學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計

龍權(quán)釗 學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計 我校新校區(qū)學(xué)生公寓 A 棟集中式生活熱水系統(tǒng)335 學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計 我校新校區(qū)學(xué)生公寓我校新校區(qū)學(xué)生公寓 A A 棟集中式生活熱水系統(tǒng)棟集中式生活熱水系統(tǒng) 龍權(quán)釗 機電工程系 熱能與動力工程專業(yè) 指導(dǎo)教師 王健敏 摘要 摘要 本設(shè)計根據(jù)舒適 經(jīng)濟 實用 便于管理的原則 充分考慮節(jié)能與環(huán)保的要求 通過對各種熱水系統(tǒng)進行經(jīng) 濟性分析 結(jié)合我校新校區(qū)學(xué)生公寓的使用情況 采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng) 完成了我校新校區(qū)學(xué)生公寓 A 棟集中 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的整個工程設(shè)計 并對系統(tǒng)運行控制方案進行合理的設(shè)計 最大限度的發(fā)揮空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié) 能的優(yōu)勢 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 空氣源熱泵 生活熱水 熱泵熱水 學(xué)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 改革開放 20 多年來 廣東的經(jīng)濟 科技 教育等各項事業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化 高等教育 也出現(xiàn)了前所未有的高速發(fā)展 在八 九十年代 學(xué)生用熱水主要依靠學(xué)生宿舍區(qū)建造的鍋爐房提 供的熱水 或設(shè)置分散式電熱水器 踏入新世紀(jì) 高等學(xué)校住宿學(xué)生人數(shù)增加 家長和學(xué)生對學(xué)校 生活水平和住宿管理水平的要求更高了 新建的學(xué)生公寓 大都趨向于安裝便于統(tǒng)一管理 熱水供 至每間宿舍內(nèi)的集中式熱水系統(tǒng) 另一方面 我國正面臨環(huán)境污染和能源緊張問題 以煤的直接燃 燒為主的能源結(jié)構(gòu)和用能系統(tǒng)效率低下 是造成我國大氣污染嚴(yán)重和能源短缺的主要原因 如何選 336 擇合適的熱水供應(yīng)系統(tǒng) 讓人口 資源 環(huán)境能夠得到和諧的發(fā)展 合理 經(jīng)濟地為學(xué)生提供良好 的生活條件 這些都是學(xué)校要認(rèn)真考慮的問題 針對這種情況 能耗低 效率高 無污染的空氣源 熱泵供熱系統(tǒng)正在各大高校的學(xué)生公寓供熱系統(tǒng)中興起并推廣 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有高效節(jié)能 環(huán)保 安全 可靠等優(yōu)勢 1 既適用于集中安裝 也可以分 戶安裝 使得我國空氣源熱泵冷熱水機組市場空前繁榮 已有系列化的成型產(chǎn)品 不僅大型的集中 供熱系統(tǒng) 而且越來越多的小型家用冷暖熱泵空調(diào)器 空氣源熱泵熱水器也投放市場 空氣源熱泵 熱水產(chǎn)品越來越得到用戶的青睞 已經(jīng)成為市場上的新寵 標(biāo)志著空氣源熱泵技術(shù)在熱水系統(tǒng)中的 應(yīng)用越來越成熟 本文通過對各種熱水系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析 根據(jù)節(jié)能 環(huán)保 經(jīng)濟實用 便于管理的原則 結(jié) 合使用情況 對我校新校區(qū)擬新建學(xué)生公寓的熱水供應(yīng)系統(tǒng)完成了整個工程設(shè)計 并進行了運行節(jié) 能控制設(shè)計和經(jīng)濟性分析 2 設(shè)計基礎(chǔ)與依據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)與依據(jù) 2 12 1 工程概況工程概況 仲愷新校區(qū) A 棟學(xué)生公寓位于廣州市白云區(qū) 總建筑面積約為 18710m2 公寓共六層 首層作 為飯?zhí)?商店 副食店 書店等功能使用 二至六層作為學(xué)生宿舍使用 公寓共有 390 間宿舍房間 每個房間配有獨立的衛(wèi)生間和浴室 設(shè)計入住 4 人 每間浴室一個沐浴器 熱水系統(tǒng)全年向淋浴器 供生活熱水 2 22 2 設(shè)計依據(jù)設(shè)計依據(jù) 設(shè)計依據(jù)主要有 建筑單位提供的建筑圖紙與相關(guān)要求 建筑給水排水設(shè)計規(guī)范 GB50013 2003 以下簡稱 設(shè)計規(guī)范 給水排水設(shè)計手冊 和 給水排水標(biāo)準(zhǔn)圖集 等 2 32 3 設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù) 設(shè)計地點在廣州市 東經(jīng) 113 19 北緯 23 08 室外年平均氣溫 21 8 冬季空氣和冷水溫度低于夏季 制備生活熱水所需最大耗熱量出現(xiàn)在冬季 因此取冬季參數(shù) 為本系統(tǒng)設(shè)計參數(shù) 根據(jù) 設(shè)計規(guī)范 我校學(xué)生公寓每室四人已不是傳統(tǒng)集體宿舍那樣密集 與 住宅更相近 所以熱水定額 qh取住宅類定額較大值 200l h 熱水設(shè)備出口熱水水溫 tr選取 55 衛(wèi)生器具用水溫度 th為 40 冷水溫度 tl取 10 熱水水質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) GB5749 2005 的要求 考慮到高溫?zé)崴菀捉Y(jié)垢 對設(shè)備腐蝕 冷水補水先進行軟化處理 3 3 工程設(shè)計工程設(shè)計 3 3 1 1 熱水量與耗熱量的計算熱水量與耗熱量的計算 學(xué)生白天上課 學(xué)生公寓生活熱水主要用于淋浴 高峰使用時間在傍晚和晚上 從學(xué)生使用 特點和學(xué)校管理方便的要求出發(fā) 采用定時供應(yīng)的熱水管理方法 供水時間 為每天 17 00 至 19 15 和 21 15 至 23 00 共四小時 因為每宿舍只有四人 平均每人每次淋浴 15 30 分鐘 因此 供水期間衛(wèi)生器具的平均使用率不大于 50 龍權(quán)釗 學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計 我校新校區(qū)學(xué)生公寓 A 棟集中式生活熱水系統(tǒng)337 定時熱水供應(yīng)系統(tǒng) 在衛(wèi)生器具的使用水溫下的小時熱水量計算公式 0 5 2 1 bNqQ ohq 式中 在衛(wèi)生器具使用水溫條件下的混合熱水量 L h q Q 同類型衛(wèi)生器具數(shù) A 棟為 390 o N 系統(tǒng)衛(wèi)生器具同時使用百分?jǐn)?shù) 取 70 2 b 使用水溫與設(shè)備出水溫度換算系數(shù) Kt 主機供應(yīng) 55 熱水量占混合水量的百分?jǐn)?shù) 計算公式 2 2 100 tt tt lr lh r K 采用定時熱水供應(yīng)系統(tǒng) 熱水主機設(shè)計小時熱水量 55 計算 Qr KrQq 3 熱源每天所需總供熱量為 Qd QrC r tr tl kw 4 Qd 集中熱水系統(tǒng)的每天總耗熱量 C 水的比熱 4 187KJ kg r 熱水密度 0 986kg L 55 從減少設(shè)備配置與投資并便于管理考慮 設(shè)定機組定時運行 8h 分時段供熱水 4 h 總的熱水 量與耗熱量計算結(jié)果見表 1 表 1 定時供熱水系統(tǒng)熱水量與耗熱量計算結(jié)果 系統(tǒng)分類定時供 水時間 h 機組運 行時間 h 設(shè)計小時熱 水量 Qr T h 設(shè)計每天熱 水總量 T d 熱源小時供 熱量 kw 每天總供 熱量 KJ d 定時集中熱水系統(tǒng) 4818 272 84703760 3 3 2 2 總體方案的設(shè)計總體方案的設(shè)計 3 2 1 熱水系統(tǒng)的分區(qū) 六層的學(xué)生公寓是多層建筑 不考慮豎向分區(qū) 考慮到建筑物特有的形狀 以及建筑結(jié)構(gòu) 對建筑進行橫向分解 具體的分區(qū)如圖 1 所示 分為 A B C D 四個區(qū) 各區(qū)設(shè)置 1 個熱水系統(tǒng) 3 2 2 熱源的選擇 在選擇熱源時需要考慮地區(qū)的氣溫 日照情況 利用現(xiàn)有的資源 合理選 擇經(jīng)濟 高效 環(huán)保的熱源 對各種能源或熱源設(shè)備從熱效率 能效比等進行比較分析 3 由表 2 可知道 燃料熱效率或設(shè) 備熱效率最高的是熱泵熱水機組 從能量利用的角度看 空氣源熱泵機組是最理想的選擇 從經(jīng)濟 的角度看 煤作為燃料制熱水 由于本身存在價格優(yōu)勢 有一定的經(jīng)濟性 燃煤鍋爐作為傳統(tǒng)的供 熱方式一直存在到今天也是得益于這個優(yōu)勢 但是 燃煤鍋爐對環(huán)境污染嚴(yán)重 而且這種經(jīng)濟性優(yōu) 勢也有片面性 表 2 僅對于燃料的消耗做經(jīng)濟比較 沒有考慮到其設(shè)備運行費用 燃煤鍋爐系統(tǒng)的 338 運行費用比較高 燃料的供給系統(tǒng)以及空氣供給系統(tǒng)都需要耗費較多的電能 而表 2 中空氣源熱泵 機組的費用已經(jīng)包括了大部分的電能在內(nèi) 它經(jīng)濟性優(yōu)勢也是明顯的 因此 本設(shè)計熱源采用空氣 源熱泵 主機布置在樓宇頂層 表 2 燃料低位發(fā)熱量和熱源設(shè)備的熱效率分析表 燃料或熱源 設(shè)備名稱 燃料單 位 低位發(fā) 熱量 kcal 熱源 熱效 率 實際轉(zhuǎn) 化熱量 kcal 熱水所 需的熱 量 kcal 燃料單位 價格 元 耗燃料數(shù)量 熱水所需費用 元 標(biāo)煤公斤 700060420045051 50 6410 736 86 天然氣立方米 860085731045051 53 466 1621 32 液化石油氣公斤 1050085892545051 56 65 0533 32 電力度 8609581745051 50 755 1438 60 太陽能度 860250215045051 50 720 9514 67 空氣源熱泵度 860350301045051 50 714 9710 48 注 1 表 2 中各種燃料低位發(fā)熱量及熱效率值參考文獻 3 2 表中所需熱量的計算是按照公式 Q C m tr tl 取 1000 千克水由 15 加熱到 60 計算 3 燃料的價格只作為計算參考 以市場實際價格為準(zhǔn) 3 2 3 熱水供應(yīng)方式的設(shè)計 學(xué)生公寓晚上使用熱水比較集中 采用定時供應(yīng)熱水比較合理與經(jīng)濟 由于白天室外空氣溫度 較高 空氣源熱泵機組運行的 COP 值較高 消耗相同的電能 得到更多的熱量 從而達到節(jié)能 省 電的目的 因而采用空氣源熱泵熱水機組為熱源加蓄熱水箱全蓄熱系統(tǒng)運行方式 機組白天運行 8 小時制熱水 將滿足全天用水要求的熱水集中存儲在蓄熱水箱中 到供水時間用供水泵從蓄熱水箱 向用戶系統(tǒng)管網(wǎng)供水 考慮到供水的方便 以及熱水的水力平衡 熱水從蓄熱水箱出來經(jīng)主干管分 到立管 由立管往下向每個宿舍供應(yīng)熱水 為了更好的補充配水管網(wǎng)熱量損失 保證配水點的水溫 選用立管循環(huán) 循環(huán)管 RH 在立管底部與供水立管底部連接 設(shè)置補水泵 在機組運行的制熱過程 加壓補水 圖 2 是系統(tǒng)的原理圖 圖 2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖 3 3 熱水管網(wǎng)的設(shè)計熱水管網(wǎng)的設(shè)計 3 3 1 熱水管網(wǎng)的布置與水力計算 龍權(quán)釗 學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計 我校新校區(qū)學(xué)生公寓 A 棟集中式生活熱水系統(tǒng)339 熱水管網(wǎng)的橫干管敷設(shè)在頂層 沿水流方向保證不少于 0 003 的坡度 4 供水管越走越高 循 環(huán)管沿水流方向下降 供水管高處設(shè)置自動排氣閥 循環(huán)管低處設(shè)置排污閥 干管上設(shè)置波紋管補 償器 立管穿樓板時加上套管 套管內(nèi)徑比通過的熱水管外徑大 2 號 中間間隙填上密封防水填料 熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的蓄熱水箱 熱水供水干管和立管 循環(huán)干管與立管等可能產(chǎn)生熱損失的地方 采用保溫措施 以減少無效熱損失 保溫層厚度可以參照文獻 4 進行估算 選用聚苯乙烯作為管 道的保溫材料 其導(dǎo)熱系數(shù) 0 041W m 而蓄熱水箱采用灌裝硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料作保 溫 水箱配套材料 設(shè)備在采取保溫措施之前 進行防腐處理 保溫材料與管道或設(shè)備外壁緊密 相貼 在保溫層外表面做防護層 按常規(guī)工程設(shè)計計算方法確定每段水管的管徑 詳見圖紙上管徑標(biāo)注 熱水管道中的水流速 度一般采用 0 8 1 2m s 2 計算最不利循環(huán)管路和最不利配水管路總的阻力損失分別為 98 8 kPa 和 44 59kPa 熱水泵的揚程除路總阻力外還需克服設(shè)備阻力 出口余壓 開式部分有 并保證 10 的余量 3 3 2 蓄熱水箱與補水配置方式的選擇 由于傳統(tǒng)的循環(huán)加熱配置方式存在著許多不足 影響使用的舒適性 所以我校學(xué)生公寓擬采 用單水箱定溫配置系統(tǒng) 自來水經(jīng)軟化處理后 直接補水至空氣源熱泵熱水機組 滿足客戶使用 要求的高溫水從主機排向保溫蓄熱水箱儲存?zhèn)溆?補水的控制由補水電磁閥控制 以保證補水在 合理的范圍內(nèi) 得到預(yù)設(shè)的機組出水溫度 3 4 主要設(shè)備的選型計算主要設(shè)備的選型計算 3 4 1 空氣源熱泵熱水機組及水箱選型 根據(jù)各分區(qū)系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量 選約克商用機組系列的空氣源熱泵熱水機組 蓄熱水箱采 用全蓄熱方式 選用組裝式不銹鋼保溫水箱 灌裝硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料作為保溫的材料 取 0 035W m 各個分區(qū)具體選型見表 3 與表 1 所需的供熱量與供熱水量相比 可滿足 要求 表 3 各分區(qū)系統(tǒng)的熱源設(shè)備計算選型結(jié)果 分 區(qū) 分區(qū)宿 舍數(shù) 熱水 量 T D 供熱量 負(fù)荷 kw 所選熱泵機 型 熱泵數(shù) 量臺 額定制 熱量 kw 額定溫 度 所選蓄熱 水箱型號 蓄熱水 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 熱水泵的選擇計算 水泵入口設(shè) Y 型過濾器 在水泵出口管道上裝設(shè)止回閥 防止水泵停止運行后發(fā)生水倒流 水擊葉輪 熱水水泵的臺數(shù)與分區(qū)熱水系統(tǒng)一一對應(yīng) 并考慮一臺備用 340 考慮到循環(huán)泵在定時熱水供應(yīng)中的運行時間較短 定時供水前約 10min 左右 且與補水時間錯 開 為了簡化系統(tǒng)及減少投資 補水與循環(huán)合用一臺水泵 后面提到的循環(huán)泵或補水泵都是指同一 泵 按照補水泵的流量與揚程來選取 根據(jù)流量及 3 3 3 計算結(jié)果選擇各個分區(qū)水泵選型如表 4 表 4 熱水配水泵計算與選型 配水泵計算與選型 系統(tǒng)分 區(qū) 所需流量 m3 h 所需揚程 m 型號 額定流量 m3 h 額定揚程 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 補水泵 23 414DFRG50 125 I 2 32520 注 配水泵每區(qū)兩臺 一用一備補水泵為 A B 區(qū)共 3 臺 2 用一備 C D 區(qū)共 3 臺 2 用一備 3 5 運行方案與計費系統(tǒng)的設(shè)計運行方案與計費系統(tǒng)的設(shè)計 設(shè)定主機早上 9 00 開始進行熱水的制備 主機設(shè)定出水溫范圍是 55 58 由電動閘閥 控制冷水的補水量來實現(xiàn) 超過了 60 就啟動保護措施停機 符合要求的熱水在蓄熱水箱中存 儲 當(dāng)蓄熱水箱水位達到設(shè)定值 液位信號器就會把信號變送到控制器 由控制器發(fā)出停機的信號 主機與循環(huán)泵都停止 熱水的制備過程完成 剛剛啟動機組時 蓄熱水箱的水溫可能不符合要求 可以通過內(nèi)循環(huán)管 把水箱連接到主機進口端 進行加熱 以滿足要求 每天 16 45 和 21 00 供水前運行主機及循環(huán)水泵 10 分鐘左右 以保證管網(wǎng)內(nèi)供水溫度 然后 停用循環(huán)泵 當(dāng)檢測到供水水壓不能滿足要求時 啟動加壓配水泵供水 系統(tǒng)在各種模式下運行時的控制情況 詳細見圖 3 與表 5 表中與圖的符號是對應(yīng)的 其中 P1 是供水泵 P2 是循環(huán)泵 P3 是補水泵 兼作為內(nèi)循環(huán)泵 圖 3 控制原理簡圖 表 5 不同情況下的運行調(diào)節(jié) 各種模式 F1F2F3F4F5P1P2P3 主機 龍權(quán)釗 學(xué)生公寓空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工程設(shè)計 我校新校區(qū)學(xué)生公寓 A 棟集中式生活熱水系統(tǒng)341 水箱內(nèi)循環(huán)預(yù)熱調(diào)節(jié)關(guān)開關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)開開 正常運行模式調(diào)節(jié)關(guān)關(guān)關(guān)開關(guān)關(guān)開開 管道循環(huán)預(yù)熱調(diào)節(jié)關(guān)關(guān)開關(guān)關(guān)開關(guān)開 供應(yīng)熱水關(guān)開關(guān)關(guān)關(guān)開關(guān)關(guān)關(guān) 采用按流量使用收費的計費方式 每個宿舍安裝一個感應(yīng)式智能 IC 卡熱水表 插卡即出水 拔卡即停水 收費單價由系統(tǒng)管理員在管理軟件中設(shè)定 用戶可以通過管理員及時對卡進行充值 將購買的水量寫入用戶卡 3 6 耗能計算與經(jīng)濟性分析耗能計算與經(jīng)濟性分析 空氣源熱泵熱水主機 YCAB120RC 的輸入功率為 25 2kw 各種水泵的輸入功率均為 1 1kw 假設(shè) 機組都在額定功況下運行 4 個分區(qū)系統(tǒng)都正常投入使用 主機一天運行 8 小時 耗電量 25 2 8 4 806 4 度 補水泵一天運行 8 小時 耗電量 1 1 8 4 35 2 度 供水泵一天運行 4 小時 耗電量 1 1 4 4 17 6 度 循環(huán)泵 包括內(nèi)循環(huán) 耗電量