談高校學生公寓熱水系統

方火明 潘孝輝

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

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談高校學生公寓熱水系統

方火明 潘孝輝

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

以浙江省紹興市上虞區某學校學生公寓樓熱水工程為例，介紹了太陽能空氣源熱泵機組組合熱水系統在工程中的設計計算方法，并分析了該熱水系統的經濟效益，結果表明：集中太陽能空氣源熱泵機組組合式熱水系統，既能保證學生的熱水需求，又具有良好的環境效益與經濟效益。

熱水系統，太陽能，空氣源熱泵，經濟效益

1 工程概況

本項目位于浙江省紹興市東部上虞區濱海新城，校區建筑面積約23.5萬m2，設計在校生規模6 500人。共設有6棟學生公寓樓，本工程以其中1棟多層學生公寓為例，介紹該校區的學生公寓熱水系統設計。學生公寓3號樓南樓地上6層，建筑高度為22.2 m，設有四人間194間，雙人間20間，設計入住學生人數816人，每間房間均設有衛生間。熱水系統采用太陽能和空氣源熱泵熱水機組作為熱源，集中集熱、集中貯熱非承壓開式系統，太陽能集熱器、貯熱水箱、空氣源熱泵熱水機組和相應的熱水循環泵組均設于建筑屋頂。熱水系統集熱部分原理如圖1所示。

2 集熱、貯熱熱水系統設計

2.1 熱水用水量

熱水用水量標準及用水量計算結果如表1所示。

表1 熱水用水量計算表

2.2 集熱系統設計

2.2.1 太陽能集熱系統

1)太陽能集熱器。根據GB 50364—2005民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范[1]，直接加熱系統集熱器面積根據日用水量和用水溫度，按式(1)確定：

(1)

其中，AC為直接式系統集熱器總面積,m2；Qw為日均用水量；C為水的定壓比熱容，取4.187 kJ/(kg·℃)；tend為貯水箱內水的設計溫度，取60 ℃；tL為水的初始設計溫度，取15 ℃；JT為當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，取12 000 kJ/m2；f為太陽能保證率，取50%；ηcd為集熱器的年平均集熱效率，取0.50；ηL為貯水箱和管路的熱損失率，取0.20。

經計算，本工程直接式太陽能集熱器面積AC=561 m2。

太陽能集熱器布置在公寓樓屋頂，正南方向安裝，為全年使用熱水系統，安裝傾角30°，前后排安裝間距不應小于1.5 m。考慮本工程熱水系統為太陽能空氣源熱泵系統，空氣源熱泵亦為節能型產品，為使系統的初投資和節能效益相對最大化，工程設計時太陽能集熱器面積按純太陽能熱水系統時的30%左右考慮，同時根據建筑平面、日照分析及屋頂可供布置的太陽能集熱器面積核算后，本工程熱水集熱系統選用玻璃—金屬真空管型太陽能集熱器150 m2。

2)太陽能貯熱容積和集熱循環設計。

太陽能貯熱水箱有效容積按式(2)計算[2]：

Vrx=qrjd·Aj

(2)

其中，Vrx為貯熱水箱有效容積，L；Aj為集熱器總面積，m2；qrjd為集熱器單位采光面積平均每日產熱量，取50 L/(m2·d)。

太陽能集熱系統循環泵流量按式(3)計算[2]：

qx=qgz·Aj

(3)

其中，qx為集熱系統循環流量，L/s；qgz為單位采光面積集熱器對應的工質流量，L/(m2·s)，取0.015～0.020。

開式直接加熱系統太陽能集熱循環泵揚程按式(4)計算[2]：

Hx=hjx+hz+hj+hf

(4)

其中，hjx為集熱循環管道沿程與局部阻力損失，取30 kPa；hz為集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差，kPa；hj為循環流量流經集熱器的阻力損失，取20 kPa；hf為附加壓力，取20 kPa～50 kPa。

太陽能集熱系統計算結果如表2所示。

表2 太陽能集熱系統計算表

系統選用太陽能貯熱容積不小于7.5 m3，太陽能集熱循環泵參考選用：Q=9 m3/h，H=15 m，N=1.1 kW。

2.2.2 空氣源熱泵集熱系統

本工程位于紹興市上虞區，該地區冬季最冷月平均氣溫在0 ℃以上，空氣源熱泵系統效率仍較高，故本工程設計時空氣源熱泵熱水系統不考慮設輔助加熱系統，熱水系統按冬季最高日熱水用水量進行空氣源熱泵機組的計算選型。

1)空氣源熱水熱泵機組加熱系統：

日平均秒耗熱量:

QWd=Qd′×C×ρr×(tr-tL)/(24×3 600)

(5)

空氣源熱泵熱水機組制熱量：

Qg=24×K1×Qd(日平均耗熱量)/T1

(6)

其中，QWd為日平均秒耗熱量，kW；Qg為熱泵機組設計小時平均秒供熱量，kW；Qd′為平均日熱水用水量，m3/d；C為水的定壓比熱容，4 187 J/(kg·℃)；ρr為水的密度，1 kg/L；tr為熱水設計溫度，℃；tL為冷水設計溫度，℃；T1為空氣源熱泵機組設計工作時間，12 h～20 h；K1為安全系數，可取1.05～1.10。

空氣源熱泵熱水系統設計參數及計算結果如表3所示。

表3 空氣源熱泵熱水系統設計計算表

空氣源熱泵機組按冬季最不利工況下設計，紹興地區最冷月平均氣溫約為4 ℃，空氣源熱泵機組在冬季最不利工況運行時全天平均COP值約為2.0，冷水設計溫度按5 ℃，冬天最高日用水量時空氣源熱泵熱水機組工作時間控制在18 h以內。根據表3計算結果，熱水系統選用空氣源熱泵熱水機組3臺，單臺額定功率18.0 kW，最大輸入功率27.0 kW，標準額定工況下制熱量為78.0 kW。

2)空氣源熱泵熱水系統貯熱總容積：熱水系統采用定時供水，早上2 h，中午2 h，晚上8 h(16:00～24:00)。空氣源熱泵熱水系統貯熱容積宜按最高日晚用水高峰時段的熱水用水量進行設計。

高峰時段所需的熱水量為：Qh′=8/12×Qd=21.7 m3。

其中，Qh′為最高日高峰時段所需熱水量，m3；Qd為最高日熱水設計用水量，m3。

根據上述計算結果，系統設計選用：貯熱水箱貯熱容積22 m3,設11 m3圓形立式304不銹鋼熱水箱2只。該容積亦可滿足太陽能系統工作時的貯熱要求。

3)循環泵設計計算：空氣源熱泵熱水機組循環流量按式(7)計算:

qrx=K4Qg/(1.163·Δtj·ρr) (7)

根據表4結果，熱水系統選用空氣源熱泵加熱循環泵3臺，2用1備，單臺qx=0 m3/h～15 m3/h，揚程H=15 m，功率P=1.5 kW。

2.3 熱水管網系統保溫循環設計

熱水管網保溫循環系統通過熱水供水變頻加壓泵實現，在回水干管上設電接點溫度計，回水管網末端設電磁閥回水至熱水箱，當管網熱水溫度低于50 ℃時，電磁閥開啟并啟動熱水供水變頻加壓泵，實現熱水管網的保溫循環。

3 經濟效益分析

學生公寓平均日熱水用水量28.6 m3，則熱水系統年均耗熱量為(全年使用天數按251 d計):

Wa=251Qd′×C×ρr×(tr-tL)=1.35×106MJ。

本工程太陽能的年產熱水量約為公寓樓熱水用水量的15%，則85%的熱水量將由空氣源熱泵熱水機組提供，機組運行的綜合年均COP按3.8考慮，則太陽能空氣源熱泵熱水系統相對于傳統的電加熱系統(電加熱效率按96%計算)每年可節電3.0×105kW·h，若電價按0.60元/(kW·h)計，則本工程熱水系統每年可節約能源費用約18萬元。

4 結語

太陽能空氣源熱泵熱水系統以太陽能和環境空氣中的熱能作為熱源，環保無污染，可再生，具有廣泛的應用前景。而學生公寓熱水用水量大，采用該熱水系統在很好地保證學生熱水需求的同時，又具有良好的經濟效益，且綠色無污染，在今后的學生公寓熱水系統設計中值得推廣應用。

[1] GB 50364—2005，民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范[S].

[2] GB 50015—2003，建筑給水排水設計規范(2009年版)[S].

Discussion on hot water system of university student’s apartment

Fang Huoming Pan Xiaohui

(ZhejiangUniversityBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Hangzhou310028,China)

Taking hot water system engineering of university student’s apartment in Shangyu region of Shaoxing city of Zhejiang province as an example, the paper introduces design and calculation methods of composite hot water system engineering by combining solar energy with air source heat pump, and analyzes its economic benefits. Results show that: the composite hot water system by combining central solar energy with air source heat pump can both guarantee student’s hot water demand and possess good economic and environment benefits.

hot water system, solar energy, air-source heat pump, economic benefit

1009-6825(2016)26-0141-02

2016-07-04

方火明(1983- )，男，工程師； 潘孝輝(1983- )，男，工程師

TU832.17

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