引言
在能源危機和環境污染雙重壓力下, 可再生能源的開發與利用得到高度重視與大力支持。民用建筑節能計中應優先采用可再生能源及廢熱回收作為熱源以達到節能減排的目的其中利用太陽能、空氣能制備生活熱水的集中熱水系統得到迅速推廣和發展?？諝庠礋岜脽崴畽C被認為是當今世界上開拓利用能源最好的設備之一, 是繼鍋爐、燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器之后的新一代熱水制取設備。浙江省人大于2012年6月頒布實施了《浙江省可再生能源開發利用促進條例》, 將利用空氣源熱泵熱水系統列為可再生能源范疇, 因此, 在某些不具備安裝太陽能集熱器的建筑或部位可選用空氣源熱泵加熱生活熱水。但與常規熱源相比, 空氣源熱泵加熱供水系統受環境溫度、被加熱水水溫等影響, 其集中熱水系統的設計不能套用常規熱源集中熱水系統的設計方法。在實際工程設計中, 如何正確合理的設計空氣源熱泵集中熱水系統, 并切實達到節能效果, 已成為空氣源熱泵熱水系統推廣應用的關鍵。本文結合實際工程案例, 詳細介紹了空氣源熱泵+輔熱集中集熱、集中供熱系統設計計算、設備選型過程, 并根據項目特點, 提出更為經濟合理的設計方案。
1. 工程概況
本項目為杭州某醫院病房樓, 共五層。一層為辦公區域, 二~五層為門診和病房, 熱水供應點為病房洗浴、各診室洗手熱水。病房開設床位500張, 要求全日制集中供熱, 熱水不能有意外中斷。
2. 熱水系統選擇
為了保證冷熱水壓力平衡, 為病人提供舒適的熱水供應條件, 熱水系統采用與生活給水相同的壓力分區, 采用變頻加壓供水。按浙江省可再生能源要求, 在民用建筑中宜根據供水條件和要求選用太陽能熱水系統、空氣源熱泵熱水系統。由于本工程屋面條件的限制, 太陽能熱水系統的使用受到限制, 故優先選用空氣源熱泵熱水系統。另外, 考慮到醫院熱水用水可靠性要求較高, 空氣源熱泵設置輔助熱源, 輔助熱源為院區自備鍋爐房提供的高溫熱水?？諝庠?輔熱供熱系統原理圖見下圖1。
(1) 空氣源預熱, 輔熱熱源補熱, 這樣能充分利用空氣能, 減少輔熱供熱量, 滿足節能和使用要求。
(2) 熱泵機組分成3組, 每組4臺, 通過集熱水罐內水溫來控制熱泵集熱循環泵及熱泵機組的啟停;同時根據水溫變化情況控制熱泵機組的啟停組數。
(3) 系統回水進輔熱水加熱器, 否則, 因集熱水罐內水溫高將降低空氣能集熱效果, 且在集熱器檢修時, 系統無熱水供應。
3 熱水系統計算
3.1 熱水量計算
根據《建筑給水排水設計規范》第5.3.2條[4], 本項目60℃熱水用水量計算參數及結果見表1。
3.2 總耗熱量計算
根據《建水規》第5.3.1條, 全日供應熱水建筑的集中熱水供應系統的設計小時耗熱量為:
式中:qrh-最高時熱水用水量, 60℃;
C-水的比熱, 4187J/ (Kg·℃)
tr-熱水溫度, 最高水溫60℃;
tl-冷水溫度取10℃;
ρr-熱水密度, 取0.983Kg/L。
3.3 熱量分配
為保證建筑供熱系統的穩定, 本項目按照總耗熱量配置輔助加熱裝置;空氣源熱泵的配置根據《民用建筑可再生能源應用核算標準》, 考慮年節能量的要求外適當留有余地, 實際使用中可適當延長熱泵的工作時間和輔熱系統來滿足最不利時段的用熱需求, 最不利時段空氣源熱泵的每日工作時間不超過20h。
3.4 空氣源熱泵主機選型
空氣源熱泵機組放置在病房樓屋面, 儲熱設備設在地下一層熱交換間內。
1) 空氣源熱泵設計小時供熱量:
根據《太陽能與空氣源熱泵熱水系統應用技術規程》5.3.2條, 空氣源熱泵熱水系統設計小時供熱量為:
式中:qr-熱水用水定額 (L/人·d或L/床·d) , 按《民用建筑節水設計標準》中的平均日節水用水定額取值 (溫度不同時, 按等熱量換算水量) ;
tr-熱水溫度 (℃) , tr=55℃;
tl-冷水溫度取 (℃) , 按杭州地區農歷春分月平均水溫, tl=13℃;
T1-熱泵機組設計工作時間 (h) , 取14h。
K1-安全系數, 取1.1;
ρ-水的密度, 取1.0Kg/L。
2) 熱泵輸入功率
根據《技術規程》5.3.3條, 空氣源熱泵輸入功率按下式計算:
式中:Qr-熱泵的輸入功率 (Kw) ;
COP-熱泵熱水系統的能效比, 考慮全年使用取2.5。
3) 熱泵機組選型
選用熱泵機組12臺, 單臺輸入功率為9.15Kw, 實際總輸入功率為109.8Kw;每臺制熱量42Kw, 實際總制熱量為504Kw。
3.5 空氣源熱泵貯熱容積計算
空氣源熱泵集熱貯熱有效容積可按《技術規程》5.4.3-2式計算:
3.6 輔助熱源熱交換器選型計算
根據《建水規》5.4.3條規定, 本項目選用無滯水區的半容積式水水換熱器, 設于地下一層熱交換間內, 其工作壓力為0.4MPa, 熱源為鍋爐房提供的85℃高溫熱水。
1) 貯水容積Ve
根據《建水規》5.4.10第1款規定, 半容積水加熱器的貯熱量不小于20min的設計小時耗熱量。
2) 總容積V
式中:η=1.0即半容積式水加熱器無冷溫水區。
3) 總傳熱面積F
按《水規》5.4.6條:
式中:K-傳熱系數[k J/ (m2·℃·h) ], 參考圖集16S122, 其計算值為1500x0.8;
Δt-熱媒與被加熱水的計算溫度差 (℃) , 按《水規》5.4.7條規定確定:
4) 查圖集16S122“HRV (BHRV) 半容積式水加熱器選用表”, 選2臺單罐容積為2.0m3的罐, 單罐傳熱面積為12.2 m2, 則實際貯水容積為2.0X2=4.0 m3>3622.8L, 實際總換熱面積為12.2x2=24.4 m2>19.31 m2, 最后確定選型為2臺HRV (BHRV) -02-2.0-1.6/0.6。
4. 空氣源熱泵+輔熱供熱系統設計特點
(1) 空氣源與輔熱源熱水罐分開設置。
設計空氣源集熱水罐與輔熱供熱水罐分開設置, 輔熱熱源設在供熱設施內。這要可以最大限度的利用空氣熱源系統, 實現高效節能。
(2) 小機組, 大貯熱容積。
由于空氣源熱泵機組一次投資費用較高, 適當增大貯熱容積, 可采用較小型的機組, 既經濟又可減少受環境溫度的影響。按《技術規程》5.4.3, 集熱水罐需貯存熱泵不工作時段內的平均時用水量之和。而作為輔熱的常規熱源, 按《建水規》5.4.10, 對于半容積式水加熱器熱媒為≤95℃高溫水時, 其貯熱容積為20~40min Qh。本項目空氣源熱泵貯熱水罐容積為31.4 m3, 輔熱水加熱器貯熱容積為3.63 m3, 其貯熱容積相差約9倍。
(3) 熱泵機組通過集熱罐內水溫來控制運行。
空氣源集熱換熱是循環加熱過程, 通過集熱罐內水溫來控制熱泵機組運行, 熱泵機組的供熱量、集熱效率與此水溫密切相關。而輔熱的高溫熱媒水為高密度熱源[8], 因本項目為全日制供熱, 水加熱器內水經常處于較高水溫狀態, 如共用水加熱器, 則會極大減少空氣源集熱系統的集熱換熱時間, 其熱量得不到有效利用, 同時集熱效率也急劇下降。
5. 結語
空氣源熱泵熱水系統是一種新型的高效、環保、安全的節能熱水供應系統, 空氣源熱泵熱水系統逐步替代電、燃氣、燃油熱水系統是必然趨勢, 值得大力推廣和應用。本文結合實際工程, 詳細介紹了空氣源熱泵+輔熱集中集熱、集中供熱系統設計計算、設備選型過程, 希望能對其它項目空氣源熱泵熱水系統的設計提供參考。
摘要：結合實際工程案例, 詳細介紹了空氣源熱泵＋輔熱集中集熱、集中供熱系統設計計算、設備選型過程, 并根據項目實際情況, 提出更為經濟合理的設計方案, 其設計思路可供相關工程參考。
關鍵詞：空氣源熱泵,輔熱,集中供熱,熱水系統
參考文獻
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[2] 崔玉平空氣源熱泵熱水機漸成“新寵”中國工業報2009年2月26日第B02版石化通用機械周刊
[3] DB33/1034-2016太陽能與空氣源熱泵熱水系統應用技術規程
[4] GB50015-2003建筑給排水設計規范 (2009年版)
[5] DB33/1105-2014《民用建筑可再生能源應用核算標準》
[6] GB50555-2010《民用建筑節水設計標準》
[7] 16S122.水加熱器選用與安裝--國家建筑標準設計圖集.北京:中國計劃出版社, 2016
[8] 劉振印太陽能集中熱水供應系統的合理設計探討[J].給水排水, 2011.Vol.37 No.1:62