学生公寓空气源热泵热水系统工程设计

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1、学生公寓空气源热泵热水系统工程设计我校新校区学生公寓A栋集中式生活热水系统龙权钊 机电工程系 热能与动力工程专业指导教师 王健敏摘要：本设计根据舒适、经济、实用、便于管理的原则，充分考虑节能与环保的要求，通过对各种热水系统进行经 济性分析，结合我校新校区学生公寓的使用情况，采用空气源热泵热水系统，完成了我校新校区学生公寓 A 栋集中 空气源热泵热水系统的整个工程设计。并对系统运行控制方案进行合理的设计，最大限度的发挥空气源热泵系统节 能的优势。关键词：空气源热泵；生活热水；热泵热水；学生公寓Hot Water System engineering design for StudentApart

2、ment with Central Air Source Heat PumpLONG Quan-zhao Department of Mechanical and Electrical EngineeringHeat Energy and Power EngineeringFaculty Adviser WANG Jian-minAbstract：Based on such principles as comfortability, economical efficiency, practical and convenient for managing, fully considering t

3、he 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

4、 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

5、1 前言改革开放20 多年来，广东的经济、科技、教育等各项事业发生了翻天覆地的变化，高等教育也 出现了前所未有的高速发展。在八、九十年代，学生用热水主要依靠学生宿舍区建造的锅炉房提供 的热水，或设置分散式电热水器。踏入新世纪，高等学校住宿学生人数增加，家长和学生对学校生 活水平和住宿管理水平的要求更高了，新建的学生公寓，大都趋向于安装便于统一管理、热水供至 每间宿舍内的集中式热水系统。另一方面，我国正面临环境污染和能源紧张问题。以煤的直接燃烧 为主的能源结构和用能系统效率低下，是造成我国大气污染严重和能源短缺的主要原因。如何选择 合适的热水供应系统，让人口、资源、环境能够得到和谐的发展，合理、

6、经济地为学生提供良好的 生活条件，这些都是学校要认真考虑的问题。针对这种情况，能耗低、效率高、无污染的空气源热 泵供热系统正在各大高校的学生公寓供热系统中兴起并推广。空气源热泵热水系统具有高效节能、环保、安全、可靠等优势1，既适用于集中安装,也可以分 户安装，使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣，已有系列化的成型产品。不仅大型的集中 供热系统，而且越来越多的小型家用冷暖热泵空调器、空气源热泵热水器也投放市场。空气源热泵 热水产品越来越得到用户的青睐，已经成为市场上的新宠，标志着空气源热泵技术在热水系统中的 应用越来越成熟。本文通过对各种热水系统进行经济性分析，根据节能、环保、经济实用、便于

7、管理的原则，结 合使用情况，对我校新校区拟新建学生公寓的热水供应系统完成了整个工程设计，并进行了运行节 能控制设计和经济性分析。2 设计基础与依据2.1 工程概况仲恺新校区A栋学生公寓位于广州市白云区，总建筑面积约为18710m2，公寓共六层，首层作 为饭堂、商店、副食店、书店等功能使用；二至六层作为学生宿舍使用。公寓共有390间宿舍房间， 每个房间配有独立的卫生间和浴室，设计入住4 人，每间浴室一个沐浴器，热水系统全年向淋浴器 供生活热水。2.2 设计依据设计依据主要有：建筑单 位提供的建筑图纸与相 关要求、建筑给水排水设计规范（GB50013-2003 以下简称“设计规范”）、给水排水设计

8、手册和给水排水标准图集等。2.3 设计参数设计地点在广州市（东经：113.19，北纬23.08）；室外年平均气温21.8C。冬季空气和冷水温度低于夏季，制备生活热水所需最大耗热量出现在冬季，因此取冬季参数为 本系统设计参数。根据“设计规范”，我校学生公寓每室四人已不是传统集体宿舍那样密集，与住宅 更相近，所以热水定额qh取住宅类定额较大值2001/h；热水设备出口热水水温tr选取55C，卫生器 具用水温度th为40C，冷水温度q取10C ；热水水质应符合现行生活饮用水卫生标准一一 GB5749-2005 的要求,考虑到高温热水容易结垢，对设备腐蚀，冷水补水先进行软化处理。3 工程设计31 热水

9、量与耗热量的计算学生白天上课，学生公寓生活热水主要用于淋浴，高峰使用时间在傍晚和晚上，从学生使用特 点和学校管理方便的要求出发，采用定时供应的热水管理方法，供水时间t为每天17： 00至19： 15 和 21:15 至 23:00，共四小时。因为每宿舍只有四人，平均每人每次淋浴1530 分钟，因此，供 水期间卫生器具的平均使用率不大于50%。(1)定时热水供应系统，在卫生器具的使用水温下的小时热水量计算公式Q =X q N b *0.5qho式中Q在卫生器具使用水温条件下的混合热水量，L/h; N同类型卫生器具数，A栋为390；b 系统卫生器具同时使用百分数，取70%讥使用水温与设备出水温度换

10、算系数Kt (主机供应55r热水量占混合水量的百分数)计算公式：t t2K =7 100%r t tr l采用定时热水供应系统，热水主机设计小时热水量(55 r)计算Q =KQ.(3)r r q热源每天所需总供热量为：Q二tQCp (t-t) kwdr r r lQd集中热水系统的每天总耗热量,；C水的比热，4.187KJ/ (kg.C)； P r热水密度，0.986kg/L (55C)；从减少设备配置与投资并便于管理考虑，设定机组定时运行8h,分时段供热水4 h,总的热水量与耗热量计算结果见表1表1定时供热水系统热水量与耗热量计算结果系统分类定时供 水时间h机组运 行时间h设计小时热水量Qr

11、 T/h设计每天热水总量T/d热源小时供 热量kw每天总供热量KJ/d定时集中热水系统4818.272.847037603. 2总体方案的设计3 . 2. 1热水系统的分区六层的学生公寓是多层建筑，不考虑竖向分区。考虑到建筑物特有的形状以及建筑结构，对建筑进行横向分解，具体的分区如图1所示，分为A、B、C、D四个区，各区设置1个热水系统。c3. 2. 2热源的选择在选择热源时需要考虑地区的气温、日照情况，利用现有的资源，合理选1-1: v择经济、高效、环保的热源。对各种能源或热源设备从热效率、能效比等进行比较分析3,由表2可知道，燃料热效率或设 备热效率最高的是热泵热水机组，从能量利用的角度看

12、，空气源热泵机组是最理想的选择；从经济 的角度看，煤作为燃料制热水，由于本身存在价格优势，有一定的经济性，燃煤锅炉作为传统的供 热方式一直存在到今天也是得益于这个优势。但是，燃煤锅炉对环境污染严重，而且这种经济性优 势也有片面性，表2仅对于燃料的消耗做经济比较，没有考虑到其设备运行费用，燃煤锅炉系统的 运行费用比较高，燃料的供给系统以及空气供给系统都需要耗费较多的电能。而表2中空气源热泵 机组的费用已经包括了大部分的电能在内，它经济性优势也是明显的。因此，本设计热源采用空气源热泵，主机布置在楼宇顶层。表2燃料低位发热量和热源设备的热效率分析表燃料或热源 设备名称燃料单 位低位发 热量 kcal

13、热源 热效 率实际转 化热量 kcal热水所 需的热 量 kcal燃料单位 价格/元耗燃料数量热水所需费用/ 元标煤公斤700060420045051.50.6410.736.86天然气立方米860085731045051.53.466.1621.32液化石油气公斤1050085892545051.56.65.0533.32电力度8609581745051.50.755.1438.60太阳能度860250215045051.50.720.9514.67空气源热泵度860350301045051.50.714.9710.48注：1.表2中各种燃料低位发热量及热效率值参考文献3； 2.表中所需热量

14、的计算是按照公式Q=C.m(t -t)，取1000千克水由15Cl加热到60C计算；3燃料的价格只作为计算参考，以市场实际价格为准。3.2.3热水供应方式的设计学生公寓晚上使用热水比较集中，采用定时供应热水比较合理与经济。由于白天室外空气温度 较高，空气源热泵机组运行的COP值较高，消耗相同的电能，得到更多的热量，从而达到节能、省 电的目的，因而采用空气源热泵热水机组为热源加蓄热水箱全蓄热系统运行方式。机组白天运行8 小时制热水，将满足全天用水要求的热水集中存储在蓄热水箱中，到供水时间用供水泵从蓄热水箱 向用户系统管网供水。考虑到供水的方便，以及热水的水力平衡，热水从蓄热水箱出来经主干管分 到

15、立管，由立管往下向每个宿舍供应热水。为了更好的补充配水管网热量损失，保证配水点的水温, 选用立管循环，循环管RH在立管底部与供水立管底部连接。设置补水泵，在机组运行的制热过程加 压补水。图2是系统的原理图，：-11：-11即4.-q.布富，r-i LL -.-|_ L_A-Xixi：丄电鐵阀电压#基r!：图2空气源热泵热水系统原理图R-:.:卄亡事旱窃并I3. 3热水管网的设计3.3.1热水管网的布置与水力计算热水管网的横干管敷设在顶层，沿水流方向保证不少于0.003的坡度4供水管越走越高，循 环管沿水流方向下降；供水管高处设置自动排气阀，循环管低处设置排污阀；干管上设置波纹管补 偿器；立管穿

16、楼板时加上套管，套管内径比通过的热水管外径大2号，中间间隙填上密封防水填料。热水供应系统中的蓄热水箱、热水供水干管和立管，循环干管与立管等可能产生热损失的地方 采用保温措施，以减少无效热损失。保温层厚度可以参照文 4进行估算。选用聚苯乙烯作为管道 的保温材料，其导热系数入=0.041W/（m C）；而蓄热水箱采用灌装硬质聚氨脂泡沫塑料作保温（水 箱配套材料），设备在采取保温措施之前，进行防腐处理。保温材料与管道或设备外壁紧密相贴， 在保温层外表面做防护层。按常规工程设计计算方法确定每段水管的管径（详见图纸上管径标注），热水管道中的水流速 度一般采用0.81.2m/s2计算最不利循环管路和最不利

17、配水管路总的阻力损失分别为98. 8 kPa 和44.59kPa。热水泵的扬程除路总阻力外还需克服设备阻力、出口余压（开式部分有）并保证10% 的余量。3. 3. 2蓄热水箱与补水配置方式的选择由于传统的循环加热配置方式存在着许多不足，影响使用的舒适性,所以我校学生公寓拟采用 单水箱定温配置系统。自来水经软化处理后，直接补水至空气源热泵热水机组，满足客户使用要 求的高温水从主机排向保温蓄热水箱储存备用,补水的控制由补水电磁阀控制，以保证补水在合理 的范围内，得到预设的机组出水温度。34 主要设备的选型计算34.1空气源热泵热水机组及水箱选型根据各分区系统设计小时耗热量，选约克商用机组系列的空气

18、源热泵热水机组；蓄热水箱采用 全蓄热方式，选用组装式不锈钢保温水箱（灌装硬质聚氨脂泡沫塑料作为保温的材料，取入=0.035W /（m C）,各个分区具体选型见表3。与表1所需的供热量与供热水量相比，可满足要求。表 3 各分区系统的热源设备计算选型结果分分区宿热水供热量所选热泵机热泵数额定制额定温所选蓄热蓄热水区舍数量T/D负荷kw型量台热量kw度C水箱型号箱容量TA10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010X2B10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010X2C10018.6120.5YCAB120RC112355BXG-1010X2D80

19、1596YCAB120RC112355BXG-88X234.2热水泵的选择计算水泵入口设Y型过滤器；在水泵出口管道上装设止回阀，防止水泵停止运行后发生水倒流，水 击叶轮。热水水泵的台数与分区热水系统一一对应,并考虑一台备用。考虑到循环泵在定时热水供应中的运行时间较短，定时供水前约10min左右，且与补水时间错 开，为了简化系统及减少投资，补水与循环合用一台水泵，后面提到的循环泵或补水泵都是指同一 泵。按照补水泵的流量与扬程来选取。根据流量及3.3.3计算结果选择各个分区水泵选型如表4：表4热水配水泵计算与选型系统分区配水泵计算与选型所需流量m3/h所需扬程m型号额定流量m3/h额定扬程mA11

20、12.85DFRG40-125(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)/2/1.1&813.6补水泵23.414DFRG50-125(I)/2/32520注：配水泵每区两台，一用一备补水泵为A、B区共3台2用一备,C、D区共3台2用一备3. 5运行方案与计费系统的设计设定主机早上9： 00开始进行热水的制备，主机设定出水温范围是55C58C（由电动闸阀控 制冷水的补水量来实现），超过了 60C就启动保护措施停机。符合要求的热水在蓄

21、热水箱中存储， 当蓄热水箱水位达到设定值，液位信号器就会把信号变送到控制器，由控制器发出停机的信号，主 机与循环泵都停止，热水的制备过程完成。刚刚启动机组时，蓄热水箱的水温可能不符合要求，可 以通过内循环管，把水箱连接到主机进口端，进行加热，以满足要求。每天16:45和21:00,供水前运行主机及循环水泵10分钟左右，以保证管网内供水温度，然后 停用循环泵，当检测到供水水压不能满足要求时，启动加压配水泵供水。系统在各种模式下运行时的控制情况，详细见图3与表5,表中与图的符号是对应的，其中P1 是供水泵，P2是循环泵，P3是补水泵（兼作为内循环泵）。图3控制原理简图表5不同情况下的运行调节各种模

22、式F1F2F3F4F5P1P2P3主机水箱内循环预热调节关开关关关关开开正常运行模式调节关关关开关关开开管道循环预热调节关关开关关开关开供应热水关开关关关开关关关采用按流量使用收费的计费方式，每个宿舍安装一个感应式智能IC卡热水表。插卡即出水、拔 卡即停水，收费单价由系统管理员在管理软件中设定，用户可以通过管理员及时对卡进行充值，将 购买的水量写入用户卡。36 耗能计算与经济性分析空气源热泵热水主机YCAB120RC的输入功率为25.2kw，各种水泵的输入功率均为l.lkw。假设 机组都在额定功况下运行（4个分区系统都正常投入使用），主机一天运行8小时，耗电量25.2X8 X4=806. 4度

23、；补水泵一天运行8小时，耗电量1.1X8X4=35.2度；供水泵一天运行4小时，耗 电量1.1X4X4=17.6度；循环泵（包括内循环）耗电量约取3X4=12度，综合计算该系统一天耗 电量为871.2度，电费按照0.7元/度计算，费用为609.84元。一个月按照30天算，每月的费用为 18295.2元，新校区公寓总人数为1560人，所以平均每人每月最高承担的热水费为：11.73元。以 上是按最大用水量，最大耗热量计算的，实际上全年大部分月份主机运行时间都少于8小时，一般 用水量也少于设计值，夏季耗热量更小，故平均每人每月热水费不足10元。参考文献5指出，每个学生预期能够承担每月的热水费用支出平

24、均为13.6元，每年大约136元。 我校新区学生公寓热泵热水系统费用分摊到每个学生身上，一个月才10元，经济性显著。4 总结计算结果显示，空气源热泵系统在节能、环保等方面都具有很大的优势，而这种优势需要通过 合理的设计方案来体现，合理、优化的工程设计不仅能带来经济效益,而且给消费者带来信心；管网 水力设计与常规热水系统管网相同。本工程设计目的就在于对空气源热泵热水工程的方案设计进行 探讨与优化，希望能对空气源热泵热水系统的推广作出贡献。参考文献：1 朱金鸣，项弸中.江水源热泵在上海十六铺工程中的应用J.暖通空调.2007（2）: 882 王增长.建筑给水排水工程M.高等教育出版社，2005年第五版：265-2903 倪德良，俞善庆.新型节能热水器一空气源热泵热水器（机组）J.上海节能.2004 （4）： 29-314 郎嘉辉建筑给水排水工程M.重庆大学出版社：352-4185 赵竞红，陆缨.广东省高校学生宿舍热水收费合理性研究J.中山大学学报论丛，2006，（4）： 37-42编者注：原文正文（不含封面、目录、摘要、图纸等）约2.5万字27页，因篇幅所限，集中式热水系统工程常规设 计部分（如水力计算部分）所用的公式、计算过程、分析和参考资料均全部省略。