電子科技大學學生宿舍空氣源熱水系統(tǒng)設計

王家良, 陳　博, 陳　銳, 梁　東, 王　路, 吳　迪

(1. 四川省建筑設計研究院, 四川成都 610093； 2.電子科技大學后勤處, 四川成都 611731)

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電子科技大學學生宿舍空氣源熱水系統(tǒng)設計

王家良1, 陳博1, 陳銳1, 梁東1, 王路2, 吳迪2

(1. 四川省建筑設計研究院, 四川成都 610093； 2.電子科技大學后勤處, 四川成都 611731)

【摘要】文章介紹了電子科技大學清水河校區(qū)學生宿舍空氣源熱水系統(tǒng)設計。在熱水系統(tǒng)節(jié)能改造設計中，針對既有宿舍現(xiàn)狀、用水需求、結(jié)構(gòu)荷載、能效分析、工作模式等方面進行了分析和研究，并探討了熱泵機組按不同工作模式組合運用的問題，供設計者參考。

【關(guān)鍵詞】空氣源熱泵；熱水系統(tǒng)；既有建筑；節(jié)能改造；學生宿舍

電子科技大學清水河校區(qū)現(xiàn)有本科、碩士、博士生各類宿舍48棟，從2007年陸續(xù)竣工投入使用至今，各宿舍浴室熱水的制熱設備已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的設備老化、不節(jié)能、存在安全隱患等問題。2015年6月四川省建筑設計研究院對其中24棟學生宿舍的浴室熱水系統(tǒng)進行了節(jié)能改造設計，由空氣源熱泵熱水系統(tǒng)替換原有的燃氣熱水器，以達到更加安全、節(jié)能的目的。

1工程現(xiàn)狀分析

1.1宿舍現(xiàn)狀和用水需求

電子科技大學清水河校區(qū)實施節(jié)能改造的學生宿舍均為6層宿舍建筑，建筑高度均小于24m。部分宿舍樓設有局部地下室，使用功能為自行車庫。宿舍樓建筑結(jié)構(gòu)類型均為磚混，樓梯間、門廳等局部區(qū)域為框架結(jié)構(gòu)。

實施節(jié)能改造的24棟學生宿舍中，碩士樓為2人間，本科樓為4人間，浴室分層集中設置，宿舍內(nèi)僅浴室部分供應熱水，宿舍樓均為Ⅲ類用水密集性建筑。節(jié)能改造前，浴室熱水均由燃氣熱水器供應，熱水器分散設于各浴室外部的陽臺。部分宿舍樓的屋面，原設計預留有設置燃氣熱水機組和熱水箱的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，但因為存在安全隱患、管理不便等原因，至今未實施。

電子科技大學清水河校區(qū)市政自來水供水壓約0.30MPa，學生宿舍均由市政管網(wǎng)水壓直接供水，基本滿足使用要求。學校管理現(xiàn)狀：(1)宿舍內(nèi)冷水供應不計費，浴室淋浴熱水采用校園IC卡計費；(2)校園內(nèi)建有信息傳輸、能源管理系統(tǒng)。

1.2環(huán)境條件

成都地區(qū)夏季最熱月(7月)平均最高溫度 25.6 ℃，極端最高溫度 37.3 ℃，平均相對濕度85 %，日照率19 %；冬季最冷月(1月)平均最低溫度 5.5 ℃，極端最低溫度-5.9 ℃，平均相對濕度 80 %，日照率28 %；日照時數(shù)1 109h，年總輻照量3 438MJ/(m2·a)[1]。

可見，成都地區(qū)屬夏熱冬冷地區(qū)，太陽能資源貧乏，適合使用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，但應考慮冬季水溫較低因素。成都地區(qū)熱水系統(tǒng)冷水計算溫度[2]，地面水溫度為7℃，地下水溫度為15℃～20℃。

2空氣源熱泵制熱水方案

2.1能效比的影響因素

空氣源熱泵工作遵循逆卡諾循環(huán)原理，是對具有特殊相變溫度特性的冷媒做功而達到熱量從冷源物體抽送熱量到熱源物體的過程?？諝庠礋岜迷诓煌臍鉁?、濕度和水溫條件下有不同的節(jié)能效益。節(jié)能效益采用能效比(COP)來衡量，它指熱泵機組的輸出功率與輸入功率之比，如公式(1)。

COP=Qg∕Qr

(1)

式中:Qr為熱泵系統(tǒng)的輸入功率(kW)；Qg為熱泵系統(tǒng)的輸出功率(kW)；COP為能效比。

冬季的氣溫低，空氣源熱泵能效比(COP)也較低；同時冬季的冷水水溫低，達到相同的熱水溫度需要更多的熱量；兩者效果疊加后，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬天的熱水產(chǎn)出能力就更低。因此就安全性而言，冬季氣溫和水溫是空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設計的控制因素。

也可以說，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)如果按照春秋分所在月的平均值配置，則冬季必須要依靠輔助熱源才能保證熱水系統(tǒng)的供水安全性。如果空氣源熱泵熱水系統(tǒng)按冬季條件設計，不需配置輔助熱源，但熱水系統(tǒng)的制熱設備配置量會偏大。

2.2工作方案的選擇

從可再生能源角度，成都地區(qū)太陽能資源貧乏，不適合采用太陽能作為輔助熱源；本項目也不具備其他地熱、廢熱等熱源條件。從傳統(tǒng)熱源來看，只能考慮燃油、燃氣熱水機組或電能。按前述分析和總平面布置，本項目宿舍樓棟較多，比較分散，考慮節(jié)能和安全因素，不宜集中設置熱水機組；同時，大部分宿舍屋面也無法解決熱水機組的結(jié)構(gòu)荷載問題，無設置燃油、燃氣熱水機組的條件。單純考慮電能直接輔助加熱，顯然其節(jié)能效果低于空氣源熱泵機組。

參照有關(guān)研究結(jié)果[3]，本項目空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用延長熱泵工作時間和適當增加熱水箱容積的方式，不設置輔助加熱裝置。

成都地區(qū)冬季氣溫5.5 ℃，水溫為7 ℃；春秋季氣溫15 ℃～20 ℃，水溫15 ℃。熱水供應溫度按60 ℃設計，則兩者的熱量差值為：(60-7) ∕(60-15)=1.18倍?？諝庠礋岜玫腃OP值參考國內(nèi)某品牌空氣源熱泵機組的能力性能曲線圖(圖1)。按成都地區(qū)得環(huán)境溫度，春秋季熱泵的COP值取3.6，冬季COP值取2.6，則兩者的能效比相差為3.6/2.6=1.38倍。同時考慮水溫和氣溫的影響，則空氣源熱泵的輸入功率差值約為1.18×1.38=1.63倍。如果熱泵機組選型按春秋季設計，加熱時間按8～10h計，則冬季的熱泵工作時間可以控制在13～16h，滿足GB50015-2003《建筑給水排水設計規(guī)范》規(guī)定的熱泵工作時間上限為20h的要求。

同時，考慮到空氣源熱泵將置于宿舍屋面或鄰近宿舍的室外，為了盡量不影響學生夜間休息，減小設備運行對校園環(huán)境的干擾，本項目的工作方案為：(1)熱泵機組按夜間停止工作設計；(2)宿舍浴室熱水采用定時供應方式，供應時段為10h(13：00～23：00)；(3)熱水儲水箱全額儲存定時供應時段的熱水量；(4)熱泵機組春秋季工作的時間按10h設計，則冬季工作控制在14h內(nèi),則熱泵機組系統(tǒng)的輸入功率需放大至16/14=1.14，取1.2倍。

圖1　某品牌空氣源熱泵機組的能力性能曲線

3熱水系統(tǒng)設計計算

3.1熱水設計小時供熱量

GB50555-2010《民用建筑節(jié)水設計標準》中Ⅲ類宿舍60 ℃熱水用水定額qr為35～45L∕(人.d)，本項目宿舍熱水系統(tǒng)人均用水量取40L∕(人.d)。熱水系統(tǒng)儲熱水箱出水溫度按55 ℃設計時，折合用水標準則為44L∕(人.d)。

空氣源熱泵設計小時供熱量，可按式(2)[2]計算，由于本項目不設置輔助熱源，應按成都地區(qū)最冷月平均氣溫和冷水供水溫度計算。

(2)

式中:Qg為空氣源熱泵設計小時供熱量，kJ/h；qr為熱水用水定額，L∕(人.d)或L∕(床.d)；m為用水計算單位數(shù),(人數(shù)或床位數(shù))；C為水的比熱，C=4.187kJ/(kg· ℃)；ρr為熱水的密度，kg∕L；tr為熱水的比熱，℃；tl為冷水的比熱，℃；T1為熱泵機組設計工作時間，h/d；k1為安全系數(shù)，k1=1.05～1.10。

應當指出，式(2)中熱泵的Qg與采用常規(guī)加熱的設計小時耗熱量概念完全不同。常規(guī)能源條件下的設計小時供熱量是最高日最大時的供熱量，保障程度非常高，而式(2)中的設計小時供熱量只是在設計冷水溫度和水量條件下的平均小時供熱量，兩者差距很大。

3.2 熱水箱儲水容積

按前述的空氣源熱泵工作方案：熱水系統(tǒng)不設置輔助熱源，冬季按延長熱泵工作時間設計，熱水定時供應，熱水箱的容積按全額儲存供應時段的熱水量設計。由此，本項目儲熱水箱的容積應按(3)計算。熱水用水標準應按儲熱水箱55℃的出水溫度，折合后的用水標準為44L∕(人.d)計算。各碩士宿舍樓熱水箱儲水容積，見表1；本科生宿舍樓計算結(jié)果與之類似，不再單獨列出。

(3)

式中:Vr為儲熱水箱(罐)有效容積(L)；其余參數(shù)同式(2)。

3.3熱泵機組選型

熱泵機組按運營模式分為直接加熱和循環(huán)加熱。直接加熱模式可按式(2)計算，冷水通過一次加熱后就達到設定的溫度，在加熱過程中冷凝壓力保持不變，熱泵運行穩(wěn)定，熱泵COP值較高[4]，但熱泵機組配置量較大。

循環(huán)加熱模式指被加熱水在水箱和冷凝器之間循環(huán)加熱，水溫逐漸升高，熱泵冷凝壓力隨水溫上升而不斷升高，熱泵機組的工作點處于動態(tài)運行工況[3]。本項目熱泵機組工況采用循環(huán)加熱模式，熱泵機組的選型按其產(chǎn)水量計算。

參考某國內(nèi)品牌空氣源熱泵機組舉例，其標準工況下的性能參數(shù)(熱泵輸入功率9.8kW，熱泵輸出功率40kW，COP=4.1，熱水產(chǎn)量800L/h)，以碩士1棟選型計算舉例。碩士1棟使用人數(shù)234人，熱水日用水量V=Qd=1.05·44·234=10810(L)，機組臺數(shù)n=1.2·10810÷(800·10)=1.5(臺),則碩士1棟應選2臺該型號熱泵機組。部分碩士宿舍樓熱泵機組配置(表1)；其他宿舍樓計算結(jié)果與之類似，不再單獨列出。

表1　碩士宿舍樓的熱水計算

4熱水系統(tǒng)設計

4.1設計思路

本項目為高校學生宿舍熱水節(jié)能改造工程，為了不影響學校的正常教學秩序，改造施工僅能在暑假進行，施工時間較短。按前述工程現(xiàn)狀、環(huán)境條件、熱泵工作方案和計算分析等因素，熱水節(jié)能改造采用如下設計思路：(1)制熱設備應盡量靠近用水點，熱水系統(tǒng)采取節(jié)水器具、控制水壓等節(jié)水、節(jié)能措施；(2)盡量利用宿舍屋面現(xiàn)有結(jié)構(gòu)荷載條件，將熱水箱和空氣源熱泵機組等設備設于屋面，減少結(jié)構(gòu)加固修改，縮短工期，節(jié)約投資；(3)盡量避免振動和噪聲對學生宿舍和校園的干擾；(4)完善IC卡收費系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)，并考慮與校內(nèi)已有監(jiān)控設施的兼容性。

4.2工作模式和監(jiān)控平臺

按前述工作方案,本項目空氣源熱泵系統(tǒng)加熱工藝采用循環(huán)加熱方式進行逐步提溫，階梯控制，全天候全自動控制運行模式。熱水系統(tǒng)配置PLC遠程控制平臺系統(tǒng)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)監(jiān)控流程圖(圖2)。制熱設備和供水設備根據(jù)實際情況設定工作模式及系統(tǒng)運行時間，實現(xiàn)無人值守操作。

圖2　空氣源熱泵熱水系統(tǒng)監(jiān)控流程

4.3壓力平衡措施

原宿舍樓均由市政管網(wǎng)直接供水，校內(nèi)給水管網(wǎng)供水壓力基本滿足要求。但設置空氣源熱泵熱水系統(tǒng)后，儲熱水箱的熱水采用變頻供水，冷水由市政管網(wǎng)直接供水，存在冷熱水供水壓力不平衡問題。本項目采用在冷水供水管、熱水變頻供水管、熱回水管上和熱水儲水箱等部位設置溫度和壓力傳感器，通過冷水壓力及時調(diào)整熱水供水壓力和設備工況，保持熱水系統(tǒng)壓力和溫度穩(wěn)定。同時在淋浴器處設置恒溫混水閥，保持出水溫度穩(wěn)定，防止熱水燙傷等安全事故。

4.4熱泵機組設置

經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)荷載驗算：(1)碩士宿舍樓由于使用人數(shù)較少，基本滿足在屋面獨立設置熱水箱和空氣源熱泵機組的條件；(2)本科宿舍16棟～19棟等，原設計結(jié)構(gòu)未考慮任何水箱荷載，新增熱水箱無法設于屋面；(3)本科宿舍4棟、9棟等6棟宿舍，存在原僅能滿足部分設備荷載要求，熱水箱和空氣源熱泵機組僅能部分設于屋面。

熱泵機組設置，對于滿足條件的碩士宿舍樓和本科生宿舍樓，在屋面獨立設置熱水箱和空氣源熱泵機組。對于基本滿足要求的宿舍樓，適當減小熱水箱容積，增加空氣源熱泵機組臺數(shù)或熱水產(chǎn)水能力，減少結(jié)構(gòu)加固，縮短工期。

對于屋面結(jié)構(gòu)完全不滿足荷載條件的本科生宿舍(如本科宿舍16棟～19棟)，在室外分組團設置熱水箱和空氣源熱泵機組。部分滿足條件的本科生宿舍，充分利用原有屋面結(jié)構(gòu)荷載條件，在屋面和室外均設置熱水箱和空氣源熱泵機組，其中室外熱水箱和熱泵機組按組團設置。在冬季等氣象條件較差季節(jié)，屋面熱水箱水量不足時，由室外熱水箱通過水泵補水；當夏節(jié)季氣象條件較好季節(jié)，屋面熱水箱即可基本滿足淋浴熱水用水量要求，減少室外熱泵機組運行時間，甚至基本可以不運行；以達到充分利用屋面結(jié)構(gòu)荷載資源，降低噪聲對環(huán)境的影響，減少結(jié)構(gòu)修改，縮短工期的目的。

5結(jié)束語

(1)電子科大清水河校區(qū)學生宿舍空氣源熱泵熱水系統(tǒng)目前已全面投入運行，2015年冬季采取適當延長熱泵機組的工作時間的方式，熱泵機組產(chǎn)水量滿足宿舍浴室熱水的需求量。

(2)在宿舍類既有建筑熱水節(jié)能改造中，應結(jié)合建筑現(xiàn)狀、用水需求、能效分析、管理模式等因地制宜選擇熱源形式和熱水制備方式。

(3)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)系統(tǒng)屬于低溫熱水系統(tǒng)，儲熱水箱應采取防止軍團菌滋生措施，熱水供應系統(tǒng)應保持水溫穩(wěn)定和防燙傷等措施，保證用水安全。

(4)學生宿舍熱水供應采取IC卡計費系統(tǒng)和能源監(jiān)控系統(tǒng)，能實時計費和監(jiān)測各設備運用參數(shù)，便于對運營數(shù)據(jù)進行分析，及時調(diào)整熱水系統(tǒng)運用工況和工作模式，達到節(jié)約用水、降低能耗的目的。

參考文獻

[1]住房和城鄉(xiāng)建設部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術(shù)措施(給水排水)2009[S].

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[3]王靖華，呂存陣，王小紅，等.夏熱冬冷地區(qū)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設計參數(shù)的探討與檢測[J].給水排水，2015(10):75-79.

[4]裴剛，李桂強，季杰,等.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)即刻加熱模式和循環(huán)加熱模式的對比[J].化工學報, 2009(11):2694-2698.

[作者簡介]王家良(1970～)，男，本科，高級工程師，主要從事給排水設計與管理。

【中圖分類號】TU995.1

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-05-18