国国民生活中扮演着非常重要的角色。

医院空调系统区别于民用空调系统之处在于其应用场合的不同，其技术要点是在保证温湿度要求的同时能控制空调房间的污染物浓度以保证目标区域的工作顺利进行。

与民用空调系统相比，其空调系统具有温湿度要求高、洁净度要求高、末端气流组织要求严格、运行时间长等特点[1]，这些要求，都不可避免地加大了医院空调系统的能耗。

此外，由于医疗建筑功能区域划分较为严格，各区域间为了控制疾病，防止疾病传播和扩散，通常需要满足一定的防护距离要求。

因此，医院的空调系统负荷较为分散，管线较长，空调系统内的气/水驱动耗能较大，这也从一定程度增加了空调系统的整体能耗。

综合以上各方面因素可以看出：医疗建筑的空调系统具有高能耗，高费用的特点。

并且随着医学技术的进步以及人们对于医疗环境舒适度要求的提高，医院空调系统的能耗也不可避免地增加。

据统计，医院空调系统的年一次能耗量，是一般办公建筑的1.6~2倍。

而在手术部和一些特殊部门，空调能耗可以达到一般空调系统的5~10倍[2]。

由此可见，医疗建筑的空调系统具有很大的节能空间，通过合理的技术手段降低医院空调系统的运行能耗，建立节能环保的绿色医院也是我国医疗事业今后的一个重要发展方向[3]。

2地源热泵技术地源热泵技术从冷热源利用角度可提高系统效率，降低能耗，在医疗建筑领域有非常好的应用前景。

2.1地源热泵原理地源热泵技术是一种利用地球浅层地热能资源进行制热制冷的高效、节能、环保的系统，通过输入少量的高品位能源——电能，实现低温热能向高温热能的转移，即将浅层地热能作为空调系统的冷热源。

按照冷热源种类的不同，地源热泵技术可分为地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统，由于受到水资源的限制，地埋管地源热泵系统是应用最广泛普及和至今发展最为成熟的地源热泵技术形式。

在冬季，地源热泵技术将浅层地热能作为空调系统的“热源”，将其蕴含的热量转移至空调房间，在夏季，地源热泵技术将其作为空调系统的“冷源”，将其蕴含的冷量转移至空调房间，以满足室内人员的全年空调冷热需求。

图1 传统空气源热泵与地源热泵技术原理及对比2.2 地源热泵的优点传统的空调系统形式有空气源热泵空调系统和冷水机组（配备冷却塔）+锅炉系统等，前者将室外空气作为冷热源，利用热泵机组的制冷剂夏季将室内热量排至大气，冬季从室外大气提取热量以满足室内冷热环境需求；后者在夏季与之相同，在冬季利用锅炉燃煤、燃油、燃气或者电能转化为热量，将常规的不可再生——煤、油、汽及高品位能源——电能作为热源。

地源热泵技术与之不同在于冷热源对象的不同，将地表水、地下水或者地下岩土体作冷热源，具有高效稳定、经济技能、环保洁净的特点。

地源热泵技术制冷制热效率高，通常热泵消耗1kW的热量，用户可以得到4~5kW左右的热量或冷量；初投资比其它中央空调系统略高，运行费用可节省1/2—1/3。

减少电征容30%，可节约征电成本。

真正做到“一机两用”，冬季可向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，提高了设备的利用率。

且运行稳定，不会因为天气的变化影响制冷制热效果，空调效果好。

传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。

燃煤锅炉是最主要的大气污染源，中小型燃煤锅炉在城市中已被逐步淘汰；燃油和天然气的锅炉虽然减轻了对大气的污染，但排放、的温室效应气体（CO2）仍造成环境问题，而且运行费用很高。

随着不可再生能源的逐渐开采，能源危机及可持续发展战略已成为全球性的重要问题。

而地源热泵技术采用的是洁净的可再生的地热能，是一项以节能和环保为特征的技术。

自由运用地热资源，既解决了热污染问题，又进一步提高能效比。

2.3 地源热泵在医疗建筑中的应用目前，地源热泵技术的发展已到了成熟的阶段，在国家政策对可再生能源技术利用的大力支持和引导下，利用地源热泵技术的项目已广泛普及。

在医院空调系统领域，地源热泵也取得了广泛的应用，目前已经有南京市解放军454医院，无锡医疗中心，滁州市第二人民医院，温州医学院附属第一医院等医疗建筑采用了地源热泵系统，结合先进的运行管理手段，获得了良好的运行效果，相信在这些可再生能源示范项目的示范和带动作用下，地源热泵技术将会在更多新建的医院工程中得到应用。

表1 地源热泵工程在医疗行业的应用面积m2功能 类型 埋管深度m埋管数量 张江现代医疗器械园 72895办公 双U100708无锡医疗中心 18400办公、实验 单U78336 454医院 10930病房 双U120114 3 地源热泵技术在医疗建筑中的应用案例3.1 工程概况本项目为上海某现代医疗器械园地源热泵空调方案设计，位于长江中下游夏热冬冷地区，占地面积29453m2，总建筑面积72895m2，含地下建筑面积13944m2。

空调系统需满足建筑供冷、供热要求，并且提供全年生活热水。

根据负荷计算结果，并且考虑各功能单元的同时使用系数，有效降低初投资，整个项目装机容量夏季6000kW，冬季4800kW（含卫生热水负荷）。

3.2 设计思路3.2.1系统方案由于该项目在过渡季节时不需要供冷、供热，仅需要提供全年生活热水，应选用全热回收型地源热泵机组为建筑提供生活热水。

根据热水负荷首先确定热回收机组的大小，然后其余部分负荷由普通地源热泵机组承担。

本方案共配置2台螺杆式水源热泵机组PSRHH-Y7204，2台带全部热回收的螺杆式水源热泵机组PSRHH-Y2702-R，运行策略如下：1）夏天：白天4台热泵机组全部开启，提供7℃/12℃的空调冷冻水，同时利用全部热回收技术免费提供生活热水；晚上2台PSRHH-Y2702-R热泵机组开启，提供7℃/12℃的空调冷冻水，同时利用全部热回收技术免费提供生活热水。

2）冬天：三台热泵机组提供45℃/40℃的空调用热水，一台热泵机组PSRHH-Y2702-R单独提供生活热水。

3）过度季节：一台热泵机组PSRHH-Y2702-R单独开启提供生活热水。

3.2.2 地埋设计地埋管的设计关乎地源热泵系统运行期间的效果，设计内容包括地埋管的形式、钻孔的数量、直径、深度及间距等。

由于U形埋管施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，同时由于现场打井面积有限，故推荐本工程中选择并联双U竖直埋管的方式。

U 形管型是在钻孔的管井内安装U 形管，一般管井直径为100～150mm。

结合PE管的承压、钻机的施工难度、埋管面积等综合因素考虑，本工程埋管深度暂定为100m。

参考地源热泵系统技术规范（GB50366-2005）规定埋管间距为3~6m，按照不小于4m间距设计完全能保证土壤耦合器正常使用。

考虑本工程采用双U型埋管，采用5m×5m间距设计。

而钻孔数量的设计需要根据系统需要承担的冷热负荷、当地地下岩土体的热物性及地质等因素决，设计流程见图2。

图2 钻孔数量计算流程图根据相关参数计算钻孔数量（考虑热聚集效应），本方案按照冬季制热工况选择计708口，计算其埋管场地，本工程中埋管占地总面积共需约17000m2。

土壤换热器埋设场地可选在建筑周围的绿化场地，也可采取建筑外场地与建筑基础下埋管配合的方式：即根据建筑占地面积以及周围允许埋管施工的绿化带面积，合理搭配，部分土壤换热器设于建筑外围，部分埋设于建筑基础下面。

3.2.4热平衡的解决措施一般情况下，医疗建筑中冬夏空调负荷以及运行的时间不一致。

导致在空调运行期间土壤换热器系统夏季累计向土壤的放热与冬季从土壤的取热量不一致。

由于土壤的导热系数很小，向土壤中释放的冷热量不能很快的带走，而是存储在附近的土壤当中，这样长期取放热量不平衡的冷热量堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力，造成其温度不断偏离其初始温度，并导致土壤换热器系统内循环水的温度随之变化以及系统运行效率逐年下降，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题。

该项目夏季供冷需求较大，而冬季室内存在设备散热等情况，供热需求较小。

为防止地下冷热堆积现象的发生，该空调系统中配置了两台冷却塔分别对应两台地源热泵机组，夏季进行调峰。

当夏季负荷较大时，开启冷却塔，以减小系统夏季向土壤的放热。

保持土壤西方量的平衡，保证系统常年运行的效果。

3.3 效益分析3.3.1 经济效益地源热泵技术相对比传统空调形式的经济效益体现在高效的制热制冷效率使得运行费用大大降低，获取相同的冷热量需要消耗更少的代价——高品位电能，即直接的经济效益体现间接的节能效果。

图3 地源热泵与常规空调系统运行费用比较地源热泵系统与两种常规空调系统空调费用及热水费用的对比如图3所示，由图可知，地源热泵系统比VRV+燃气锅炉全年运行费用节省113万元，比冷水机组+燃气锅炉全年运行费用节省184万元。

3.3.2环境效益传统空气源空调系统在夏季将室外空气作为冷源，大量的热量被排放至室外大气中，加剧城市“热岛效应”现象，其危害有损害人类身体健康、加剧地面污染、造成局部地区自然灾害、造成气候与物候异常[5]。

冷却塔“飘水”现象浪费水资源、污染环境、容易滋生致命的军团菌、溶血性链球菌等细菌，发生哮喘等疾病。

传统燃油燃煤燃气机电锅炉系统消耗不可再生及高品位电能，在日渐枯竭的不可再生能源形势面前，显然已不符合全世界的能源发展趋势和我国的能源结构调整成策略。

地源热泵技术将少用甚至不用以上传统的空调系统形式，大量减少或者消除以上的“热岛效应”、“漂水”、对不可再生能源及高品位电能的消耗。

地源热泵技术是一种新型清洁热源利用方式，充分利用可再生资源提取其中有效能量作为建筑能源，可减少燃煤、燃油、燃气对大气环境的污染，提高环境质量；因此，其社会效益、环境效益明显。

以燃烧煤炭的火力发电为参考，计算节电的减排效益。

根据专家统计：每节约1度（千瓦时）电，就相应节约了0.404千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克CO2、0.03千克SO2、0.015千克NO X。

本项目节电量达327.5万KWh/年，折合1323.1t标煤/年，可减少粉尘排放890.8t/年， CO2排放3265.2t /年， SO2排放98.25t/年，NO X排放49.125t/年。