太阳能联合空气源热泵热水系统在医院建筑的应用.doc

太阳能联合空气源热泵热水系统在医院建筑的应用ApplicationofSolar-airSourceHeatPumpHotWaterSysteminHospitalConstruction张青萍，雷鸣（国内贸易工程设计研究院，北京100069）ZHANGQing-ping,LEIMing(InternalTradeEngineeringDesignandResearchInstituteP.R.China,Beijing100069，China)【摘要】以昆明某医院住院楼太阳能联合空气源热泵热水系统工程为例，介绍该系统的设计思路、设计理念、主要设计参数的确定、设计原理、经济效益分析等。太阳能联合空气源热泵热水供水系统充分利用了太阳能和空气源热泵机组供热水的各自优点，既实现稳定的热水供应，满足了业主对热水的要求，又节约能源，减少污染物的排放。【Abstract】TakingtheprojectofahospitalbuildinginKunmingasanexample,designideas,mainparameters,designprinciplesandeconomicbenefitanalysisofahotwatersystemusingsolarenergycombinedwithairsourceheatpumpareintroducedinthispaper.Thishot-watersystemtakesfulladvantageoftherespectivemeritsofbothsolar-energyheatpumpandair-resourceheatpump,whichenablesustomeettheownersneedofastablehotwaterservicewhileguaranteeingtheenergy-conservationandcontaminations-reductionatthesametime.【关键词】太阳能联合空气源热泵热水系统；太阳能；空气源热泵；节能减排【Keywords】solar-airsourceheatpumphotwatersystem;solarenergy;airsourceheatpump;energy-conservationandcontaminations-reduction【中图分类号】TU822+.1【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2011）11-0099-04【作者简介】张青萍(1965)，女，陕西长安人，高级工程师，从事给排水设计，（电子信箱）。1前言随着我国经济持续高速发展，缺煤、缺电、缺油几乎同时出现。能源问题不仅仅是供需缺口问题，我国能源工业除了要满足不断增长的能源需求外，还面临两大挑战：即能源发展和环境保护的矛盾；能源效率低，制约能源和经济社会可持续发展。建筑在建造过程中是耗能大户，建筑能耗约占全国总用能的1/4，居耗能之首。随着人民生活水平不断提高，社会对环境保护的要求越来越高。太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性，以及逐渐显露出的经济性等优势，近年来在建筑中得到广泛利用。医院作为一个热水用水大户，太阳能热水系统在医院应用可以带来可观的经济效益和环境效应。下面以昆明某医院住院楼热水系统工程为例,讨论太阳能联合空气源热泵热水系统供给医院住院楼生活热水的设计思路、设计理念、设计原理、经济效益分析等。2工程概述本项目是由门诊楼、医技楼、住院楼组合的一座综合性建筑，地下1层，地上6层，总建筑面积为40058m2，其中地上30753m2，地下9305m2。编制规模为500床，2000人次/d门诊量的综合性医院。住院楼、手术室全日制供应热水。住院楼、手术室分别设置热水系统。住院楼设计利用建筑屋面设置集中太阳能热水系统，辅助热源采用空气源热泵。3热水系统设计思路1）充分利用昆明优越的太阳能资源，保证太阳能热水系统的正常工作，系统结构及工作控制应简单可靠，并兼顾维修与安装要求。云南省的太阳辐照量在全国属三类较好的地区，冬季太阳能资源较为丰富，太阳的日照百分率达到75%左右，与昆明同纬度的倾斜面上的平均日太阳辐射量超过15MJ/m2，非常适合太阳能的使用。2）系统采用太阳能与太阳能辅助加热空气源热泵结合作为集中热水系统的热源，其目的在于取长补短，优势互补，是一种较为理想的供热方式。在日光充足时优先使用太阳能加热热水，在太阳能不能满足热水供应时，空气源热泵将太阳能产生的低温热水加热至供水要求。这种组合形式，使二者均在相对比较稳定的条件下工作，保证系统全年全天候的工作。3）系统采用循环制热、热水循环供水，为住院楼提供舒适的生活热水。4）力求使系统使用效果最佳，实现系统节能、运行节能、管理节能，最大限度地降低电能消耗，从而达到节能、降耗的目的。5）系统设计时考虑先进性、安全性、可靠性、耐久性等综合因素。6）热泵主机同型号配置，零部件均具有互换性，最大限度地减低备品备件费用。4热水系统主要设计参数的确定4.1设计日用热水量4.1.1用水人数：住院楼规模为500床。4.1.2系统设计日用热水量病房：Qd=500床80L/（床d）=40m3/d(60热水)洗衣房：Qd=1000kg20L/kg=20m3/d(60热水)4.2太阳能集热器面积Ac=QwC(t2-t1)f/JTncd(1-nL)式中，Ac为太阳能集热器总面积，m2；Qw为最大日用热水量，m3/d；C为水的比热容，取4.187kJ/（kgK）；t1为冷水温度，取15；t2为热水温度，取60；f为太阳能保证率，取0.5；为水的密度，取1000kg/m3；JT为年平均日太阳辐射量，15551kJ/m2；ncd为集热器年平均集热效率，取0.5；nL为储热水箱及管路热损失率，取0.2。则：Ac=908m2，实际选用真空集热管581800，每块集热面积为6.35m2，共选用143块集热器。4.3热泵配置及热泵热负荷计算1）工作条件设定：热泵设置于白天高温时间段工作。年平均温度：环境温度15，进水温度15；冬季温度：环境温度10，进水温度9。2）全天用水量(60)：60m3。3）全天耗热量年平均：W=Q全（tr-tl）860=60000（60-15）860=3139（kW）冬季平均：W=Q全（tr-tl）860=60000（60-9）860=3558（kW）选用空气源热泵，每台额定输入功率9.1kW，多台设置，可保证单台热泵故障时还有热水供应。4）热泵工作效率：所选用的空气源热泵在环境温度15/进水温度15时，产水量676L/h；环境温度10/进水温度9时，产水量555L/h。5）热泵配置数量：按平均工作条件、每天15h工作时间计算：60000L676L/h15h=5.9台取定6台。6）工作时间校核：年平均15h/d，冬季18h/d；全年平均：60000L676L/h6台=14.8h/d；冬季：60000L555L/h6台=18h/d。热泵选型结论：所选型热泵的制热能力、数量符合技术条件要求，在设计环境温度、进水温度条件下的工作状况，完全满足系统要求。另外，昆明市冬季太阳能资源较为丰富，太阳的日照百分率达到75%左右，与昆明同纬度的倾斜面上的平均日太阳辐射量超过15MJ/m2，有效缓解了热泵机组极端低温气候产能不足的缺陷。设计热泵恒温水箱容积40m3，尺寸为4000mm4000mm2500mm。设计太阳能保温水箱（集热水箱）容积20m3，尺寸为4000mm2000mm2500mm。5太阳能联合空气源热泵的热水系统原理本工程市政自来水压力不稳定，住院楼冷水系统一至六层均为不锈钢水箱+变频水泵的方式供给，热水系统采用变频水泵供给。5.1太阳能联合空气源热泵的热水系统控制原理1）住院楼太阳能联合空气源热泵热水供水系统实现自动控制。2）集热器向集热水箱供水的温差循环：当集热器温度高于集热水箱温度5时，集热器循环泵自动启动，温差2，循环泵停止。3）热水用水系统的定时定温管路循环：在设定的时间段内，检测用水系统回水管道中水温低于设定温度5时，启动用水系统供水泵，将管路中的相对低温水打入恒温水箱，同时恒温水箱中的相对高温的水进入热水用水系统管道，当热水管路中的水温55后，水泵停止循环。4）集热器的高温断续循环：当集热器温度95，且仅高于恒温水箱温度210范围内时，集热器循环泵每循环10min，停20min（防空晒炸管）。5）辅助加热：若恒温水箱中的水温50时，热泵循环泵打开，空气源热泵自动对恒温水箱中的水进行加热，直至55时热泵循环泵与空气源热泵均停止。5.2太阳能空气源热泵联合的热水系统原理图太阳能联合热泵热水系统原理图见图16.1系统运行能耗比较在相同条件下,分别利用太阳能联合热泵、空气源热泵、燃油热水锅炉及电热水锅炉,将1m3温度为10的水加热至60所消耗的电量或燃料及费用见表1。电价为0.70元/(kWh),煤油5.80元/kg。全年360d，阴雨天为90d，太阳能年有效工作时间270d6.2系统的年节能量年节能量的计算公式如下：Qsave=AmJT（1-c）cd式中，Qsave为太阳热水系统的节能量，MJ；Am为直接系统的太阳集热器面积，908m2；JT为太阳集热器采光表面上的年太阳辐照量，5675.75MJ；cd为太阳集热器的全日集热效率，0.5；c为管路和水箱的热损失率，20%。则：太阳热水系统的节能量Qsave=2061432.4MJ。6.3寿命期内系统的总节省费用寿命期内总节省费用的计算公式如下：Sav=Pi(QsaveCc-ADJ)-A式中，Sav为系统寿命期内总节省费用，元；Pi为折现系数；Cc为常规能源热价，0.21元/MJ；A为太阳热水系统总增投资，1200000元；DJ为维修费用，每年用于与太阳热水系统有关的维修费用占总增投资的百分率，一般取1%，其中：Pi=1d-e1-1+e1+dn式中，d为年市场折现率，可取银行贷款利率，6.8%；e为年燃料价格上涨率，1%；n为分析节省费用的年限，从系统开始运行算起，集热系统寿命为15a。则：系统寿命期内总节省费用为2916409.9元。6.4系统增投资回收年限的预评估Pi(QsaveCc-ADJ)=A即系统的总节能费用等于增投资时的n为系统的回收年限NeConstruction&DesignForProject工程建设与设计4.3.3消防外网合一存在的问题讨论1）室外管道系统较大对管网保压不利。室外消防管道为稳高压系统,平时必须保持较高并且稳定的压力。新校区室外消防管道系统较大,产生渗漏水的几率也较大,渗漏量也相对较大,对管网的保压不利。因此必须加强施工质量管理,确保管网系统的工程质量，同时在选用消防稳压泵时应充分考虑管网渗漏量较大的因素,建议设计人员适当加大消防稳泵。2）采取有效措施控制自动喷水灭火系统的作用时间。自动喷水灭火系统的灭火持续时间为1h,室内消火栓灭火系统为2h,采用合用室外消防管网可能会引起自动喷水灭火系统在作用时间超过其有效时间后仍继续喷水,造成消防水量的流失。应采取一定的措施对其进行控制。比如在各个单体建筑物的消防设计中,在其自动喷水灭火系统进户总管处设明显标志,用于人工关闭该进水总管也可在各湿式报警阀前增设电磁阀由消控中心控制,关闭自动喷水灭火系统进水管。3）消防区域联动问题。由于新校区室外消防系统比较大,因此各种消防联动控制信号到消防控制中心和消防泵房路途很长,造成信号衰减比较严重,需与电气专业设计人员配合,是否每隔单位长度对其信号进行处理或放大。另外，区域联合集中设置的消防泵如何控制,能不能根据区域内各单体建筑不同的消防水量实行水泵的变量运转等。以上的这些问题仍需要深入探讨。5结论连云港职业技术学院新校区生活、消防给水工程具有系统复杂、配置高、设置范围广、设置点分散等特点。从近三年实际运行情况看，整个校区存在生活给水系统外网压力大，消