高層酒店空氣源熱水系統設計

蘇 丹

(福州精業建筑工程設計咨詢有限公司 福建福州 350007)

高層酒店空氣源熱水系統設計

蘇 丹

(福州精業建筑工程設計咨詢有限公司 福建福州 350007)

以某一工程為案例，主要介紹了空氣源熱泵熱水系統在高層酒店中的應用，即：針對工程所在地氣象情況，選擇對應月份參數，并通過計算校核，合理配置空氣源熱泵機組、貯熱水箱和電輔助加熱設備的規格。

高層酒店；集中供應熱水系統；空氣源熱泵

0 引言

隨著城市發展壯大和人口不斷增長，不可再生能源供應日趨緊張，環境逐步惡化，現代社會對環保節能的新能源應用越來越迫切，熱水熱源的選擇，在酒店熱水系統設計是重中之重。如何選擇正確的熱源，對工程整體是否節能尤為重要[1]。

1 項目概況

歐滬(光澤)國際大酒店是一家星級高層酒店，總高25層，占地1.71hm2，總建筑面積47 756.77m2，一至四層為酒店配套商業服務設施，五層～六層為桑拿區，七層至二十五層為酒店客房區，其中桑拿區和客房區需設計集中熱水供應系統。

2 熱源選擇

熱源方面，因為當地不具備管道燃氣供應條件，無法采用燃氣鍋爐；傳統電熱水機組能耗較大，不適合作為主熱源。酒店管理方對屋面亦有使用要求，也不適合大面積布置太陽能面板，故設計采用了空氣源熱泵作為酒店熱水系統的主熱源。

所謂熱泵，就是一種利用人工技術將低溫熱能轉換提升為高溫熱能而達到供熱效果的機械裝置。空氣源熱泵熱水系統即通過熱泵機組運行吸收環境低溫熱能制備和供應熱水的系統熱水系統[2]，通過吸收空氣中的熱量來達到加熱水的目的。它根據“逆卡諾循環”原理，僅需少量電能驅動，從空氣中吸取低溫熱量通過蒸發器換熱將熱泵中的液態介質變成氣態介質，氣態介質通過壓縮機壓縮成高壓高溫氣態，進入冷凝器冷凝放熱將熱量傳給生活熱水，經放熱后的介質變成高壓液態，再經節流裝置膨脹減壓成低壓液體進入蒸發器重復往返上述過程，如圖1所示。熱泵加熱工程中，對環境幾乎不產生影響，是真正的環保節能新熱源。相比太陽能、燃氣、水地能(源)熱泵等形式，空氣源熱泵占地面積小，熱水出水水溫恒定，設備布置靈活性強，也不受地質、燃氣供應的限制，在長江以南地區具有廣泛的適用性。

圖1 空氣源熱泵的工作原理圖

供熱水空氣源熱泵機組較多采用活塞式壓縮機組，該技術最成熟，應用歷史最久，一般用于供熱量<700kW的范圍。

空氣源熱泵熱水系統按熱水是否由熱泵機組直接供給分為直接供水系統和間接供水系統。目前市面上的空氣源熱泵熱水機組最高制熱溫度60～65℃，當采用間接供水系統時，難以像蒸汽或者其他高溫熱媒時一次將被加熱水升溫至所需溫度，而是通過板式換熱器不斷換熱將貯熱水罐內的水循環加熱至所需的溫度(50～55℃)。鑒此，該工程設計中采用了直接供水+承壓水箱的閉式熱水系統,減少了板換設備占用空間，也提高了系統加熱效率[3]，如圖2所示。

圖2 空氣源熱泵直接供水閉式系統示意圖

閉式系統管路布置相對于開式系統簡單，承壓水箱相對于開式水箱散熱量較小，保溫性能好，水質不易受到污染；另外，閉式系統中，熱水水源由同分區的冷水加壓泵供給，更有利于用水點的冷熱水壓力平衡。

3 管網設計

根據酒店的定位和熱水使用要求，針對使用功能和平面布局的特點，設計中對客房區和桑拿區采用了兩種不同形式的管網。

客房區各層平面大致相同，設計熱水分區和冷水供水分區一致，分為3個區，各區管網采用上供下給，干、立管循環的管網形式，在供回水立管頂部設置自動排氣閥，及時排除管網中的空氣，減緩系統管道的腐蝕，如圖3所示。

圖3 客房區管網示意圖

桑拿區用水點比較分散，設計采用橫向干管供回水形式，這種管網適用于各層用水點錯位布置的情況，管道布置較為靈活，如圖4所示。

圖4 桑拿區管網示意圖

4 熱泵選型計算

在最冷月平均氣溫<10℃且≥0℃的地區采用空氣源熱泵供生活熱水時，應設置輔助熱源。光澤縣位于福建省西北部，年均氣溫17.6℃，最冷月平均氣溫2.8℃，設計采用電輔助加熱設備。

當設輔助熱源時，空氣源熱泵的設計供熱量宜按當地農歷春分、秋分所在月的平均氣溫和冷水供水溫度計算，并根據其最不利工況計算輔助熱源的設計小時平均秒耗熱量(該工程熱泵機組設計采用當地3月份平均氣溫及冷水溫度進行計算，月平均氣溫10℃，地表水溫度10℃)。

酒店五層～六層為桑拿區，七層～二十五層為客房，冷熱水供水分區一致，分為桑拿區，客房低區7F～13F、中區14F～20F、高區21F～25F，確保各區冷熱水同源。

4.1 中區熱水系統耗熱量計算

(1)熱水系統最高日熱水量按式(1)計算：

Qr=mqr/1 000

(1)

式中：Qr—最高日熱水量(m3/d)；m—用水計算單位數(床位數)；qr—熱水用水定額(L/床·d)。

(2)全日制集中熱水供應系統設計小時耗熱量，按式(2)計算：

Qrh=mKhqr/24 000

(2)

式中：Qrh—設計小時熱水量(m3/h)。 Kh—小時變化系數。

(3)最高日平均耗熱量可按式(3)計算：

Qd=QrCρr(tr-tl)/(24×3 600)

(3)

式中：Qd—最高日平均秒耗熱量(kW)； tr—熱水設計溫度； tl—冷水設計溫度； C—水的比熱，C=4 187(J/kg·℃)。

(4)設計小時平均秒耗熱量按公式(4)計算：

Qh=QrhCρr(tr-tl)/3 600

(4)

式中：Qh-設計小時平均秒耗熱量(kW)；

55℃熱水ρr=0.9 857kg/L,代入C值并換算單位后，公式④成為公式：

Qh=1.146Qrh(tr-tl)=1.146Qrh△t

式中：△t—冷熱水溫度差(℃)；

該工程客房中區床位數m=280，其他參數：qr=160L/(人·天) Kh=2.6，tr=55℃，tl=10℃，T=24h(參數取自建筑給水排水設計規范GB50015-2003(2009版))，代入公式計算得出：

Qr=280×160/1 000=44.80m3/d

Qrh=280×2.6×160/24 000=4.85m3/h

Qd=44.80×4 187×0.9 857×(55-10)/3 600×24=96.30kW

Qh=1.146×4.85×(55-10)=250.11kW

4.2 熱泵機組與貯熱設備的計算

(1)空氣源熱泵熱水機組總制熱量按式(5)計算：

Qg=24×k1Qd/T1=24×1.05×96.30/16=151.67kW

(5)

式中：Qg—熱泵機組設計小時平均秒供熱量(kW)；T1—熱泵設計工作時間，全日制取12～20h； K1—安全系數，取1.05～1.10。

選擇空氣源熱水機組RSJ-380/S-820-C五臺，單臺額定功率9.1kW，制熱量34.0kW(設計工況下：環境溫度10℃，進水10℃，出水55℃，COP=3.74)。

(2)熱泵熱水系統貯熱總容積Vr 按式(6)計算：

Vr≥(Qh-Qg)T/1.163·η(tr-tl)ρr=(277.90-38.5×5)×2/1.163×0.8×45×0.9857=3.45m3

(6)

式中：η—有效貯熱容積系數，承壓水箱η=0.8；T—設計小時耗熱量持續時間(h)，取T=2h。

貯熱總容積Vr較大，會出現熱泵機組的供熱量會很小；貯熱總容積Vr較小，會出現熱泵機組容量很大，增加投資。所以Vr經計算后，需按Qg校核蓄熱時間T2，蓄熱時間計算公式轉換如下：

T2≥[1.163·Vr(tr-tl)ρr]/Qg=1.163×3.45×45×0.9857/34.0×5=1.05h

將T2代入公式(6)可得Vr=1.81 m3，取2.0 m3，重新計算T2=0.61h，較為合適(蓄熱時間建議取0.5～2h)，最后確定承壓貯熱水箱貯熱總容積Vr=2.0m3。

4.3 熱水循環泵計算

第一循環集熱循環泵流量按下式計算：

qx=K2Qg/1.163△tjρr=1.1×170.0/1.163×5×0.9857=32.62m3/h

式中：K2—安全系數，取1.1； △tj—熱泵機組進出口溫差，一般取5℃；

熱泵機組閉式循環水泵揚程計算：

H=hp+he+6m

式中：hp—循環管道沿程水頭損失；he—循環管道局部水頭損失； 6m—熱泵機組損失。

本工程集熱循環泵設置于地下室熱水設備機房H=12m(管網損失詳細計算從略)，循環水泵由設在泵前管道上的溫度傳感器控制啟停。

4.4 輔助熱源計算

當設置輔助熱源時，按最不利工況計算輔助熱源的設計小時平均秒耗熱量。光澤屬閩北地區，最冷月份平均氣溫2.8℃，設計冷水溫度5℃，設計熱水溫度55℃。根據產品曲線，在最冷月份最不利工況時，空氣源熱泵熱水機組RSJ-380/S-820-C產熱水量為400L/h；則單臺制熱量為Q單=0.4×50×1.163=23.26kW。

分區熱泵機組最不利工況時總制熱量為23.26×5=116.3kW。

需配電輔助加熱Q電=170.0-116.3=53.7kW，取60kW，選用CLDR0.030電熱機組2臺，單臺產熱量30kW，產熱效率96%，熱水產量0.516m3/h。

5 結語

熱泵系統因為造價、進出水溫差、最高出水溫度等因素影響，系統設計一般采用蓄熱式，以提高系統的可靠性。系統的貯熱量和熱泵的產熱量之和必須滿足高峰用水時的需要。市面上承壓熱水箱需要定制，產品質量參差不齊，容積不宜過大，選用時需注意機組與貯熱裝置的匹配問題，也可以采用加熱和儲熱水箱分離的雙水箱組合，既減小了單個水箱的容積，也能提高系統效率。

[1] 陳耀輝.酒店兩種熱源選擇的技術經濟分析[J].給水排水, 2008, 34(2):94-96.

[2] 陳振, 紀鋒.給排水專業節能節水設計思路[C]// 海峽綠色建筑與建筑節能博覽會論壇.2009:75-77.

[3] 裴剛, 李桂強, 季杰,等.空氣源熱泵熱水系統即刻加熱模式和循環加熱模式的對比[J].化工學報, 2009, 60(11):2694-2698.

Design of Air-source Hot Water System for High Rise Hotel

SUDan

(King Yea Engineer Design Consultants,Ltd,Fuzhou 350007)

The application of air-source heat pump hot water system in high rise hotel is introduced.Through the calculation and verification,the air-source heat pump unit，thermal storage water tank and electric auxiliary heating equipment is configured based on the loacl meteorological condition and the parameters of the corresponding month.

High rise hotel；Central hot water supply system；Air-source heat pump

蘇丹(1985.1- ),男,工程師。

E-mail:297555706@qq.com

2017-04-06

TU822+.1

A

1004-6135(2017)06-0121-03