熱水系統(tǒng)加熱（集熱）面積的計(jì)算論述

馬賽

摘要：隨著人們生活水平的提高，生活熱水成了人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?。然而熱源種類(lèi)有很多，不同熱媒的溫度差異較大。熱水系統(tǒng)通過(guò)加熱設(shè)備或換熱設(shè)備將熱源與用水端相連接。然而各種設(shè)備的作用機(jī)理和效率不同，在核算加熱面積或換熱面積時(shí)，選取的溫度不合適，造成設(shè)備選型偏小或偏大，造成資源的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞 生活熱水 熱媒 加熱面積 溫差

引言

按熱源的種類(lèi)：太陽(yáng)能、蒸汽、熱水、熱力管網(wǎng)、熱泵，分別論述其系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)參數(shù)的選取及加熱（集熱）面積的計(jì)算?！督ㄖo水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》-GB50015-2019，后稱(chēng)《建水標(biāo)》。

1.太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)各集熱面積的計(jì)算

充分利用可再生資源，在當(dāng)?shù)貧夂驐l件適宜的前提下，太陽(yáng)能、地源熱泵、水源熱泵及空氣源熱泵被優(yōu)先考慮。在此對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行分析。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過(guò)熱媒和冷水的接觸關(guān)系分為直接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與間接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

（1）直接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（熱能直接加熱冷水）的集熱器的面積計(jì)算

注：——平均日耗熱量;其中各參數(shù)指標(biāo)參見(jiàn)《建水標(biāo)》。

（2）間接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（熱能加熱熱媒后間接加熱冷水）集熱器總面積計(jì)算

注：UL：集熱器損失系數(shù)[KJ/（m2.℃.h）]，應(yīng)根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)測(cè)值確定，平板型可取14.4～21.6，真空管型可取3.6～7.2;K：水加熱器的傳熱系數(shù);Fjr：水加熱器的加熱面積。

另需注意，根據(jù)《建水標(biāo)》6.6.5第6款指出，△tj可按5℃-10℃取值，參考實(shí)際案例，間接太陽(yáng)能啟動(dòng)第一循環(huán)泵，常以5℃-10℃溫降值作為信號(hào)。先由設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量求得水加熱器的加熱面積Fjr（公式參見(jiàn)第2節(jié)），再由此為條件，進(jìn)而求得間接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器總面積Ajj。由于北方地區(qū)冬季會(huì)室外出現(xiàn)冰凍溫度，太陽(yáng)能集熱采用防凍液作為第一循環(huán)較為常見(jiàn)，間接太陽(yáng)能系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。

熱水器加熱面積的計(jì)算

不同的熱水系統(tǒng)，不同的熱媒，在計(jì)算加熱面積時(shí)各參數(shù)取值不同，都會(huì)對(duì)影響計(jì)算結(jié)果。首先列出加熱面積的核心計(jì)算公式，采用水加熱器時(shí)加熱面積的計(jì)算

Fjr=接下來(lái)對(duì)公式中各參數(shù)按不同熱水系統(tǒng)及熱媒，分別論述其取值方法。

（1）Qg-設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量的取值

①導(dǎo)流型容積式水加熱器或貯熱容積與其相當(dāng)?shù)乃訜崞?、燃?xì)鉄崴畽C(jī)組，其小時(shí)供熱量應(yīng)按下式計(jì)算：，各參數(shù)參見(jiàn)《建水標(biāo)》 Qg小于平均小時(shí)耗熱量時(shí)，取平均小時(shí)耗熱量。

②半容積式水加熱器或貯熱容積與其相當(dāng)?shù)乃訜崞?、燃?xì)鉄崴畽C(jī)組，其小時(shí)供熱量應(yīng)按其小時(shí)耗熱量計(jì)算，即Qg=Qh。

③半即熱式、快速式水加熱器的小時(shí)供熱量按下式計(jì)算Qg=3600qg（ty-t1）C即按設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算。

④間接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，其集熱器集熱面積由平均日耗熱量計(jì)算得來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)搭配水加熱器時(shí)，其小時(shí)供熱量，建議以平均時(shí)耗熱量來(lái)計(jì)算取值。

⑤根據(jù)《建水標(biāo)》6.6.7款第1條規(guī)定，水源熱泵的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量為設(shè)計(jì)工作時(shí)間內(nèi)的平均小時(shí)耗熱量，工作時(shí)間取8-16小時(shí)。根據(jù)《建水標(biāo)》6.6.7款第5條規(guī)定，空氣源熱泵供熱量參考水源熱泵。

（2）和K值選取

為水泵和熱媒分布不均勻?qū)鳠嵝实挠绊懴禂?shù)，取值為0.6-0.8，K值為傳熱系數(shù)，《建水標(biāo)》-6.6.7-3熱泵部分給水，當(dāng)為板式快速水加熱器時(shí)，取值3000-4000[KJ/（m2.℃.h）]，當(dāng)為管束式水加熱器時(shí)，取值為1500-3000[KJ/（m2.℃.h）]，作為參考，當(dāng)有具體設(shè)備參數(shù)時(shí)，以具體數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。該兩項(xiàng)參數(shù)均為客觀條件，和當(dāng)?shù)厮|(zhì)及設(shè)備本身性能有關(guān)，與系統(tǒng)形式和熱媒種類(lèi)無(wú)關(guān)，具體以實(shí)際產(chǎn)品為準(zhǔn)。

（3）的取值

1）導(dǎo)流型容積式水加熱器、半容積式水加熱器

即熱媒的初溫和終溫的平均值和被加熱水初溫和終溫平均值之差。

2）快速式水加熱器、半即熱式水加熱器

△tmax為熱媒與被加熱水在水加熱器一端的最大溫度差;

△tmin為熱媒與被加熱水在另一端的最小溫差。

3）熱媒計(jì)算溫度的確定

①熱媒為飽和蒸汽時(shí)：當(dāng)蒸汽為壓力大于70KPa的飽和蒸汽時(shí)，蒸汽初溫應(yīng)為飽和蒸汽溫度計(jì)算，當(dāng)蒸汽壓力小于等于70KPa時(shí)，蒸汽初溫按100℃計(jì)算。熱媒的終溫應(yīng)由經(jīng)熱工性能測(cè)定的產(chǎn)品提供，無(wú)具體數(shù)據(jù)時(shí)可按50℃-90℃考慮。

②熱媒為熱水時(shí)：熱媒初溫應(yīng)為供應(yīng)熱水的最低溫度計(jì)算，熱媒的終溫應(yīng)由經(jīng)熱工性能測(cè)定的產(chǎn)品提供;當(dāng)熱媒初溫為70℃-100℃時(shí)，終溫可按50℃-80℃計(jì)算。

③熱媒為熱力管網(wǎng)熱水時(shí)，熱媒的計(jì)算溫度應(yīng)按熱力管網(wǎng)供回水的最低溫度計(jì)算。

3.采用熱泵機(jī)組供應(yīng)熱水各加熱面積的計(jì)算

（1）根據(jù)《建水標(biāo)》6.6.7款第3條，水源熱泵宜采用快速水加熱器配貯熱水箱（罐）間接換熱制備熱水。水加熱器兩側(cè)分別連接熱泵和貯熱水箱（罐），水加熱器的加熱面積計(jì)算

Fjr=其中，水垢與熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數(shù)，取值0.6-0.8;K為傳熱系數(shù)，另注意，本條規(guī)定△tj取值3℃-6℃（與熱媒直接加熱溫差不同，與間接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)溫差取值也不同）。

（2）空氣源熱泵

根據(jù)《建水標(biāo)》6.6.7款，空氣源熱泵機(jī)組多采用直接加熱系統(tǒng)，連接貯熱水箱（罐），中間不涉及加熱器加熱面積的計(jì)算，當(dāng)空氣源熱泵作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的輔助熱源時(shí)，太陽(yáng)能連接的加熱設(shè)備加熱面積參見(jiàn)太陽(yáng)能部分論述。

4.綜合比較各熱水系統(tǒng)加熱器的關(guān)聯(lián)與區(qū)別

（1）由于直接太陽(yáng)能集熱面積通過(guò)平均日耗熱量求得，以此為前提計(jì)算間接太陽(yáng)能集熱面積，為保持統(tǒng)一，建議計(jì)算Fjr時(shí)采用平均時(shí)供熱量;對(duì)于其他系統(tǒng)熱水加熱器加熱面積的計(jì)算，首先取決于供熱量，《建水標(biāo)》-6.4.3規(guī)定了導(dǎo)流型容積式水加熱器、半容積式水加熱器、半即熱式及快速式水加熱器的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量的計(jì)算方法。水源熱泵及空氣源熱泵機(jī)組的供熱量為設(shè)計(jì)工作時(shí)間內(nèi)的平均小時(shí)供熱量。

（2）水垢與熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數(shù)，取值0.6-0.8，該參數(shù)為加熱設(shè)備客觀條件，與熱水系統(tǒng)形式及熱媒、熱水溫度無(wú)關(guān)。

（3）K為傳熱系數(shù)，取決于加熱設(shè)備自身具體條件，《建水標(biāo)》水源熱泵章節(jié)給出了板式水加熱器和管束式水加熱器的傳熱系數(shù)參考值，可供參考，有產(chǎn)品具體參數(shù)時(shí)，以實(shí)際設(shè)備參數(shù)為準(zhǔn)，幾種熱水系統(tǒng)均按此辦法執(zhí)行。

（4）△tj熱媒與被加熱水的溫差，根據(jù)對(duì)幾種熱水系統(tǒng)的分析，被加熱水的初溫為客觀條件，終溫為設(shè)計(jì)值，基本為定值。△tj與熱媒的溫度高低有較大關(guān)系。第2節(jié)論述中總結(jié)了熱媒分別為飽和蒸汽、熱水及熱力管網(wǎng)時(shí)的初溫和終溫的要求。間接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)連接水加熱器時(shí)，規(guī)定△tj可按5℃-10℃取值，水源熱泵機(jī)組連接水加熱器時(shí)，規(guī)定△tj取值3℃-6℃。

5.工程中的靈活運(yùn)用

在實(shí)際工程中，會(huì)設(shè)計(jì)多種多樣熱水系統(tǒng)，其實(shí)無(wú)論熱水量大或者小，最終要保證熱量及時(shí)供應(yīng)，根據(jù)工程規(guī)模，可以選取水箱儲(chǔ)備熱量，也可以選取高效加熱設(shè)備隨時(shí)供應(yīng)熱量。近幾年越來(lái)越多大用水量工程出現(xiàn)，作為設(shè)計(jì)人員，我們要學(xué)會(huì)將熱量和溫差做到合理匹配。

結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步，學(xué)校、醫(yī)院、酒店、旅游場(chǎng)所熱水系統(tǒng)配備越來(lái)越完善，今后設(shè)計(jì)過(guò)程中要著重從能源、安全、成本、應(yīng)用幾個(gè)方面出發(fā)，嚴(yán)格要求，不斷完善自身工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB-50015-2019.

[2]《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB50364-2018.