引言
在能源危机和环境污染双重压力下, 可再生能源的开发与利用得到高度重视与大力支持。民用建筑节能计中应优先采用可再生能源及废热回收作为热源以达到节能减排的目的其中利用太阳能、空气能制备生活热水的集中热水系统得到迅速推广和发展。空气源热泵热水机被认为是当今世界上开拓利用能源最好的设备之一, 是继锅炉、燃气热水器、电热水器和太阳能热水器之后的新一代热水制取设备。浙江省人大于2012年6月颁布实施了《浙江省可再生能源开发利用促进条例》, 将利用空气源热泵热水系统列为可再生能源范畴, 因此, 在某些不具备安装太阳能集热器的建筑或部位可选用空气源热泵加热生活热水。但与常规热源相比, 空气源热泵加热供水系统受环境温度、被加热水水温等影响, 其集中热水系统的设计不能套用常规热源集中热水系统的设计方法。在实际工程设计中, 如何正确合理的设计空气源热泵集中热水系统, 并切实达到节能效果, 已成为空气源热泵热水系统推广应用的关键。本文结合实际工程案例, 详细介绍了空气源热泵+辅热集中集热、集中供热系统设计计算、设备选型过程, 并根据项目特点, 提出更为经济合理的设计方案。
1. 工程概况
本项目为杭州某医院病房楼, 共五层。一层为办公区域, 二~五层为门诊和病房, 热水供应点为病房洗浴、各诊室洗手热水。病房开设床位500张, 要求全日制集中供热, 热水不能有意外中断。
2. 热水系统选择
为了保证冷热水压力平衡, 为病人提供舒适的热水供应条件, 热水系统采用与生活给水相同的压力分区, 采用变频加压供水。按浙江省可再生能源要求, 在民用建筑中宜根据供水条件和要求选用太阳能热水系统、空气源热泵热水系统。由于本工程屋面条件的限制, 太阳能热水系统的使用受到限制, 故优先选用空气源热泵热水系统。另外, 考虑到医院热水用水可靠性要求较高, 空气源热泵设置辅助热源, 辅助热源为院区自备锅炉房提供的高温热水。空气源+辅热供热系统原理图见下图1。
(1) 空气源预热, 辅热热源补热, 这样能充分利用空气能, 减少辅热供热量, 满足节能和使用要求。
(2) 热泵机组分成3组, 每组4台, 通过集热水罐内水温来控制热泵集热循环泵及热泵机组的启停;同时根据水温变化情况控制热泵机组的启停组数。
(3) 系统回水进辅热水加热器, 否则, 因集热水罐内水温高将降低空气能集热效果, 且在集热器检修时, 系统无热水供应。
3 热水系统计算
3.1 热水量计算
根据《建筑给水排水设计规范》第5.3.2条[4], 本项目60℃热水用水量计算参数及结果见表1。
3.2 总耗热量计算
根据《建水规》第5.3.1条, 全日供应热水建筑的集中热水供应系统的设计小时耗热量为:
式中:qrh-最高时热水用水量, 60℃;
C-水的比热, 4187J/ (Kg·℃)
tr-热水温度, 最高水温60℃;
tl-冷水温度取10℃;
ρr-热水密度, 取0.983Kg/L。
3.3 热量分配
为保证建筑供热系统的稳定, 本项目按照总耗热量配置辅助加热装置;空气源热泵的配置根据《民用建筑可再生能源应用核算标准》, 考虑年节能量的要求外适当留有余地, 实际使用中可适当延长热泵的工作时间和辅热系统来满足最不利时段的用热需求, 最不利时段空气源热泵的每日工作时间不超过20h。
3.4 空气源热泵主机选型
空气源热泵机组放置在病房楼屋面, 储热设备设在地下一层热交换间内。
1) 空气源热泵设计小时供热量:
根据《太阳能与空气源热泵热水系统应用技术规程》5.3.2条, 空气源热泵热水系统设计小时供热量为:
式中:qr-热水用水定额 (L/人·d或L/床·d) , 按《民用建筑节水设计标准》中的平均日节水用水定额取值 (温度不同时, 按等热量换算水量) ;
tr-热水温度 (℃) , tr=55℃;
tl-冷水温度取 (℃) , 按杭州地区农历春分月平均水温, tl=13℃;
T1-热泵机组设计工作时间 (h) , 取14h。
K1-安全系数, 取1.1;
ρ-水的密度, 取1.0Kg/L。
2) 热泵输入功率
根据《技术规程》5.3.3条, 空气源热泵输入功率按下式计算:
式中:Qr-热泵的输入功率 (Kw) ;
COP-热泵热水系统的能效比, 考虑全年使用取2.5。
3) 热泵机组选型
选用热泵机组12台, 单台输入功率为9.15Kw, 实际总输入功率为109.8Kw;每台制热量42Kw, 实际总制热量为504Kw。
3.5 空气源热泵贮热容积计算
空气源热泵集热贮热有效容积可按《技术规程》5.4.3-2式计算:
3.6 辅助热源热交换器选型计算
根据《建水规》5.4.3条规定, 本项目选用无滞水区的半容积式水水换热器, 设于地下一层热交换间内, 其工作压力为0.4MPa, 热源为锅炉房提供的85℃高温热水。
1) 贮水容积Ve
根据《建水规》5.4.10第1款规定, 半容积水加热器的贮热量不小于20min的设计小时耗热量。
2) 总容积V
式中:η=1.0即半容积式水加热器无冷温水区。
3) 总传热面积F
按《水规》5.4.6条:
式中:K-传热系数[k J/ (m2·℃·h) ], 参考图集16S122, 其计算值为1500x0.8;
Δt-热媒与被加热水的计算温度差 (℃) , 按《水规》5.4.7条规定确定:
4) 查图集16S122“HRV (BHRV) 半容积式水加热器选用表”, 选2台单罐容积为2.0m3的罐, 单罐传热面积为12.2 m2, 则实际贮水容积为2.0X2=4.0 m3>3622.8L, 实际总换热面积为12.2x2=24.4 m2>19.31 m2, 最后确定选型为2台HRV (BHRV) -02-2.0-1.6/0.6。
4. 空气源热泵+辅热供热系统设计特点
(1) 空气源与辅热源热水罐分开设置。
设计空气源集热水罐与辅热供热水罐分开设置, 辅热热源设在供热设施内。这要可以最大限度的利用空气热源系统, 实现高效节能。
(2) 小机组, 大贮热容积。
由于空气源热泵机组一次投资费用较高, 适当增大贮热容积, 可采用较小型的机组, 既经济又可减少受环境温度的影响。按《技术规程》5.4.3, 集热水罐需贮存热泵不工作时段内的平均时用水量之和。而作为辅热的常规热源, 按《建水规》5.4.10, 对于半容积式水加热器热媒为≤95℃高温水时, 其贮热容积为20~40min Qh。本项目空气源热泵贮热水罐容积为31.4 m3, 辅热水加热器贮热容积为3.63 m3, 其贮热容积相差约9倍。
(3) 热泵机组通过集热罐内水温来控制运行。
空气源集热换热是循环加热过程, 通过集热罐内水温来控制热泵机组运行, 热泵机组的供热量、集热效率与此水温密切相关。而辅热的高温热媒水为高密度热源[8], 因本项目为全日制供热, 水加热器内水经常处于较高水温状态, 如共用水加热器, 则会极大减少空气源集热系统的集热换热时间, 其热量得不到有效利用, 同时集热效率也急剧下降。
5. 结语
空气源热泵热水系统是一种新型的高效、环保、安全的节能热水供应系统, 空气源热泵热水系统逐步替代电、燃气、燃油热水系统是必然趋势, 值得大力推广和应用。本文结合实际工程, 详细介绍了空气源热泵+辅热集中集热、集中供热系统设计计算、设备选型过程, 希望能对其它项目空气源热泵热水系统的设计提供参考。
摘要：结合实际工程案例, 详细介绍了空气源热泵＋辅热集中集热、集中供热系统设计计算、设备选型过程, 并根据项目实际情况, 提出更为经济合理的设计方案, 其设计思路可供相关工程参考。
关键词：空气源热泵,辅热,集中供热,热水系统
参考文献
[1] DB33/1015-2015居住建筑节能设计标准
[2] 崔玉平空气源热泵热水机渐成“新宠”中国工业报2009年2月26日第B02版石化通用机械周刊
[3] DB33/1034-2016太阳能与空气源热泵热水系统应用技术规程
[4] GB50015-2003建筑给排水设计规范 (2009年版)
[5] DB33/1105-2014《民用建筑可再生能源应用核算标准》
[6] GB50555-2010《民用建筑节水设计标准》
[7] 16S122.水加热器选用与安装--国家建筑标准设计图集.北京:中国计划出版社, 2016
[8] 刘振印太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨[J].给水排水, 2011.Vol.37 No.1:62