學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)——我校新校區(qū)學(xué)生公寓A棟集中式生活熱水系統(tǒng)龍權(quán)釗機(jī)電工程系熱能和動(dòng)力工程專業(yè)指導(dǎo)老師王健敏摘要：本設(shè)計(jì)依據(jù)舒適、經(jīng)濟(jì)、管用、便于管理的原那么，充分考慮節(jié)能和環(huán)保的要求，通過(guò)對(duì)各種熱水系統(tǒng)進(jìn)展經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)合我校新校區(qū)學(xué)生公寓的運(yùn)用狀況，接受空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，完成了我校新校區(qū)學(xué)生公寓A棟集中空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的整個(gè)工程設(shè)計(jì)。并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行限制方案進(jìn)展合理的設(shè)計(jì)，最大限度的發(fā)揮空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；生活熱水；熱泵熱水；學(xué)生公寓HotWaterSystemengineeringdesignforStudentApartmentwithCentralAirSourceHeatPumpLONGQuan-zhaoDepartmentofMechanicalandElectricalEngineeringHeatEnergyandPowerEngineeringFacultyAdviserWANGJian-minAbstract：Basedonsuchprinciplesascomfortability,economicalefficiency,practicalandconvenientformanaging,fullyconsideringtherequirementsforenergysavingandenvironmentalprotection,economicallyanalyzingeachkindofhotwatersystemandcombiningtheusingsituationofthestudentapartmentofournewcampus,thedesignadoptstheairsourceheatpumphotwatersystemtoaccomplishthewholeprojectdesignofitssysteminstudentapartment.Also,theproperdesignontheoperatingandcontrollingschemeofthesystemwascarriedtoplayitsroleassavingenergyfortheairsourceheatpumpsystemtothegreatestextent.Keyword:airsourceheatpump；lifehotwater；heatpumpandhotwater；studentapartment1前言改革開(kāi)放20多年來(lái)，廣東的經(jīng)濟(jì)、科技、教化等各項(xiàng)事業(yè)發(fā)生了天翻地覆的變更，高等教化也出現(xiàn)了前所未有的高速開(kāi)展。在八、九十年頭，學(xué)生用熱水主要依靠學(xué)生宿舍區(qū)建立的鍋爐房供應(yīng)的熱水，或設(shè)置分散式電熱水器。踏入新世紀(jì)，高等學(xué)校住宿學(xué)生人數(shù)增加，家長(zhǎng)和學(xué)生對(duì)學(xué)校生活水平和住宿管理水平的要求更高了，新建的學(xué)生公寓，大都趨向于安裝便于統(tǒng)一管理、熱水供至每間宿舍內(nèi)的集中式熱水系統(tǒng)。另一方面，我國(guó)正面臨環(huán)境污染和能源驚惶問(wèn)題。以煤的干脆燃燒為主的能源構(gòu)造和用能系統(tǒng)效率低下，是造成我國(guó)大氣污染緊要和能源短缺的主要緣由。如何選擇相宜的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，讓人口、資源、環(huán)境能夠得到和諧的開(kāi)展，合理、經(jīng)濟(jì)地為學(xué)生供應(yīng)良好的生活條件，這些都是學(xué)校要謹(jǐn)慎考慮的問(wèn)題。針對(duì)這種狀況，能耗低、效率高、無(wú)污染的空氣源熱泵供熱系統(tǒng)正在各大高校的學(xué)生公寓供熱系統(tǒng)中興起并推廣。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有高效節(jié)能、環(huán)保、平安、牢靠等優(yōu)勢(shì)[1]，既適用于集中安裝,也可以分戶安裝，使得我國(guó)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組市場(chǎng)空前旺盛，已有系列化的成型產(chǎn)品。不僅大型的集中供熱系統(tǒng)，而且越來(lái)越多的小型家用冷暖熱泵空調(diào)器、空氣源熱泵熱水器也投放市場(chǎng)?？諝庠礋岜脽崴a(chǎn)品越來(lái)越得到用戶的青睞，已經(jīng)成為市場(chǎng)上的新寵，標(biāo)記著空氣源熱泵技術(shù)在熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越成熟。本文通過(guò)對(duì)各種熱水系統(tǒng)進(jìn)展經(jīng)濟(jì)性分析，依據(jù)節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)管用、便于管理的原那么，結(jié)合運(yùn)用狀況，對(duì)我校新校區(qū)擬新建學(xué)生公寓的熱水供應(yīng)系統(tǒng)完成了整個(gè)工程設(shè)計(jì)，并進(jìn)展了運(yùn)行節(jié)能限制設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析。2設(shè)計(jì)根底和依據(jù)2.1工程概況仲愷新校區(qū)A棟學(xué)生公寓位于廣州市白云區(qū)，總建筑面積約為18710m2，公寓共六層，首層作為飯?zhí)?、商店、副食店、?shū)店等功能運(yùn)用；二至六層作為學(xué)生宿舍運(yùn)用。公寓共有390間宿舍房間，每個(gè)房間配有獨(dú)立的衛(wèi)生間和浴室，設(shè)計(jì)入住4人，每間浴室一個(gè)沐浴器，熱水系統(tǒng)全年向淋浴器供生活熱水2.2設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)主要有：建筑單位供應(yīng)的建筑圖紙和相關(guān)要求、《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50013-2003以下簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”〕、《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《給水排水標(biāo)準(zhǔn)圖集》等。2.3設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)地點(diǎn)在廣州市〔東經(jīng)：113.19，北緯23.08〕；室外年平均氣溫21.8℃。冬季空氣和冷水溫度低于夏季，制備生活熱水所需最大耗熱量出此時(shí)此刻冬季，因此取冬季參數(shù)為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。依據(jù)“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”，我校學(xué)生公寓每室四人已不是傳統(tǒng)集體宿舍那樣密集，和住宅更相近，所以熱水定額qh取住宅類定額較大值200l/h；熱水設(shè)備出口熱水水溫tr選取55℃，衛(wèi)生器具用水溫度th為40℃，冷水溫度tl取10℃；熱水水質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》——GB5749-2005的要求,考慮到高溫?zé)崴?jiǎn)潔結(jié)垢，對(duì)設(shè)備腐蝕，冷水補(bǔ)水先進(jìn)展軟化處理。3工程設(shè)計(jì)3．1熱水量和耗熱量的計(jì)算學(xué)生白天上課，學(xué)生公寓生活熱水主要用于淋浴，頂峰運(yùn)用時(shí)間在黃昏和晚上，從學(xué)生運(yùn)用特點(diǎn)和學(xué)校管理便利的要求啟程，接受定時(shí)供應(yīng)的熱水管理方法，供水時(shí)間τ為每天17：00至19：15和21:15至23:00，共四小時(shí)。因?yàn)槊克奚嶂挥兴娜?，平均每人每次淋?5~30分鐘，因此，供水期間衛(wèi)生器具的平均運(yùn)用率不大于50%。定時(shí)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，在衛(wèi)生器具的運(yùn)用水溫下的小時(shí)熱水量計(jì)算公式*0.5[2](1)式中——在衛(wèi)生器具運(yùn)用水溫條件下的混合熱水量，L/h;——同類型衛(wèi)生器具數(shù)，A棟為390；——系統(tǒng)衛(wèi)生器具同時(shí)運(yùn)用百分?jǐn)?shù)，取70％[2]。運(yùn)用水溫順設(shè)備出水溫度換算系數(shù)Kt〔主機(jī)供應(yīng)55℃熱水量占混合水量的百分?jǐn)?shù)〕計(jì)算公式[2](2)接受定時(shí)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，熱水主機(jī)設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量〔55℃〕計(jì)算Qr=KrQq.(3)熱源每天所需總供熱量為：Qd=τQrCρr(tr-tl)kw(4)Qd——集中熱水系統(tǒng)的每天總耗熱量，；C——水的比熱，4.187KJ/〔kg.℃〕；ρr——熱水密度，0.986kg/L〔55℃從削減設(shè)備配置和投資并便于管理考慮，設(shè)定機(jī)組定時(shí)運(yùn)行8h，分時(shí)段供熱水4h，總的熱水量和耗熱量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1表1定時(shí)供熱水系統(tǒng)熱水量和耗熱量計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)分類定時(shí)供水時(shí)間h機(jī)組運(yùn)行時(shí)間h設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量QrT/h設(shè)計(jì)每天熱水總量T/d熱源小時(shí)供熱量kw每天總供熱量KJ/d定時(shí)集中熱水系統(tǒng)4818.272.847037603．2總體方案的設(shè)計(jì)3．2．1熱水系統(tǒng)的分區(qū)六層的學(xué)生公寓是多層建筑，不考慮豎向分區(qū)?？紤]到建筑物特有的形態(tài)以及建筑構(gòu)造，對(duì)建筑進(jìn)展橫向分解，詳細(xì)的分區(qū)如圖1所示，分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，各區(qū)設(shè)置1個(gè)熱水系統(tǒng)。3．2．2熱源的選擇在選擇熱源時(shí)須要考慮地區(qū)的氣溫、日照狀況，利用現(xiàn)有的資源，合理選擇經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的熱源。對(duì)各種能源或熱源設(shè)備從熱效率、能效比等進(jìn)展比擬分析[3]，由表2可知道，燃料熱效率或設(shè)備熱效率最高的是熱泵熱水機(jī)組，從能量利用的角度看，空氣源熱泵機(jī)組是最志向的選擇；從經(jīng)濟(jì)的角度看，煤作為燃料制熱水，由于本身存在價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有必需的經(jīng)濟(jì)性，燃煤鍋爐作為傳統(tǒng)的供熱方式始終存在到今日也是得益于這個(gè)優(yōu)勢(shì)。但是，燃煤鍋爐對(duì)環(huán)境污染緊要，而且這種經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)也有片面性，表2僅對(duì)于燃料的消耗做經(jīng)濟(jì)比擬，沒(méi)有考慮到其設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，燃煤鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比擬高，燃料的供應(yīng)系統(tǒng)以及空氣供應(yīng)系統(tǒng)都須要消耗較多的電能。而表2中空氣源熱泵機(jī)組的費(fèi)用已經(jīng)包括了大局部的電能在內(nèi)，它經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)也是明顯的。因此，本設(shè)計(jì)熱源接受空氣源熱泵，主機(jī)布置在樓宇頂層。表2燃料低位發(fā)熱量和熱源設(shè)備的熱效率分析表燃料或熱源設(shè)備名稱燃料單位低位發(fā)熱量kcal熱源熱效率%實(shí)際轉(zhuǎn)化熱量kcal熱水所需的熱量kcal燃料單位價(jià)格/元耗燃料數(shù)量熱水所需費(fèi)用/元標(biāo)煤公斤700060420045051.50.6410.736.86自然氣立方米860085731045051.53.466.1621.32液化石油氣公斤1050085892545051.56.65.0533.32電力度8609581745051.50.755.1438.60太陽(yáng)能度860250215045051.50.720.9514.67空氣源熱泵度860350301045051.50.714.9710.48注:1.表2中各種燃料低位發(fā)熱量及熱效率值參考文獻(xiàn)[3]；2.表中所需熱量的計(jì)算是遵照公式Q=C.m〔tr–tl〕，取1000千克水由15℃加熱到60℃熱水供應(yīng)方式的設(shè)計(jì)學(xué)生公寓晚上運(yùn)用熱水比擬集中，接受定時(shí)供應(yīng)熱水比擬合理和經(jīng)濟(jì)。由于白天室外空氣溫度較高，空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行的COP值較高，消耗一樣的電能，得到更多的熱量，從而到達(dá)節(jié)能、省電的目的，因而接受空氣源熱泵熱水機(jī)組為熱源加蓄熱水箱全蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行方式。機(jī)組白天運(yùn)行8小時(shí)制熱水，將滿足全天用水要求的熱水集中存儲(chǔ)在蓄熱水箱中，到供水時(shí)間用供水泵從蓄熱水箱向用戶系統(tǒng)管網(wǎng)供水?？紤]到供水的便利，以及熱水的水力平衡，熱水從蓄熱水箱出來(lái)經(jīng)主干管分到立管，由立管往下向每個(gè)宿舍供應(yīng)熱水。為了更好的補(bǔ)充配水管網(wǎng)熱量損失，保證配水點(diǎn)的水溫，選用立管循環(huán)，循環(huán)管RH在立管底部和供水立管底部連接。設(shè)置補(bǔ)水泵，在機(jī)組運(yùn)行的制熱過(guò)程加壓補(bǔ)水。圖2是系統(tǒng)的原理圖，圖2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖3．3熱水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)3.熱水管網(wǎng)的橫干管敷設(shè)在頂層，沿水流方向保證不少于0.003的坡度[4]，供水管越走越高，循環(huán)管沿水流方向下降；供水管高處設(shè)置自動(dòng)排氣閥，循環(huán)管低處設(shè)置排污閥；干管上設(shè)置水紋管補(bǔ)償器；立管穿樓板時(shí)加上套管，套管內(nèi)徑比通過(guò)的熱水管外徑大2號(hào)，中間間隙填上密封防水填料。熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的蓄熱水箱、熱水供水干管和立管，循環(huán)干管和立管等可能產(chǎn)生熱損失的地方接受保溫措施，以削減無(wú)效熱損失。保溫層厚度可以參照文獻(xiàn)[4]進(jìn)展估算。選用聚苯乙烯作為管道的保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.041W／(m·℃)；而蓄熱水箱接受灌裝硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料作保溫〔水箱配套材料〕，設(shè)備在接受保溫措施之前，進(jìn)展防腐處理。保溫材料和管道或設(shè)備外壁嚴(yán)密相貼，在保溫層外外表做防護(hù)層。按常規(guī)工程設(shè)計(jì)計(jì)算方法確定每段水管的管徑〔詳見(jiàn)圖紙上管徑標(biāo)注〕，熱水管道中的水流速度一般接受0.8～1.2m/s[2]。計(jì)算最不利循環(huán)管路和最不利配水管路總的阻力損失分別為98.8kPa和44.59kPa。熱水泵的揚(yáng)程除路總阻力外還需克制設(shè)備阻力、出口余壓〔開(kāi)式局部有〕并保證10%的余量。蓄熱水箱和補(bǔ)水配置方式的選擇由于傳統(tǒng)的循環(huán)加熱配置方式存在著許多缺乏，影響運(yùn)用的舒適性,所以我校學(xué)生公寓擬接受單水箱定溫配置系統(tǒng)。自來(lái)水經(jīng)軟化處理后，干脆補(bǔ)水至空氣源熱泵熱水機(jī)組，滿足客戶運(yùn)用要求的高溫水從主機(jī)排向保溫蓄熱水箱儲(chǔ)存?zhèn)溆?補(bǔ)水的限制由補(bǔ)水電磁閥限制，以保證補(bǔ)水在合理的范圍內(nèi)，得到預(yù)設(shè)的機(jī)組出水溫度。3．4主要設(shè)備的選型計(jì)算3．4．.1空氣源熱泵熱水機(jī)組及水箱選型依據(jù)各分區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，選約克商用機(jī)組系列的空氣源熱泵熱水機(jī)組；蓄熱水箱接受全蓄熱方式，選用組裝式不銹鋼保溫水箱〔灌裝硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料作為保溫的材料，取λ=0.035W／(m·℃)〕，各個(gè)分區(qū)詳細(xì)選型見(jiàn)表3。和表1所需的供熱量和供熱水量相比，可滿足要求。表3各分區(qū)系統(tǒng)的熱源設(shè)備計(jì)算選型結(jié)果分區(qū)分區(qū)宿舍數(shù)熱水量T/D供熱量負(fù)荷kw所選熱泵機(jī)型熱泵數(shù)量臺(tái)額定制熱量kw額定溫度℃所選蓄熱水箱型號(hào)蓄熱水箱容量TA10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010×2B10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010×2C10018.6120.5YCAB120RC112355BXG-1010×2D801596YCAB120RC112355BXG-88×23．4.2熱水泵的選擇計(jì)算水泵入口設(shè)Y型過(guò)濾器；在水泵出口管道上裝設(shè)止回閥，防止水泵停頓運(yùn)行后發(fā)生水倒流，水擊葉輪。熱水水泵的臺(tái)數(shù)和分區(qū)熱水系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng),并考慮一臺(tái)備用?？紤]到循環(huán)泵在定時(shí)熱水供應(yīng)中的運(yùn)行時(shí)間較短，定時(shí)供水前約10min左右，且和補(bǔ)水時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)及削減投資，補(bǔ)水和循環(huán)合用一臺(tái)水泵，后面提到的循環(huán)泵或補(bǔ)水泵都是指同一泵。遵照補(bǔ)水泵的流量和揚(yáng)程來(lái)選取。依據(jù)流量及計(jì)算結(jié)果選擇各個(gè)分區(qū)水泵選型如表4：表4熱水配水泵計(jì)算和選型系統(tǒng)分區(qū)配水泵計(jì)算和選型所需流量m3/h所需揚(yáng)程m型號(hào)額定流量m3/h額定揚(yáng)程mA1112.85DFRG40-125(I)A/2/1.11414.3B1112.3DFRG40-100(I)/2/1.112.512.5C1011.5DFRG40-100(I)/2/1.112.512.5D811.2DFRG40-100(I)/2/1.18.813.6補(bǔ)水泵23.414DFRG50-125(I)/2/32520注：配水泵每區(qū)兩臺(tái)，一用一備補(bǔ)水泵為A、B區(qū)共3臺(tái)2用一備,C、D區(qū)共3臺(tái)2用一備3．5運(yùn)行方案和計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)定主機(jī)早上9：00起先進(jìn)展熱水的制備，主機(jī)設(shè)定出水溫范圍是55℃～58℃〔由電動(dòng)閘閥限制冷水的補(bǔ)水量來(lái)實(shí)現(xiàn)〕，超過(guò)了60℃就啟動(dòng)愛(ài)惜措施停機(jī)。符合要求的熱水在蓄熱水箱中存儲(chǔ)，當(dāng)蓄熱水箱水位到達(dá)設(shè)定值，液位信號(hào)器就會(huì)把信號(hào)變送到限制器，由限制器發(fā)出停機(jī)的信號(hào)，主機(jī)和循環(huán)泵都停頓，熱水的制備過(guò)程完成。剛剛啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，蓄熱水箱的水溫可能不符合要求，可以通過(guò)內(nèi)循環(huán)管，把水箱連接到主機(jī)進(jìn)口端，進(jìn)展加熱，每天16:45和21:00,供水前運(yùn)行主機(jī)及循環(huán)水泵10分鐘左右，以保證管網(wǎng)內(nèi)供水溫度，然后停用循環(huán)泵，當(dāng)檢測(cè)到供水水壓不能滿足要求時(shí)，啟動(dòng)加壓配水泵供水。系統(tǒng)在各種模式下運(yùn)行時(shí)的限制狀況，詳細(xì)見(jiàn)圖3和表5，表中和圖的符號(hào)是對(duì)應(yīng)的，其中P1是供水泵，P2是循環(huán)泵，P3是補(bǔ)水泵〔兼作為內(nèi)循環(huán)泵〕。圖3限制原理簡(jiǎn)圖表5不同狀況下的運(yùn)行調(diào)整各種模式F1F2F3F4F5P1P2P3主機(jī)水箱內(nèi)循環(huán)預(yù)熱調(diào)整關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)正常運(yùn)行模式調(diào)整關(guān)關(guān)關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)管道循環(huán)預(yù)熱調(diào)整關(guān)關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)供應(yīng)熱水關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)關(guān)接受按流量運(yùn)用收費(fèi)的計(jì)費(fèi)方式，每個(gè)宿舍安裝一個(gè)感應(yīng)式智能IC卡熱水表。插卡即出水、拔卡即停水，收費(fèi)單價(jià)由系統(tǒng)管理員在管理軟件中設(shè)定，用戶可以通過(guò)管理員剛好對(duì)卡進(jìn)展充值，將購(gòu)置的水量寫入用戶卡。3．6耗能計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析空氣源熱泵熱水主機(jī)YCAB120RC的輸入功率為25.2kw，各種水泵的輸入功率均為1.1kw。假設(shè)機(jī)組都在額定功況下運(yùn)行〔4個(gè)分區(qū)系統(tǒng)都正常投入運(yùn)用〕，主機(jī)一天運(yùn)行8小時(shí)，耗電量25.2×8×4=806.4度；補(bǔ)水泵一天運(yùn)行8小時(shí)，耗電量1.1×8×4=35.2度；供水泵一天運(yùn)行4小時(shí)，耗電量1.1×4×4=17.6度；循環(huán)泵〔包括內(nèi)循環(huán)〕耗電量約取3×4=12度，綜合計(jì)算該系統(tǒng)一天耗電量為871.2度，電費(fèi)遵照0.7元/