学生公寓空气源热泵热水系统工程设计

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和动力工程专业指导老师王健敏摘要：本设计依据舒适、经济、管用、便于管理的原那么，充分考虑节能和环保的要求，通过对各种热水系统进展经济性分析，结合我校新校区学生公寓的运用状况，接受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。并对系统运行限制方案进展合理的设计，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HotWaterSystemengineeringdesignforStudentApartmentwithCentralAirSourceHeatPumpLONGQuan-zhaoDepartmentofMechanicalandElectricalEngineeringHeatEnergyandPowerEngineeringFacultyAdviserWANGJian-minAbstract：Basedonsuchprinciplesascomfortability,economicalefficiency,practicalandconvenientformanaging,fullyconsideringtherequirementsforenergysavingandenvironmentalprotection,economicallyanalyzingeachkindofhotwatersystemandcombiningtheusingsituationofthestudentapartmentofournewcampus,thedesignadoptstheairsourceheatpumphotwatersystemtoaccomplishthewholeprojectdesignofitssysteminstudentapartment.Also,theproperdesignontheoperatingandcontrollingschemeofthesystemwascarriedtoplayitsroleassavingenergyfortheairsourceheatpumpsystemtothegreatestextent.Keyword:airsourceheatpump；lifehotwater；heatpumpandhotwater；studentapartment1前言改革开放20多年来，广东的经济、科技、教化等各项事业发生了天翻地覆的变更，高等教化也出现了前所未有的高速开展。在八、九十年头，学生用热水主要依靠学生宿舍区建立的锅炉房供应的热水，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惊惶问题。以煤的干脆燃烧为主的能源构造和用能系统效率低下，是造成我国大气污染紧要和能源短缺的主要缘由。如何选择相宜的热水供应系统，让人口、资源、环境能够得到和谐的开展，合理、经济地为学生供应良好的生活条件，这些都是学校要谨慎考虑的问题。针对这种状况，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、平安、牢靠等优势[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旺盛，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，标记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展经济性分析，依据节能、环保、经济管用、便于管理的原那么，结合运用状况，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，并进展了运行节能限制设计和经济性分析。2设计根底和依据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、书店等功能运用；二至六层作为学生宿舍运用。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：建筑单位供应的建筑图纸和相关要求、《建筑给水排水设计标准》〔GB50013-2003以下简称“设计标准”〕、《给水排水设计手册》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21.8℃。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此时此刻冬季，因此取冬季参数为本系统设计参数。依据“设计标准”，我校学生公寓每室四人已不是传统集体宿舍那样密集，和住宅更相近，所以热水定额qh取住宅类定额较大值200l/h；热水设备出口热水水温tr选取55℃，卫生器具用水温度th为40℃，冷水温度tl取10℃；热水水质应符合现行《生活饮用水卫生标准》——GB5749-2005的要求,考虑到高温热水简洁结垢，对设备腐蚀，冷水补水先进展软化处理。3工程设计3．1热水量和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，顶峰运用时间在黄昏和晚上，从学生运用特点和学校管理便利的要求启程，接受定时供应的热水管理方法，供水时间τ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15~30分钟，因此，供水期间卫生器具的平均运用率不大于50%。定时热水供应系统，在卫生器具的运用水温下的小时热水量计算公式*0.5[2](1)式中——在卫生器具运用水温条件下的混合热水量，L/h;——同类型卫生器具数，A栋为390；——系统卫生器具同时运用百分数，取70％[2]。运用水温顺设备出水温度换算系数Kt〔主机供应55℃热水量占混合水量的百分数〕计算公式[2](2)接受定时热水供应系统，热水主机设计小时热水量〔55℃〕计算Qr=KrQq.(3)热源每天所需总供热量为：Qd=τQrCρr(tr-tl)kw(4)Qd——集中热水系统的每天总耗热量，；C——水的比热，4.187KJ/〔kg.℃〕；ρr——热水密度，0.986kg/L〔55℃从削减设备配置和投资并便于管理考虑，设定机组定时运行8h，分时段供热水4h，总的热水量和耗热量计算结果见表1表1定时供热水系统热水量和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QrT/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态以及建筑构造，对建筑进展横向分解，详细的分区如图1所示，分为A、B、C、D四个区，各区设置1个热水系统。3．2．2热源的选择在选择热源时须要考虑地区的气温、日照状况，利用现有的资源，合理选择经济、高效、环保的热源。对各种能源或热源设备从热效率、能效比等进展比拟分析[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，空气源热泵机组是最志向的选择；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，有必需的经济性，燃煤锅炉作为传统的供热方式始终存在到今日也是得益于这个优势。但是，燃煤锅炉对环境污染紧要，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拟，没有考虑到其设备运行费用，燃煤锅炉系统的运行费用比拟高，燃料的供应系统以及空气供应系统都须要消耗较多的电能。而表2中空气源热泵机组的费用已经包括了大局部的电能在内，它经济性优势也是明显的。因此，本设计热源接受空气源热泵，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自然气立方米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.表中所需热量的计算是遵照公式Q=C.m〔tr–tl〕，取1000千克水由15℃加热到60℃热水供应方式的设计学生公寓晚上运用热水比拟集中，接受定时供应热水比拟合理和经济。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，消耗一样的电能，得到更多的热量，从而到达节能、省电的目的，因而接受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。考虑到供水的便利，以及热水的水力平衡，热水从蓄热水箱出来经主干管分到立管，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在立管底部和供水立管底部连接。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，图2空气源热泵热水系统原理图3．3热水管网的设计3.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；干管上设置水纹管补偿器；立管穿楼板时加上套管，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，循环干管和立管等可能产生热损失的地方接受保温措施，以削减无效热损失。保温层厚度可以参照文献[4]进展估算。选用聚苯乙烯作为管道的保温材料，其导热系数λ=0.041W／(m·℃)；而蓄热水箱接受灌装硬质聚氨脂泡沫塑料作保温〔水箱配套材料〕，设备在接受保温措施之前，进展防腐处理。保温材料和管道或设备外壁严密相贴，在保温层外外表做防护层。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接受0.8～1.2m/s[2]。计算最不利循环管路和最不利配水管路总的阻力损失分别为98.8kPa和44.59kPa。热水泵的扬程除路总阻力外还需克制设备阻力、出口余压〔开式局部有〕并保证10%的余量。蓄热水箱和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缺乏，影响运用的舒适性,所以我校学生公寓拟接受单水箱定温配置系统。自来水经软化处理后，干脆补水至空气源热泵热水机组，满足客户运用要求的高温水从主机排向保温蓄热水箱储存备用,补水的限制由补水电磁阀限制，以保证补水在合理的范围内，得到预设的机组出水温度。3．4主要设备的选型计算3．4．.1空气源热泵热水机组及水箱选型依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源热泵热水机组；蓄热水箱接受全蓄热方式，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λ=0.035W／(m·℃)〕，各个分区详细选型见表3。和表1所需的供热量和供热水量相比，可满足要求。表3各分区系统的热源设备计算选型结果分区分区宿舍数热水量T/D供热量负荷kw所选热泵机型热泵数量台额定制热量kw额定温度℃所选蓄热水箱型号蓄热水箱容量TA10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010×2B10519.5126.5YCAB120RC112355BXG-1010×2C10018.6120.5YCAB120RC112355BXG-1010×2D801596YCAB120RC112355BXG-88×23．4.2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，防止水泵停顿运行后发生水倒流，水击叶轮。热水水泵的台数和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，且和补水时间错开，为了简化系统及削减投资，补水和循环合用一台水泵，后面提到的循环泵或补水泵都是指同一泵。遵照补水泵的流量和扬程来选取。依据流量及计算结果选择各个分区水泵选型如表4：表4热水配水泵计算和选型系统分区配水泵计算和选型所需流量m3/h所需扬程m型号额定流量m3/h额定扬程mA1112.85DFRG40-125(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)/2/1.18.813.6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运行方案和计费系统的设计设定主机早上9：00起先进展热水的制备，主机设定出水温范围是55℃～58℃〔由电动闸阀限制冷水的补水量来实现〕，超过了60℃就启动爱惜措施停机。符合要求的热水在蓄热水箱中存储，当蓄热水箱水位到达设定值，液位信号器就会把信号变送到限制器，由限制器发出停机的信号，主机和循环泵都停顿，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，进展加热，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限制状况，详细见图3和表5，表中和图的符号是对应的，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限制原理简图表5不同状况下的运行调整各种模式F1F2F3F4F5P1P2P3主机水箱内循环预热调整关开关关关关开开正常运行模式调整关关关开关关开开管道循环预热调整关关开关关开关开供应热水关开关关关开关关关接受按流量运用收费的计费方式，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刚好对卡进展充值，将购置的水量写入用户卡。3．6耗能计算和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1.1kw。假设机组都在额定功况下运行〔4个分区系统都正常投入运用〕，主机一天运行8小时，耗电量25.2×8×4=806.4度；补水泵一天运行8小时，耗电量1.1×8×4=35.2度；供水泵一天运行4小时，耗电量1.1×4×4=17.6度；循环泵〔包括内循环〕耗电量约取3×4=12度，综合计算该系统一天耗电量为871.2度，电费遵照0.7元/