学生公寓空气源热泵热水系统工程设计

龙权钊 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335 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我校新校区学生公寓 A A 栋集中式生活热水系统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 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 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 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 336 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 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 设计基础与依据设计基础与依据 2 12 1 工程概况工程概况 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 22 2 设计依据设计依据 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 给水排水设计手册 和 给水排水标准图集 等 2 32 3 设计参数设计参数 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 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 考虑到高温热水容易结垢 对设备腐蚀 冷水补水先进行软化处理 3 3 工程设计工程设计 3 3 1 1 热水量与耗热量的计算热水量与耗热量的计算 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 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使用率不大于 50 龙权钊 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337 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 0 5 2 1 bNqQ ohq 式中 在卫生器具使用水温条件下的混合热水量 L h q Q 同类型卫生器具数 A 栋为 390 o N 系统卫生器具同时使用百分数 取 70 2 b 使用水温与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 2 100 tt tt lr lh r K 采用定时热水供应系统 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 QrC r 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 r 热水密度 0 986kg L 55 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 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 84703760 3 3 2 2 总体方案的设计总体方案的设计 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 3 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 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 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 338 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 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 表中所需热量的计算是按照公式 Q C m tr tl 取 1000 千克水由 15 加热到 60 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 图 2 空气源热泵热水系统原理图 3 3 热水管网的设计热水管网的设计 3 3 1 热水管网的布置与水力计算 龙权钊 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339 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献 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 0 041W m 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 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 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 3 4 主要设备的选型计算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 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 0 035W m 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 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 T A10519 5126 5YCAB120RC112355BXG 1010 2 B10519 5126 5YCAB120RC112355BXG 1010 2 C10018 6120 5YCAB120RC112355BXG 1010 2 D801596YCAB120RC112355BXG 88 2 3 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 340 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 配水泵计算与选型 系统分 区 所需流量 m3 h 所需扬程 m 型号 额定流量 m3 h 额定扬程 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 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 55 58 由电动闸阀 控制冷水的补水量来实现 超过了 60 就启动保护措施停机 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 各种模式 F1F2F3F4F5P1P2P3 主机 龙权钊 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341 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 3 6 耗能计算与经济性分析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 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使用 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