龍權釗 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335 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我校新校區學生公寓 A A 棟集中式生活熱水系統棟集中式生活熱水系統 龍權釗 機電工程系 熱能與動力工程專業 指導教師 王健敏 摘要 摘要 本設計根據舒適 經濟 實用 便于管理的原則 充分考慮節能與環保的要求 通過對各種熱水系統進行經 濟性分析 結合我校新校區學生公寓的使用情況 采用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 并對系統運行控制方案進行合理的設計 最大限度的發揮空氣源熱泵系統節 能的優勢 關鍵詞 關鍵詞 空氣源熱泵 生活熱水 熱泵熱水 學生公寓 Hot Water System engineering design for Student Apartment with Central Air Source Heat Pump LONG Quan zhao Department of Mechanical and Electrical Engineering Heat Energy and Power Engineering Faculty Adviser WANG Jian min Abstract Based on such principles as comfortability economical efficiency practical and convenient for managing fully considering the requirements for energy saving and environmental protection economically analyzing each kind of hot water system and combining the using situation of the student apartment of our new campus the design adopts the air source heat pump hot water system to accomplish the whole project design of its system in student apartment Also the proper design on the operating and controlling scheme of the system was carried to play its role as saving energy for the air source heat pump system to the greatest extent Key word air source heat pump life hot water heat pump and hot water student apartment 1 1 前言前言 改革開放 20 多年來 廣東的經濟 科技 教育等各項事業發生了翻天覆地的變化 高等教育 也出現了前所未有的高速發展 在八 九十年代 學生用熱水主要依靠學生宿舍區建造的鍋爐房提 供的熱水 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緊張問題 以煤的直接燃 燒為主的能源結構和用能系統效率低下 是造成我國大氣污染嚴重和能源短缺的主要原因 如何選 336 擇合適的熱水供應系統 讓人口 資源 環境能夠得到和諧的發展 合理 經濟地為學生提供良好 的生活條件 這些都是學校要認真考慮的問題 針對這種情況 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 安全 可靠等優勢 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繁榮 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 標志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行經濟性分析 根據節能 環保 經濟實用 便于管理的原則 結 合使用情況 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 并進行了運行節 能控制設計和經濟性分析 2 設計基礎與依據設計基礎與依據 2 12 1 工程概況工程概況 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 書店等功能使用 二至六層作為學生宿舍使用 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 22 2 設計依據設計依據 設計依據主要有 建筑單位提供的建筑圖紙與相關要求 建筑給水排水設計規范 GB50013 2003 以下簡稱 設計規范 給水排水設計手冊 和 給水排水標準圖集 等 2 32 3 設計參數設計參數 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現在冬季 因此取冬季參數 為本系統設計參數 根據 設計規范 我校學生公寓每室四人已不是傳統集體宿舍那樣密集 與 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 考慮到高溫熱水容易結垢 對設備腐蝕 冷水補水先進行軟化處理 3 3 工程設計工程設計 3 3 1 1 熱水量與耗熱量的計算熱水量與耗熱量的計算 學生白天上課 學生公寓生活熱水主要用于淋浴 高峰使用時間在傍晚和晚上 從學生使用 特點和學校管理方便的要求出發 采用定時供應的熱水管理方法 供水時間 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使用率不大于 50 龍權釗 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337 定時熱水供應系統 在衛生器具的使用水溫下的小時熱水量計算公式 0 5 2 1 bNqQ ohq 式中 在衛生器具使用水溫條件下的混合熱水量 L h q Q 同類型衛生器具數 A 棟為 390 o N 系統衛生器具同時使用百分數 取 70 2 b 使用水溫與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 2 100 tt tt lr lh r K 采用定時熱水供應系統 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 QrC r 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 r 熱水密度 0 986kg L 55 從減少設備配置與投資并便于管理考慮 設定機組定時運行 8h 分時段供熱水 4 h 總的熱水 量與耗熱量計算結果見表 1 表 1 定時供熱水系統熱水量與耗熱量計算結果 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 Qr T 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 84703760 3 3 2 2 總體方案的設計總體方案的設計 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狀 以及建筑結構 對建筑進行橫向分解 具體的分區如圖 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 在選擇熱源時需要考慮地區的氣溫 日照情況 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 能效比等進行比較分析 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理想的選擇 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 有一定的經濟性 燃煤鍋爐作為傳統的供 熱方式一直存在到今天也是得益于這個優勢 但是 燃煤鍋爐對環境污染嚴重 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較 沒有考慮到其設備運行費用 燃煤鍋爐系統的 338 運行費用比較高 燃料的供給系統以及空氣供給系統都需要耗費較多的電能 而表 2 中空氣源熱泵 機組的費用已經包括了大部分的電能在內 它經濟性優勢也是明顯的 因此 本設計熱源采用空氣 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 天然氣立方米 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按照公式 Q C m tr tl 取 1000 千克水由 15 加熱到 60 計算 3 燃料的價格只作為計算參考 以市場實際價格為準 3 2 3 熱水供應方式的設計 學生公寓晚上使用熱水比較集中 采用定時供應熱水比較合理與經濟 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 消耗相同的電能 得到更多的熱量 從而達到節能 省 電的目的 因而采用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 考慮到供水的方便 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 在立管底部與供水立管底部連接 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 熱水管網的設計熱水管網的設計 3 3 1 熱水管網的布置與水力計算 龍權釗 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339 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 干管上設置波紋管補 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 循環干管與立管等可能產生熱損失的地方 采用保溫措施 以減少無效熱損失 保溫層厚度可以參照文獻 4 進行估算 選用聚苯乙烯作為管 道的保溫材料 其導熱系數 0 041W m 而蓄熱水箱采用灌裝硬質聚氨脂泡沫塑料作保 溫 水箱配套材料 設備在采取保溫措施之前 進行防腐處理 保溫材料與管道或設備外壁緊密 相貼 在保溫層外表面做防護層 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 度一般采用 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 8 kPa 和 44 59kPa 熱水泵的揚程除路總阻力外還需克服設備阻力 出口余壓 開式部分有 并保證 10 的余量 3 3 2 蓄熱水箱與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不足 影響使用的舒適性 所以我校學生公寓擬采 用單水箱定溫配置系統 自來水經軟化處理后 直接補水至空氣源熱泵熱水機組 滿足客戶使用 要求的高溫水從主機排向保溫蓄熱水箱儲存備用 補水的控制由補水電磁閥控制 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 根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 蓄熱水箱采 用全蓄熱方式 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 0 035W m 各個分區具體選型見表 3 與表 1 所需的供熱量與供熱水量相比 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 T A10519 5126 5YCAB120RC112355BXG 1010 2 B10519 5126 5YCAB120RC112355BXG 1010 2 C10018 6120 5YCAB120RC112355BXG 1010 2 D801596YCAB120RC112355BXG 88 2 3 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 防止水泵停止運行后發生水倒流 水擊葉輪 熱水水泵的臺數與分區熱水系統一一對應 并考慮一臺備用 340 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 且與補水時間錯 開 為了簡化系統及減少投資 補水與循環合用一臺水泵 后面提到的循環泵或補水泵都是指同一 泵 按照補水泵的流量與揚程來選取 根據流量及 3 3 3 計算結果選擇各個分區水泵選型如表 4 表 4 熱水配水泵計算與選型 配水泵計算與選型 系統分 區 所需流量 m3 h 所需揚程 m 型號 額定流量 m3 h 額定揚程 m A1112 85 DFRG40 125 I A 2 1 1 1414 3 B1112 3DFRG40 100 I 2 1 112 512 5 C1011 5DFRG40 100 I 2 1 112 512 5 D811 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 運行方案與計費系統的設計運行方案與計費系統的設計 設定主機早上 9 00 開始進行熱水的制備 主機設定出水溫范圍是 55 58 由電動閘閥 控制冷水的補水量來實現 超過了 60 就啟動保護措施停機 符合要求的熱水在蓄熱水箱中存 儲 當蓄熱水箱水位達到設定值 液位信號器就會把信號變送到控制器 由控制器發出停機的信號 主機與循環泵都停止 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 進行加熱 以滿足要求 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控制情況 詳細見圖 3 與表 5 表中與圖的符號是對應的 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 控制原理簡圖 表 5 不同情況下的運行調節 各種模式 F1F2F3F4F5P1P2P3 主機 龍權釗 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341 水箱內循環預熱調節關開關關關關開開 正常運行模式調節關關關開關關開開 管道循環預熱調節關關開關關開關開 供應熱水關開關關關開關關關 采用按流量使用收費的計費方式 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及時對卡進行充值 將購買的水量寫入用戶卡 3 6 耗能計算與經濟性分析耗能計算與經濟性分析 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使用 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