1工程概况项目位于山东省济南市（北纬36°，东经117°），属于暖温带半湿润大陆性季风气候，其特点是四季分明，夏热冬冷，极端最低气温为-14.9 ℃，极端最高气温为40.5 ℃，年平均气温14.7 ℃，年平均降水量671.1 mm。该项目是济南市高新区某医院1#病房楼，建筑面积25 482.18 m2，建筑高度49.8 m，地下1层，地上11层。各层功能如下：地下1层为配电室、设备机房；1层为入口大厅、超市、培训室和监控室；2~11层为护理单元，每层有48个床位，本单体设计床位480个。2生活热水系统设计2.1设计参数根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）要求，病房楼需设置全日制集中生活热水供应系统，供水温度为60 ℃。在竖向将热水系统分为高区和低区，高区为7~11层，低区为1~6层，均设置为上行下给双管全循环形式，设计热水耗热量均为1 801 800 kJ/h。生活热水用水量如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.003.T001表1生活热水用量设计建筑用途用水单元/人生活用水量定额q/［L/（人·班）］时变化系数Kh用水时间/h最高日用水量Qd/（m3/d）最大时用水量qh/（m3/h）合计————92.415.5办公楼360702.6825.28.2病房4801402.62467.27.32.2热源配置方案济南日照充足，年平均日照时间可达2 300 h，年平均太阳辐照量可达5 016 MJ/m2，具有丰富的太阳能资源。该项目地势平坦，市政条件成熟，地块周围有燃气管道可接入本项目供燃气锅炉制备生活热水。因此，该项目既可以使用太阳能热水系统，也可以采用燃气锅炉制备生活热水。采用太阳能热水系统时，为了避免连续阴雨天气或太阳能不足造成的热水供应不足，一般采用辅助热源，如燃气锅炉或空气源热泵。方案一：燃气锅炉。以锅炉高温热水为热媒，利用换热器加热冷水至60 ℃。医院热水供应系统的锅炉不得少于2台，1台检修时，其余锅炉的总供热能力不得小于设计小时耗热量的50%[1]。系统组成为锅炉、锅炉热媒循环水泵、换热器、生活热水循环泵。方案二：空气源热泵+燃气锅炉。空气源热泵中的压缩机做功，将空气中的热能转移到水中，并将热水送至水箱。济南位于寒冷地区，不宜设置空气源热泵单独加热，需要设置辅助热源，使热水系统在气温最低的月份也可以正常运行。系统组成为空气源热泵、燃气锅炉、热水循环泵、换热器。方案三：太阳能集热器+燃气锅炉。太阳能集热器集中设置于屋面，以太阳能热水作为热媒，设置燃气锅炉加热，使水温达到设计温度。太阳能不足时，采用燃气锅炉制备高温热水。系统组成为太阳能集热系统、板式换热器、锅炉、热水循环系统。方案四：太阳能集热器+空气源热泵。工作原理同方案二，空气源热泵为辅助热源，与太阳能集热器共同加热冷水。该系统可以利用温差自动控制热水循环，空气源热泵也可根据太阳能的实际运行情况自动切换运行模式。系统组成为太阳能集热系统、空气源热泵系统、板式换热器、热水循环系统。热源性能比较如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.003.T002表2热源的性能比较制热方式热源节能性环保性适用范围安全性占地面积燃气锅炉燃气较低有烟气排放有燃气供应的场合均适用、所有气候均适用热源稳定、管道存在泄露风险需专门机房空气源热泵空气能较节能无污染-25 ℃以上温度环境均适用机组水电分离、无漏电风险需良好通风条件、根据屋面情况摆放太阳能集热器太阳能节能无污染阴雨天、低温天气不适用按全天供热需求考虑辅助热源屋面需有平整开阔空间放置太阳能集热器由表2可知，在节能性、环保性及安全性方面，空气源热泵与太阳能集热器均优于燃气锅炉[2]。在占地面积方面，建筑屋面宽阔平整，能够满足空气源热泵与太阳能集热器的摆放布置。项目所在地为济南，当地历史极限最低环温不低于-25 ℃，常年最低温度不低于-10 ℃，且项目仅为供热水使用，所以空气源热泵相对燃气锅炉优势更大，太阳能集热器与空气源热泵相结合可满足极端天气医院热水的供应。综合考虑，太阳能集热器+空气源热泵是热源供应方式的最佳选择。3经济性分析3.1集热器面积计算太阳能系统的集热面积由热水负荷（产水量）和管道热损失率确定，根据现场情况及项目提供用水资料，本项目每天设计产水量为45 t/d，所需集热器面积为[3]：Ac=Qw×Cwtend-ti×f/Jrηcd1-ηL (1)式中：Qw——日均用水量，45 000 kg；ηcd——集热器全日集热效率50%~60%，取55%；Ac——直接系统集热器采光面积，m2；Jr——所在地集热器总面积的月平均日太阳辐照量，MJ/m2；f——太阳能保证率0.4~0.8，取0.55；tend——储水箱内水终止温度，60 ℃；Cw——水的定压比热容，4.18 kJ/(kg·℃)；ti——水的初始温度，取14 ℃；ηL——管道及储水箱热损失率0.20~0.30，取0.20。其中Jr为所在地集热器受热面上月均辐照量，根据济南地区平均日集热量表，计算结果取3月、4月、6月、9月、10月的平均值，计算可得Jr=14.455 MJ/m2，太阳能集热器面积Ac＝801 m2。1#病房楼因露面造型和设备问题导致安装太阳能使用面积有限，本系统集热器选用横式方柱型集热器，每台集热器的集热面积为7.7 m2，总计使用104组太阳能集热器，每组使用50支真空管，直径58 mm、长1.8 m。3.2空气源热泵计算在最不利环境条件下，满足热水供应需求的空气源热泵供热量计算[4]：Qg=Q3 600H (2)式中：Qg——空气源热泵供热量；Q——热水加热量，kJ，本项目中Q=19 311 600 kJ；H——热泵机组运行时间，取16 h/d。其中，热水加热量计算[5]：Q=CwMt2-t1 (3)式中：M——热水量，kg；Cw——水的定压比热容4.18 kJ/(kg·℃)；t2—热水加热温度，取60℃；t1——冷水温度，取10 ℃。代入数据，Qg=335 kW。空气源热泵主机选取的数量应≥2台[6]。因此选择2台制热量为172 kW的空气源热水机组可满足要求。设置辅助热源时，辅助热源的供热量[7]：QF=Qh-Qg (4)式中：QF——辅助热源供热量，kW；Qh——设计小时供热量，kW。式(4)适用于空气源热泵作为主热源、其他热源作为辅助热源的情况。太阳能集热系统作为主热源、其他热源作为辅助热源时，式(4)计算辅助热源供热量的方法同样适用。3.3主设备配置及初投资4种方案主设备配置及初投资情况如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.003.T003表3方案设备配置及初投资价格方案名称单价/万元数量小计/万元方案一燃气锅炉30.002台60.00燃气热水循环泵1.202台2.40板式换热器（换热面积≥60 m2）2.401个2.40生活热水循环泵1.204台4.80总计——69.60方案二空气源热水机组（Qg=172 kW，P=42 kW）4.502组9.00燃气锅炉30.002台60.00燃气热水循环泵1.202台2.40板式换热器2.401个2.40空气源热水循环泵7.004台28.00储水罐（45 m3）0.892台1.78生活热水循环泵1.204台4.80总计——108.38方案三太阳能集热器0.24104组24.96控制系统0.881套0.88太阳能集热循环泵1.002台2.00高区热水变频增压泵0.742台1.44低区热水变频增压泵0.682台1.36太阳能集热储热水箱45 m30.892台1.78太阳能集热供热水箱8 m31.302台2.60燃气锅炉30.002台60.00燃气热水循环泵1.202台2.40板式换热器（换热面积≥60 m2）2.401个2.40生活热水循环泵1.204台4.80总计——104.62方案四太阳能集热器0.24104组24.96控制系统0.881套0.88太阳能集热循环泵1.002台2.00高区热水变频增压泵0.742台1.44低区热水变频增压泵0.682台1.36太阳能集热储热水箱45 m30.892台1.78太阳能集热供热水箱8 m31.302台2.60空气源热水循环泵7.004台28.00空气源热水机组（选用单台172 kW）4.502组9.00热水循环泵1.304台4.20热水热源循环泵1.102台2.20板式换热器（换热面积≥60 m2）2.401个2.40总计——80.82方案一作为传统热源方案设备配置较简单初投资最少，为69.6万元。方案二设置的空气源热泵与燃气锅炉系统较方案一复杂，在燃气锅炉的基础上增加了空气源热泵，因此初投资较高，为108.38万元。方案三设置了太阳能系统设备，投资费用增加，初投资为104.62万元。方案四设置了太阳能系统设备和空气源热泵等配套设施，费用较方案一有所增加，空气源热泵配套设备费用低于燃气锅炉等设备，初投资低于方案三，为80.82万元。3.4运行成本比较分析运行费用分析采用的数据为：济南年平均日照天数300 d，济南燃气燃烧热值取35 MJ/m3，商用天然气价格经查资料为3.3 元/m3；燃气锅炉燃烧热效率取85%；电费为0.668 元/kWh。（1）方案一。全年生活热水耗热量31 567 GJ；全年生活热水耗气量31 567 000÷35÷0.85=1 061 075 m3；全年生活热水耗燃气费用1 061 075×3.3=350万元。（2）方案二。全年空气源热泵预热量为10 565 GJ；空气源热泵COP=172÷42=4.1；全年燃气锅炉再热量为31 567-10 565=21 002 GJ；全年燃气锅炉再热耗气量为21 002 000÷35=600 000 m2；全年燃气锅炉再耗燃气费用600 000×3.3=198万元；全年热水系统运行费用48+198=246万元。（3）方案三。全年生活热水太阳能预热量4 017 GJ；全年燃气锅炉再热量31 567-4 017=27 550 GJ；全年燃气锅炉再热耗气量27 550 000÷35=787 143 m2；全年燃气锅炉再耗燃气费用787 143×3.3=260万元。（4）方案四。全年生活热水太阳能预热量4 017 GJ；全年生活热水空气源热泵再热量31 567-4 017=27 550 GJ；空气源热泵COP=172÷42=4.1；全年生活热水空气源热泵再热耗电费用0.668×27 550 000 000÷4.1÷3 600=122万元。经过上述运行费用的计算，方案一在无节能措施的情况下全年运行费用最高为350万元；方案二在设置燃气锅炉的基础上设置了空气源热泵，一部分热量来自电能，使运行费用降至246万元；方案三因设置了太阳能系统运行费用降低至260万元；方案四在设置太阳能系统的基础上将燃气锅炉替代为空气源热泵，节能效果更明显，全年运行费用为122万元。4结果与讨论分析4个方案初投资及运行费用，结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.003.T004表4方案初投资及运行费用情况名称方案一方案二方案三方案四所需面积机房机房+热泵机组面积机房+室外屋顶（太阳能集热板面积）机房+屋顶太阳能集热板面积+热泵机组面积初投资/万元69.60108.38104.6280.82运行费用/（万元/a）350246260122机房面积方面，方案一传统热源所需设备较少，节省用地；方案二、方案三和方案四因系统较为复杂，设备较多，占地面积没有优势，且太阳能集热器与空气源热泵对屋面与室外面积有一定要求。初投资方面，方案一传统热源初投资较少，优势明显；方案二、方案三和方案四因设备较多，初投资较高。在运行费用方面，方案一传统热源需消耗较多天然气，且天然气价格高，全年运行费用在4种方案中最高；方案二设置了空气源热泵，一部分热量靠空气能与电能转化，天然气消耗量较方案一有所减少，且电能价格比天然气价格低，所以运行费用比方案一低；方案三、四由于太阳能系统的设置，充分利用良好的日照资源，节能效果显著，尤其方案四太阳能系统与空气源热泵相结合的方式，节能作用更明显，全年运行费用最低。综合考虑初投资和运行费用，方案一最高，方案四最低。故项目所在地如果有较合适的气候条件，推荐考虑太阳能或空气源热泵等节能措施，因此选择方案四作为本项目的热水供应方式。