1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
1.研究医院暖通空调系统背景与意义
由于人口增长和人均能耗增加，世界能源消耗量显著增加。能源需求量日益提高，但现有化石燃料源在不断枯竭。这促使我们要更高效地使用能源。研究表明，医院能源消耗量约占了公用建筑能源消耗总量的6%。供暖，通风和空调（HVAC）系统的电耗是医院能耗的主要组成部分，是空调节能的主要内容[1]。中央空调能耗主要包括空调冷热源；空调机组及末端设备以及水或空气输送系统[2]。在这三部分能耗中，冷热源能耗约占总能耗的一半，所以对医院的暖通空调系统冷热源进行优化设计有较为重大的意义。
2.常见的医院暖通空调系统的研究现状
医院暖通空调系统的冷热源选择是多种多样的，其中最常用的是冷水机组 锅炉、空气源热泵和热源塔热泵三种方式。冷水机组 锅炉就是夏季用冷水机组供冷，冬季用锅炉烧热水供暖，也可以由热电厂或集中供热站供应蒸汽，经换热器转换成60℃热水，供空调机组使用[3]。空气源热泵则是冬季从室外空气中吸热并向室内放热，夏季则放热给室外空气成为冷热源[3]。而热源塔热泵是一种以空气为热源，通过塔体与空气进行热量交换，实现制冷、供暖及提供生活热水等多种功能的新型节能设备。热源塔热泵系统的热源虽然也来自于空气，但它有别于传统空气源热泵从空气中获取能量的方式，而是利用水源热泵将热源塔从空气中吸收的低品位热能用于空调制冷、供暖和提供生活热水。在夏季，热源塔热泵机组把热源塔用作冷却塔，利用水的蒸发散热，能效比可达5.5以上;在冬季，热源塔热泵机组利用冰点低于0℃的载体介质，高效提取-9℃以上、相对湿度较高的低温环境下空气中的低品位热能进行供热，解决了传统空气源热泵冬季结霜问题，省去了传统空气源热泵的电辅加热，节能性大大增加[4]。
2.1冷水机组和锅炉
冷水机组是常见的空调冷源，主要由蒸发器，冷凝器，压缩机和膨胀阀构成。常用的空调冷水机组主要有蒸汽压缩式冷水机组和吸收式冷水机组。压缩式冷水机组是以电能为动力的,按照压缩机的种类又可分为离心式、螺杆式、活塞式和涡旋式冷水机组。吸收式冷水机组是以热能为驱动力的,通常有单效和双效之分,其工质一般采用溴化锂水溶液[5]。如今的建筑物在通风和空调上消耗越来越多的能量，吸收式冷水机组相比于传统的机组有更好的性能，不仅能控制房间的温度和湿度，还能有效减少室内有害的化学物质等[6]。
冷水系统的优缺点很明显，优点有初投资低 (房间空调器除外)，供电总容量与水源热泵、多联机相比较少；运行费比较低；主机寿命最长，按美国ASHRAM标准为23年；而且制冷机和水泵以及冬季换热器集中在一个机房中便于维修。缺点则是系统太庞大，难以进行分户计量、分户控制和假日个别房间使用。所以一般都另配几套多联机，给加班多的房间使用，也可以采用多机头冷水机组或大小搭配，以满足低负荷的需求；机房空间大，管道占空间多；冷却塔有一定噪声，放裙房顶上时必须妥善处理，冷却塔也有损美观[3]。更重要的是冷水机组的运行性能不但受自身因素的影响,还受其所处的运行条件的影响。在对各种影响因素进行分类时,可以先分成两大类，即内部因素和外部因素。内部因素反映的是冷水机组的型式、制造水平、压缩机的类型、制冷剂的种类以及充装量等；外部因素则是指冷水温度、冷却水温度等影响蒸发和冷凝温度的因素[7]。
按冷凝器不同冷水机组可分为两大类，空冷和水冷。就机组的全负荷性能来讲 , 风冷式冷水机组的单位制冷量的耗电量要比水冷式冷水机组大得多。但不能就此认为风冷式冷水机组的全年运行能耗一定要比水冷式冷水机组大，因为空调负荷总是随室外气象参数的变化而变化的，冷水机组实际运行过程中大部分时间都是处于部分负荷运行状态[8]。相同满负荷能效比的冷水机组，在部分负荷下的运行费用有可能会相差10%以上[2]。所以选取何种方法应根据工程情况而定。
对于如何节约冷水机组的能耗，以往的控制策略是以空调的负荷来控制冷水机组的起/停，基本上未考虑单台冷水机组的能耗比，一般都是接近在线运行冷水机组的满负荷才考虑加载。尽管多开一台冷水机组要消耗能量，但是研究表明, 多开一台冷水机组能使在线运行的所有冷水机组都处于最佳或者比较佳的能耗比，在一定条件下也能节省能量[9]。而且现有的空调水系统中，基本上都是采用一次泵定流量系统，而实际运行中冷水机组多数时间都不是在额定负荷下运行，这导致了一次泵定流量系统中常会出现大流量，小温差的情况，致使冷水机组的实际运行能效比较低，不利于节能。故随着冷水机组技术的完善和变频技术的普及，越来越多建筑的中央空调系统开始采用一次泵变流量系统以节约能源[10]。冷水机组示意图如下。
图1.冷水机组示意图 |
图2. 典型的锅炉供暖示意图 |
锅炉是建筑工程供暖体系当中的重要组成部分，只有采取有效的措施降低锅炉能耗，才能有利于加快绿色节能建筑的建设进程及有效保护建筑环境。由于锅炉的供暖节能问题涉及到多方面因素，所以为了能够实现节能供暖，不但应从锅炉设计方面入手采用多种节能工艺，同时还要优化供暖方式，如采用向下供暖技术及连续供暖方式等。此外，还应考虑到常压锅炉的种类，对于燃煤、燃气型锅炉，则应注意提高燃烧效率，对于电锅炉，则应降低电能损耗[12]。而锅炉供暖的能耗较高是因为锅炉燃烧设备密封性不佳，锅炉结构太大监测调节困难导致锅炉热效率水平较低[13]。而且缺少统一规划，加之集中供热起步晚、不完善造成了许多不必要的能源浪费[14]。
在当前的技术条件支持下，锅炉运行负荷的调节方式主要有两种不同的途径，其一为间歇性供暖，其二为连续性供暖。一般采用连续性供暖，因为锅炉频繁起火、压火会引起的煤炭以及热量损耗，使能源利用率下降。当然，采用何种方式还是要根据实际工程决定。在现阶段，我们无法在设备层面上提高锅炉供暖效率，所以我们只有加强管理，采用合适的供暖方法，尽可能的节约能源[15]。正是应为其有这样那样的缺点，有些人就提出用热电联产系统锅炉代替传统的柴油蒸汽锅炉[16]。
2.2空气源热泵
近些年来空气源热泵在我国发展不错，市场占比逐年提高据统计，2014年市场上多联机与单元机等空气源热泵的市场占有份额已达53%。针对日前全球气候变暖,PM2.5等环境压力，锅炉作为城区排放的来源，在一些地区被禁止或限制，为热泵供暖提供了良好的发展机遇;而空气源热泵因其可制冷制热，占用空间小，安装方便灵活，成为近年来备受关注的一种新型节能与清洁能源[17]。空气源热泵如图所示。
图3. 空气源热泵示意图 |
对于医院建筑中的住院病房等，与蒸汽锅炉加溴化锂冷水机组的形式比较，采用空气源热泵系统来实现供冷、供热(空调用热水和生活用热水)从技术性和经济性来看，可以节省部分能源开支；但是需要对建筑的空调供冷、供暖以及热水供应系统进行整体性的设计，进行冷量和热量等的平衡计算[18]。
空气源热泵的主要分为两类：空气空气型和空气一水型。空气一空气型热泵最大的优点就是结构简单，安装方便。从原理上讲，空气一空气系统适于夏季空调，而不适合冬季供热。空气一水系统出现的较晚，它在一定程度上克服了空气一空气型热泵的缺点，比较适合冬季供暖的要求[19]。后者有较高的发展潜力，可以解决我国大部分地区冬季供暖问题。
现阶段，空气源热泵广泛用于长江中下游、华南及西南，夏季供冷冬季供暖，尤其是冬季，室外温度高于5℃，冬季供热效果良好。但是当空气源热泵应用于黄河流域、华北地区，往往由于室外温度过低，而出现使用效果不佳的现象[20]。经过前人的研究我们发现采用两级压缩是较好的方法[21]。但这并不是说多级压缩比单级好。在某些情况下，单级热泵的性能优于多级热泵[22]。所以选择一定要切合实际。
在提供相同热量的情况下，空气源热泵比锅炉消耗的一次能源要少，所以在部分地区将空气源热泵与冷水机组混合使用，达到节能的目的。
2.3热源塔
热源塔(也称能源塔)热泵是一种不受地区地质和自然环境的限制的一种新兴的单一热源热泵系统，近年来逐渐应用于南方地区的大中型建筑中[23]。
作为一种较新的技术，热源塔在应用上还未普及，研究的人员也不太多，发表的文献也较少。但是，它与我国南部地区气候条件相匹配，是未来空调冷热源的发展方向之一。其结构及形式尚在不断地改进过程中，还有许多相关问题尚需解决，如由于系统在冬季运行过程中蒸发器温度降低，因而需要采用防冻溶液，溶液对金属有腐蚀性且溶液有吸湿性能；当室外温度非常低(低于-15℃)时，系统效率很低，且会出现不能正常运行的情况；由于热源塔在冬季运行过程中，存在部分溶液从塔中飘出的情况，对周围环境产生一定的影响等问题[24]。梁彩华等人[25]对再生溶液做了一些研究。
尽管如此它还是有许多优点：1. 节能效果显著，冬季，能源塔提取低品位能的性能比空气源热泵相对稳定，并且无结霜困扰。2.由于利用的是可再生能源，能源塔可大幅降低一次能源的消耗，同时大幅降低废水、废气、废渣等污染物的排放，环保作用突出。3. 在能源塔热泵与空气源热泵均全年运行的情况下，能源塔热泵机组能耗更小，磨损更轻，寿命更长。4. 系统设计简单，不需考虑热平衡和结霜问题。5. 能源塔热泵系统既可应用于新建建筑又适用于进行节能改造的既有建筑，适应性强[26]。
热源塔有三种典型的结构：开式结构，普通型闭式结构和改进型闭式结构[27]。开式结构由于冷却水及防冻溶液与空气直接接触换热效率高且结构简单造价低，但冷却水及防冻溶液易漂失；夏季水质难以得到保证，冬季防冻溶液冰点温度不稳定；溶液浓缩装置配置大。普通闭式结构冷却水及防冻溶液走管内，不会漂失且夏季水质好;冬季防冻溶液冰点温度稳定，但冷却水及防冻溶液与空气间接传热，换热效率低；冬季用于防比结霜的喷淋溶液容易漂失。改进型闭式结构冷却水与空气直接接触，夏季换热效率高；防冻溶液走管内，不会漂失，且冰点温度稳定；填料层可有效抑制喷淋溶液漂失，但冷却水容易飘失，水质难以得到保证；防冻溶液与空气间接传热冬季换热效率低。
三种冷热源方案各有优劣，在工程运用时要根据实际情况，合理选择。
3空调系统的经济型分析
在我国的不少工程建设项目中，建设单位和管理单位是分离的，导致建设方只重视一次投资、轻视运行能耗和费用。这是错误的。依据研究调查，一次投资只是寿命周期运行费用的零头[28]。空调冷热源系统，不但要考虑初投资的可控性和经济性，还要考虑长期运行的经济节能性，以及采购、安装和管理维护的简单便捷性等经综合定性比较[29]。
针对医院空调系统，由于医院有热水的需求，所以在选择系统时要考虑夏冬两季的热水供应，将其算在负荷内。设计一个医院的空调系统是复杂的[30]。设备每时每刻都在运行，但早晚间负荷变动很大，无法精确计算，所以设计时要留有余量。而余量大小直接影响成本。经济性分析需要将所有的成本都考虑在内，再对三个系统进行比较。所以要对医院项目进行经济性分析，必须先准较准确地估算出其热负荷。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
1.本课题要解决的问题
医院空调冷热源方案的节能评估与经济性分析主要是针对具体医院，进行空调负荷计算，设计出中央空调系统，并对多种空调系统冷热源从全寿命周期角度进行节能效果评估与经济性分析。
2.本课题拟采用的研究手段
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