學生公寓空氣源熱泵熱水系統工程設計

學生公寓空氣源熱泵熱水系統工程設計——我校新校區學生公寓A棟集中式生活熱水系統龍權釗機電工程系熱能和動力工程專業指導老師王健敏摘要：本設計依據舒適、經濟、管用、便于管理的原那么，充分考慮節能和環保的要求，通過對各種熱水系統進展經濟性分析，結合我校新校區學生公寓的運用狀況，接受空氣源熱泵熱水系統，完成了我校新校區學生公寓A棟集中空氣源熱泵熱水系統的整個工程設計。并對系統運行限制方案進展合理的設計，最大限度的發揮空氣源熱泵系統節能的優勢。關鍵詞：空氣源熱泵；生活熱水；熱泵熱水；學生公寓HotWaterSystemengineeringdesignforStudentApartmentwithCentralAirSourceHeatPumpLONGQuan-zhaoDepartmentofMechanicalandElectricalEngineeringHeatEnergyandPowerEngineeringFacultyAdviserWANGJian-minAbstract：Basedonsuchprinciplesascomfortability,economicalefficiency,practicalandconvenientformanaging,fullyconsideringtherequirementsforenergysavingandenvironmentalprotection,economicallyanalyzingeachkindofhotwatersystemandcombiningtheusingsituationofthestudentapartmentofournewcampus,thedesignadoptstheairsourceheatpumphotwatersystemtoaccomplishthewholeprojectdesignofitssysteminstudentapartment.Also,theproperdesignontheoperatingandcontrollingschemeofthesystemwascarriedtoplayitsroleassavingenergyfortheairsourceheatpumpsystemtothegreatestextent.Keyword:airsourceheatpump；lifehotwater；heatpumpandhotwater；studentapartment1前言改革開放20多年來，廣東的經濟、科技、教化等各項事業發生了天翻地覆的變更，高等教化也出現了前所未有的高速開展。在八、九十年頭，學生用熱水主要依靠學生宿舍區建立的鍋爐房供應的熱水，或設置分散式電熱水器。踏入新世紀，高等學校住宿學生人數增加，家長和學生對學校生活水平和住宿管理水平的要求更高了，新建的學生公寓，大都趨向于安裝便于統一管理、熱水供至每間宿舍內的集中式熱水系統。另一方面，我國正面臨環境污染和能源驚惶問題。以煤的干脆燃燒為主的能源構造和用能系統效率低下，是造成我國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系統，讓人口、資源、環境能夠得到和諧的開展，合理、經濟地為學生供應良好的生活條件，這些都是學校要謹慎考慮的問題。針對這種狀況，能耗低、效率高、無污染的空氣源熱泵供熱系統正在各大高校的學生公寓供熱系統中興起并推廣。空氣源熱泵熱水系統具有高效節能、環保、平安、牢靠等優勢[1]，既適用于集中安裝,也可以分戶安裝，使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前旺盛，已有系列化的成型產品。不僅大型的集中供熱系統，而且越來越多的小型家用冷暖熱泵空調器、空氣源熱泵熱水器也投放市場。空氣源熱泵熱水產品越來越得到用戶的青睞，已經成為市場上的新寵，標記著空氣源熱泵技術在熱水系統中的應用越來越成熟。本文通過對各種熱水系統進展經濟性分析，依據節能、環保、經濟管用、便于管理的原那么，結合運用狀況，對我校新校區擬新建學生公寓的熱水供應系統完成了整個工程設計，并進展了運行節能限制設計和經濟性分析。2設計根底和依據2.1工程概況仲愷新校區A棟學生公寓位于廣州市白云區，總建筑面積約為18710m2，公寓共六層，首層作為飯堂、商店、副食店、書店等功能運用；二至六層作為學生宿舍運用。公寓共有390間宿舍房間，每個房間配有獨立的衛生間和浴室，設計入住4人，每間浴室一個沐浴器，熱水系統全年向淋浴器供生活熱水2.2設計依據設計依據主要有：建筑單位供應的建筑圖紙和相關要求、《建筑給水排水設計標準》〔GB50013-2003以下簡稱“設計標準”〕、《給水排水設計手冊》和《給水排水標準圖集》等。2.3設計參數設計地點在廣州市〔東經：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此刻冬季，因此取冬季參數為本系統設計參數。依據“設計標準”，我校學生公寓每室四人已不是傳統集體宿舍那樣密集，和住宅更相近，所以熱水定額qh取住宅類定額較大值200l/h；熱水設備出口熱水水溫tr選取55℃，衛生器具用水溫度th為40℃，冷水溫度tl取10℃；熱水水質應符合現行《生活飲用水衛生標準》——GB5749-2005的要求,考慮到高溫熱水簡潔結垢，對設備腐蝕，冷水補水先進展軟化處理。3工程設計3．1熱水量和耗熱量的計算學生白天上課，學生公寓生活熱水主要用于淋浴，頂峰運用時間在黃昏和晚上，從學生運用特點和學校管理便利的要求啟程，接受定時供應的熱水管理方法，供水時間τ為每天17：00至19：15和21:15至23:00，共四小時。因為每宿舍只有四人，平均每人每次淋浴15~30分鐘，因此，供水期間衛生器具的平均運用率不大于50%。定時熱水供應系統，在衛生器具的運用水溫下的小時熱水量計算公式*0.5[2](1)式中——在衛生器具運用水溫條件下的混合熱水量，L/h;——同類型衛生器具數，A棟為390；——系統衛生器具同時運用百分數，取70％[2]。運用水溫順設備出水溫度換算系數Kt〔主機供應55℃熱水量占混合水量的百分數〕計算公式[2](2)接受定時熱水供應系統，熱水主機設計小時熱水量〔55℃〕計算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℃從削減設備配置和投資并便于管理考慮，設定機組定時運行8h，分時段供熱水4h，總的熱水量和耗熱量計算結果見表1表1定時供熱水系統熱水量和耗熱量計算結果系統分類定時供水時間h機組運行時間h設計小時熱水量QrT/h設計每天熱水總量T/d熱源小時供熱量kw每天總供熱量KJ/d定時集中熱水系統4818.272.847037603．2總體方案的設計3．2．1熱水系統的分區六層的學生公寓是多層建筑，不考慮豎向分區。考慮到建筑物特有的形態以及建筑構造，對建筑進展橫向分解，詳細的分區如圖1所示，分為A、B、C、D四個區，各區設置1個熱水系統。3．2．2熱源的選擇在選擇熱源時須要考慮地區的氣溫、日照狀況，利用現有的資源，合理選擇經濟、高效、環保的熱源。對各種能源或熱源設備從熱效率、能效比等進展比擬分析[3]，由表2可知道，燃料熱效率或設備熱效率最高的是熱泵熱水機組，從能量利用的角度看，空氣源熱泵機組是最志向的選擇；從經濟的角度看，煤作為燃料制熱水，由于本身存在價格優勢，有必需的經濟性，燃煤鍋爐作為傳統的供熱方式始終存在到今日也是得益于這個優勢。但是，燃煤鍋爐對環境污染緊要，而且這種經濟性優勢也有片面性，表2僅對于燃料的消耗做經濟比擬，沒有考慮到其設備運行費用，燃煤鍋爐系統的運行費用比擬高，燃料的供應系統以及空氣供應系統都須要消耗較多的電能。而表2中空氣源熱泵機組的費用已經包括了大局部的電能在內，它經濟性優勢也是明顯的。因此，本設計熱源接受空氣源熱泵，主機布置在樓宇頂層。表2燃料低位發熱量和熱源設備的熱效率分析表燃料或熱源設備名稱燃料單位低位發熱量kcal熱源熱效率%實際轉化熱量kcal熱水所需的熱量kcal燃料單位價格/元耗燃料數量熱水所需費用/元標煤公斤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中各種燃料低位發熱量及熱效率值參考文獻[3]；2.表中所需熱量的計算是遵照公式Q=C.m〔tr–tl〕，取1000千克水由15℃加熱到60℃熱水供應方式的設計學生公寓晚上運用熱水比擬集中，接受定時供應熱水比擬合理和經濟。由于白天室外空氣溫度較高，空氣源熱泵機組運行的COP值較高，消耗一樣的電能，得到更多的熱量，從而到達節能、省電的目的，因而接受空氣源熱泵熱水機組為熱源加蓄熱水箱全蓄熱系統運行方式。機組白天運行8小時制熱水，將滿足全天用水要求的熱水集中存儲在蓄熱水箱中，到供水時間用供水泵從蓄熱水箱向用戶系統管網供水。考慮到供水的便利，以及熱水的水力平衡，熱水從蓄熱水箱出來經主干管分到立管，由立管往下向每個宿舍供應熱水。為了更好的補充配水管網熱量損失，保證配水點的水溫，選用立管循環，循環管RH在立管底部和供水立管底部連接。設置補水泵，在機組運行的制熱過程加壓補水。圖2是系統的原理圖，圖2空氣源熱泵熱水系統原理圖3．3熱水管網的設計3.熱水管網的橫干管敷設在頂層，沿水流方向保證不少于0.003的坡度[4]，供水管越走越高，循環管沿水流方向下降；供水管高處設置自動排氣閥，循環管低處設置排污閥；干管上設置水紋管補償器；立管穿樓板時加上套管，套管內徑比通過的熱水管外徑大2號，中間間隙填上密封防水填料。熱水供應系統中的蓄熱水箱、熱水供水干管和立管，循環干管和立管等可能產生熱損失的地方接受保溫措施，以削減無效熱損失。保溫層厚度可以參照文獻[4]進展估算。選用聚苯乙烯作為管道的保溫材料，其導熱系數λ=0.041W／(m·℃)；而蓄熱水箱接受灌裝硬質聚氨脂泡沫塑料作保溫〔水箱配套材料〕，設備在接受保溫措施之前，進展防腐處理。保溫材料和管道或設備外壁嚴密相貼，在保溫層外外表做防護層。按常規工程設計計算方法確定每段水管的管徑〔詳見圖紙上管徑標注〕，熱水管道中的水流速度一般接受0.8～1.2m/s[2]。計算最不利循環管路和最不利配水管路總的阻力損失分別為98.8kPa和44.59kPa。熱水泵的揚程除路總阻力外還需克制設備阻力、出口余壓〔開式局部有〕并保證10%的余量。蓄熱水箱和補水配置方式的選擇由于傳統的循環加熱配置方式存在著許多缺乏，影響運用的舒適性,所以我校學生公寓擬接受單水箱定溫配置系統。自來水經軟化處理后，干脆補水至空氣源熱泵熱水機組，滿足客戶運用要求的高溫水從主機排向保溫蓄熱水箱儲存備用,補水的限制由補水電磁閥限制，以保證補水在合理的范圍內，得到預設的機組出水溫度。3．4主要設備的選型計算3．4．.1空氣源熱泵熱水機組及水箱選型依據各分區系統設計小時耗熱量，選約克商用機組系列的空氣源熱泵熱水機組；蓄熱水箱接受全蓄熱方式，選用組裝式不銹鋼保溫水箱〔灌裝硬質聚氨脂泡沫塑料作為保溫的材料，取λ=0.035W／(m·℃)〕，各個分區詳細選型見表3。和表1所需的供熱量和供熱水量相比，可滿足要求。表3各分區系統的熱源設備計算選型結果分區分區宿舍數熱水量T/D供熱量負荷kw所選熱泵機型熱泵數量臺額定制熱量kw額定溫度℃所選蓄熱水箱型號蓄熱水箱容量TA10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010×2B10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010×2C10018.6120.5YCAB120RC112355BXG-1010×2D801596YCAB120RC112355BXG-88×23．4.2熱水泵的選擇計算水泵入口設Y型過濾器；在水泵出口管道上裝設止回閥，防止水泵停頓運行后發生水倒流，水擊葉輪。熱水水泵的臺數和分區熱水系統一一對應,并考慮一臺備用。考慮到循環泵在定時熱水供應中的運行時間較短，定時供水前約10min左右，且和補水時間錯開，為了簡化系統及削減投資，補水和循環合用一臺水泵，后面提到的循環泵或補水泵都是指同一泵。遵照補水泵的流量和揚程來選取。依據流量及計算結果選擇各個分區水泵選型如表4：表4熱水配水泵計算和選型系統分區配水泵計算和選型所需流量m3/h所需揚程m型號額定流量m3/h額定揚程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補水泵23.414DFRG50-125(I)/2/32520注：配水泵每區兩臺，一用一備補水泵為A、B區共3臺2用一備,C、D區共3臺2用一備3．5運行方案和計費系統的設計設定主機早上9：00起先進展熱水的制備，主機設定出水溫范圍是55℃～58℃〔由電動閘閥限制冷水的補水量來實現〕，超過了60℃就啟動愛惜措施停機。符合要求的熱水在蓄熱水箱中存儲，當蓄熱水箱水位到達設定值，液位信號器就會把信號變送到限制器，由限制器發出停機的信號，主機和循環泵都停頓，熱水的制備過程完成。剛剛啟動機組時，蓄熱水箱的水溫可能不符合要求，可以通過內循環管，把水箱連接到主機進口端，進展加熱，每天16:45和21:00,供水前運行主機及循環水泵10分鐘左右，以保證管網內供水溫度，然后停用循環泵，當檢測到供水水壓不能滿足要求時，啟動加壓配水泵供水。系統在各種模式下運行時的限制狀況，詳細見圖3和表5，表中和圖的符號是對應的，其中P1是供水泵，P2是循環泵，P3是補水泵〔兼作為內循環泵〕。圖3限制原理簡圖表5不同狀況下的運行調整各種模式F1F2F3F4F5P1P2P3主機水箱內循環預熱調整關開關關關關開開正常運行模式調整關關關開關關開開管道循環預熱調整關關開關關開關開供應熱水關開關關關開關關關接受按流量運用收費的計費方式，每個宿舍安裝一個感應式智能IC卡熱水表。插卡即出水、拔卡即停水，收費單價由系統管理員在管理軟件中設定，用戶可以通過管理員剛好對卡進展充值，將購置的水量寫入用戶卡。3．6耗能計算和經濟性分析空氣源熱泵熱水主機YCAB120RC的輸入功率為25.2kw，各種水泵的輸入功率均為1.1kw。假設機組都在額定功況下運行〔4個分區系統都正常投入運用〕，主機一天運行8小時，耗電量25.2×8×4=806.4度；補水泵一天運行8小時，耗電量1.1×8×4=35.2度；供水泵一天運行4小時，耗電量1.1×4×4=17.6度；循環泵〔包括內循環〕耗電量約取3×4=12度，綜合計算該系統一天耗電量為871.2度，電費遵照0.7元/