談高校學(xué)生公寓熱水系統(tǒng)

方火明 潘孝輝

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

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談高校學(xué)生公寓熱水系統(tǒng)

方火明 潘孝輝

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

以浙江省紹興市上虞區(qū)某學(xué)校學(xué)生公寓樓熱水工程為例，介紹了太陽(yáng)能空氣源熱泵機(jī)組組合熱水系統(tǒng)在工程中的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并分析了該熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明：集中太陽(yáng)能空氣源熱泵機(jī)組組合式熱水系統(tǒng)，既能保證學(xué)生的熱水需求，又具有良好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

熱水系統(tǒng)，太陽(yáng)能，空氣源熱泵，經(jīng)濟(jì)效益

1 工程概況

本項(xiàng)目位于浙江省紹興市東部上虞區(qū)濱海新城，校區(qū)建筑面積約23.5萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)在校生規(guī)模6 500人。共設(shè)有6棟學(xué)生公寓樓，本工程以其中1棟多層學(xué)生公寓為例，介紹該校區(qū)的學(xué)生公寓熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。學(xué)生公寓3號(hào)樓南樓地上6層，建筑高度為22.2 m，設(shè)有四人間194間，雙人間20間，設(shè)計(jì)入住學(xué)生人數(shù)816人，每間房間均設(shè)有衛(wèi)生間。熱水系統(tǒng)采用太陽(yáng)能和空氣源熱泵熱水機(jī)組作為熱源，集中集熱、集中貯熱非承壓開(kāi)式系統(tǒng)，太陽(yáng)能集熱器、貯熱水箱、空氣源熱泵熱水機(jī)組和相應(yīng)的熱水循環(huán)泵組均設(shè)于建筑屋頂。熱水系統(tǒng)集熱部分原理如圖1所示。

2 集熱、貯熱熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱水用水量

熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)及用水量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 熱水用水量計(jì)算表

2.2 集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

1)太陽(yáng)能集熱器。根據(jù)GB 50364—2005民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[1]，直接加熱系統(tǒng)集熱器面積根據(jù)日用水量和用水溫度，按式(1)確定：

(1)

其中，AC為直接式系統(tǒng)集熱器總面積,m2；Qw為日均用水量；C為水的定壓比熱容，取4.187 kJ/(kg·℃)；tend為貯水箱內(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度，取60 ℃；tL為水的初始設(shè)計(jì)溫度，取15 ℃；JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)輻照量，取12 000 kJ/m2；f為太陽(yáng)能保證率，取50%；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，取0.50；ηL為貯水箱和管路的熱損失率，取0.20。

經(jīng)計(jì)算，本工程直接式太陽(yáng)能集熱器面積AC=561 m2。

太陽(yáng)能集熱器布置在公寓樓屋頂，正南方向安裝，為全年使用熱水系統(tǒng)，安裝傾角30°，前后排安裝間距不應(yīng)小于1.5 m。考慮本工程熱水系統(tǒng)為太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)，空氣源熱泵亦為節(jié)能型產(chǎn)品，為使系統(tǒng)的初投資和節(jié)能效益相對(duì)最大化，工程設(shè)計(jì)時(shí)太陽(yáng)能集熱器面積按純太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)時(shí)的30%左右考慮，同時(shí)根據(jù)建筑平面、日照分析及屋頂可供布置的太陽(yáng)能集熱器面積核算后，本工程熱水集熱系統(tǒng)選用玻璃—金屬真空管型太陽(yáng)能集熱器150 m2。

2)太陽(yáng)能貯熱容積和集熱循環(huán)設(shè)計(jì)。

太陽(yáng)能貯熱水箱有效容積按式(2)計(jì)算[2]：

Vrx=qrjd·Aj

(2)

其中，Vrx為貯熱水箱有效容積，L；Aj為集熱器總面積，m2；qrjd為集熱器單位采光面積平均每日產(chǎn)熱量，取50 L/(m2·d)。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵流量按式(3)計(jì)算[2]：

qx=qgz·Aj

(3)

其中，qx為集熱系統(tǒng)循環(huán)流量，L/s；qgz為單位采光面積集熱器對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量，L/(m2·s)，取0.015～0.020。

開(kāi)式直接加熱系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵揚(yáng)程按式(4)計(jì)算[2]：

Hx=hjx+hz+hj+hf

(4)

其中，hjx為集熱循環(huán)管道沿程與局部阻力損失，取30 kPa；hz為集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差，kPa；hj為循環(huán)流量流經(jīng)集熱器的阻力損失，取20 kPa；hf為附加壓力，取20 kPa～50 kPa。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)計(jì)算表

系統(tǒng)選用太陽(yáng)能貯熱容積不小于7.5 m3，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵參考選用：Q=9 m3/h，H=15 m，N=1.1 kW。

2.2.2 空氣源熱泵集熱系統(tǒng)

本工程位于紹興市上虞區(qū)，該地區(qū)冬季最冷月平均氣溫在0 ℃以上，空氣源熱泵系統(tǒng)效率仍較高，故本工程設(shè)計(jì)時(shí)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)不考慮設(shè)輔助加熱系統(tǒng)，熱水系統(tǒng)按冬季最高日熱水用水量進(jìn)行空氣源熱泵機(jī)組的計(jì)算選型。

1)空氣源熱水熱泵機(jī)組加熱系統(tǒng)：

日平均秒耗熱量:

QWd=Qd′×C×ρr×(tr-tL)/(24×3 600)

(5)

空氣源熱泵熱水機(jī)組制熱量：

Qg=24×K1×Qd(日平均耗熱量)/T1

(6)

其中，QWd為日平均秒耗熱量，kW；Qg為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量，kW；Qd′為平均日熱水用水量，m3/d；C為水的定壓比熱容，4 187 J/(kg·℃)；ρr為水的密度，1 kg/L；tr為熱水設(shè)計(jì)溫度，℃；tL為冷水設(shè)計(jì)溫度，℃；T1為空氣源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，12 h～20 h；K1為安全系數(shù)，可取1.05～1.10。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算表

空氣源熱泵機(jī)組按冬季最不利工況下設(shè)計(jì)，紹興地區(qū)最冷月平均氣溫約為4 ℃，空氣源熱泵機(jī)組在冬季最不利工況運(yùn)行時(shí)全天平均COP值約為2.0，冷水設(shè)計(jì)溫度按5 ℃，冬天最高日用水量時(shí)空氣源熱泵熱水機(jī)組工作時(shí)間控制在18 h以內(nèi)。根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，熱水系統(tǒng)選用空氣源熱泵熱水機(jī)組3臺(tái)，單臺(tái)額定功率18.0 kW，最大輸入功率27.0 kW，標(biāo)準(zhǔn)額定工況下制熱量為78.0 kW。

2)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)貯熱總?cè)莘e：熱水系統(tǒng)采用定時(shí)供水，早上2 h，中午2 h，晚上8 h(16:00～24:00)?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)貯熱容積宜按最高日晚用水高峰時(shí)段的熱水用水量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高峰時(shí)段所需的熱水量為：Qh′=8/12×Qd=21.7 m3。

其中，Qh′為最高日高峰時(shí)段所需熱水量，m3；Qd為最高日熱水設(shè)計(jì)用水量，m3。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用：貯熱水箱貯熱容積22 m3,設(shè)11 m3圓形立式304不銹鋼熱水箱2只。該容積亦可滿足太陽(yáng)能系統(tǒng)工作時(shí)的貯熱要求。

3)循環(huán)泵設(shè)計(jì)計(jì)算：空氣源熱泵熱水機(jī)組循環(huán)流量按式(7)計(jì)算:

qrx=K4Qg/(1.163·Δtj·ρr) (7)

根據(jù)表4結(jié)果，熱水系統(tǒng)選用空氣源熱泵加熱循環(huán)泵3臺(tái)，2用1備，單臺(tái)qx=0 m3/h～15 m3/h，揚(yáng)程H=15 m，功率P=1.5 kW。

2.3 熱水管網(wǎng)系統(tǒng)保溫循環(huán)設(shè)計(jì)

熱水管網(wǎng)保溫循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)熱水供水變頻加壓泵實(shí)現(xiàn)，在回水干管上設(shè)電接點(diǎn)溫度計(jì)，回水管網(wǎng)末端設(shè)電磁閥回水至熱水箱，當(dāng)管網(wǎng)熱水溫度低于50 ℃時(shí)，電磁閥開(kāi)啟并啟動(dòng)熱水供水變頻加壓泵，實(shí)現(xiàn)熱水管網(wǎng)的保溫循環(huán)。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

學(xué)生公寓平均日熱水用水量28.6 m3，則熱水系統(tǒng)年均耗熱量為(全年使用天數(shù)按251 d計(jì)):

Wa=251Qd′×C×ρr×(tr-tL)=1.35×106MJ。

本工程太陽(yáng)能的年產(chǎn)熱水量約為公寓樓熱水用水量的15%，則85%的熱水量將由空氣源熱泵熱水機(jī)組提供，機(jī)組運(yùn)行的綜合年均COP按3.8考慮，則太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的電加熱系統(tǒng)(電加熱效率按96%計(jì)算)每年可節(jié)電3.0×105kW·h，若電價(jià)按0.60元/(kW·h)計(jì)，則本工程熱水系統(tǒng)每年可節(jié)約能源費(fèi)用約18萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)以太陽(yáng)能和環(huán)境空氣中的熱能作為熱源，環(huán)保無(wú)污染，可再生，具有廣泛的應(yīng)用前景。而學(xué)生公寓熱水用水量大，采用該熱水系統(tǒng)在很好地保證學(xué)生熱水需求的同時(shí)，又具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，且綠色無(wú)污染，在今后的學(xué)生公寓熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中值得推廣應(yīng)用。

[1] GB 50364—2005，民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 50015—2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2009年版)[S].

Discussion on hot water system of university student’s apartment

Fang Huoming Pan Xiaohui

(ZhejiangUniversityBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Hangzhou310028,China)

Taking hot water system engineering of university student’s apartment in Shangyu region of Shaoxing city of Zhejiang province as an example, the paper introduces design and calculation methods of composite hot water system engineering by combining solar energy with air source heat pump, and analyzes its economic benefits. Results show that: the composite hot water system by combining central solar energy with air source heat pump can both guarantee student’s hot water demand and possess good economic and environment benefits.

hot water system, solar energy, air-source heat pump, economic benefit

1009-6825(2016)26-0141-02

2016-07-04

方火明(1983- )，男，工程師； 潘孝輝(1983- )，男，工程師

TU832.17

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