廣東某職工宿舍太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了廣東某職工宿舍采用的太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的全日制生活熱水系統(tǒng)，分析了該太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、重要參數(shù)取值、空氣源熱泵的設(shè)計(jì)計(jì)算等主要問題。

關(guān)鍵詞：生活熱水系統(tǒng)；太陽能；空氣源熱泵當(dāng)下，能源緊張、傳統(tǒng)能源匱乏是建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域需要慎重考慮的問題，挖掘可再生能源的應(yīng)用成為建筑節(jié)能的主要舉措。為加強(qiáng)建筑節(jié)能管理，提高能源利用效率，國家及各地方政府陸續(xù)頒布了一系列的相關(guān)法令及規(guī)定。其中《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》5.2.1條規(guī)定新建建筑應(yīng)安裝太陽能系統(tǒng)，采用太陽能制備生活熱水，是有效利用太陽能最簡便易行的方法。針對(duì)職工宿舍熱水需求量高、用水量較均勻等特點(diǎn)，故本工程設(shè)計(jì)采用太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的生活熱水系統(tǒng)，能夠有效利用自然資源，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和方便快捷的良好效果，充分體現(xiàn)綠色建筑的核心品質(zhì)追求［1］。熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)推廣多年，然而工程實(shí)際應(yīng)用還存在較多問題。首先是設(shè)備的質(zhì)量難以滿足實(shí)際工程需求，其次熱水系統(tǒng)多由設(shè)備廠家包攬，缺少專業(yè)建筑給排水人員參與。本文針對(duì)熱泵系統(tǒng)的理論計(jì)算提出自己的觀點(diǎn)，希望對(duì)建筑給水排水設(shè)計(jì)提供借鑒。

1項(xiàng)目概況

廣東某職工宿舍項(xiàng)目，位于廣東省肇慶市廣寧縣，宿舍建筑面積4 300 m2，建筑高度20.7 m，地上2～5層為宿舍，共計(jì)55個(gè)床位，一層為職工食堂及餐廳。本工程熱水采用全日制集中供應(yīng)方式，在屋頂設(shè)太陽能集熱板、熱水箱及空氣源熱泵等設(shè)備，見圖1。

2太陽能熱水系統(tǒng)計(jì)算

2.1平均日耗熱量計(jì)算

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019，以下簡稱“建水標(biāo)”）6.6.3條計(jì)算平均日耗熱量（見表1）。

職工宿舍居室內(nèi)設(shè)有衛(wèi)生間，平均日熱水定額取55 L。職工食堂按一日三餐供應(yīng)，每顧客每次平均日熱水定額取10 L，則平均日熱水定額取30 L。同日使用率b1按實(shí)際情況取值，本項(xiàng)目為職工宿舍，住宿及就餐人員固定，按1取值；年平均冷水溫度tmL取值，按“建水標(biāo)”6.6.3要求：可參照城市當(dāng)?shù)刈詠硭畯S年平均水溫值計(jì)算。實(shí)際設(shè)計(jì)中，此溫度數(shù)值很難獲得，且相關(guān)設(shè)計(jì)資料也無溫度取值參考。本項(xiàng)目水源采用地表水，結(jié)合其他城市已設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，建議年平均冷水溫度按年平均室外氣溫減2 ℃取值，tmL取20 ℃。年平均室外氣溫可參考《建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊》（以下簡稱“手冊”）取值。經(jīng)計(jì)算，平均日耗熱量Qmd總計(jì)為769 815.12 kJ/d，按此數(shù)值計(jì)算太陽能集熱器面積。

2.2集熱器面積計(jì)算

本項(xiàng)目選擇直接太陽能熱水系統(tǒng)，根據(jù)“建水標(biāo)”6.6.2條計(jì)算集熱器總面積：Ajz=Qmd·fbj·Jt·ηj（1-η1）（1）公式（1）中太陽能保證率f，根據(jù)“建水標(biāo)”6.6.3條取值為40%～50%，無法準(zhǔn)確計(jì)算。建議按“手冊”中廣州市的參數(shù)取值，f取40%。集熱器面積補(bǔ)償系數(shù)bj，本項(xiàng)目按水平面布置太陽能集熱板，按《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50364—2018，以下簡稱“熱水標(biāo)”）取補(bǔ)償系數(shù)為0.98。平均日太陽能輻照量Jt，按“熱水標(biāo)”取值為12 110 kJ/（m2·d）。年平均集熱效率ηj，本項(xiàng)目為集中集熱系統(tǒng)，按“建水標(biāo)”6.6.3條取30%～45%，建議按“建水標(biāo)”6.6.3條文解釋，廣州市取0.36。集熱系統(tǒng)的熱損失η1，按“建水標(biāo)”6.6.3條取20%。經(jīng)計(jì)算，集熱器總面積為90.09 m2，每塊集熱器面積為2 m2，本項(xiàng)目選45塊集熱板即可滿足要求。

2.3熱水箱總有效容積計(jì)算

本項(xiàng)目集熱水箱和供熱水箱合并設(shè)置，集熱水箱有效容積按“建水標(biāo)”6.6.5條計(jì)算，集熱器單位輪廓面積平均日產(chǎn)60 ℃熱水量需要根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲茌椪樟俊⒓療崦娣e大小等綜合考慮，本項(xiàng)目所在地太陽能屬于資源一般地區(qū)，按50 L/（m2·d）取值，則集熱水箱有效容積為4.5 m3。供熱水箱有效容積按“建水標(biāo)”6.5.11條計(jì)算，建議取90 min Qh。設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量Qh計(jì)算（見表2、3）。

最高日用水定額建議與空氣源熱泵系統(tǒng)保持一致按下限取值。宿舍Qh1按“建水標(biāo)”6.4.12計(jì)算，食堂內(nèi)設(shè)有洗滌盆3個(gè)，食堂Qh2按“建水標(biāo)”6.4.13計(jì)算，宿舍和食堂用水高峰重疊計(jì)算設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量。Qh總計(jì)為235 031.45 kJ/h。供熱水箱有效容積按公式（2）計(jì)算：Vg=1.5·Qh（tr2-t1）Cρr（2）太陽能供熱水箱溫度tr2按50 ℃設(shè)計(jì)，熱水溫度按50 ℃時(shí)取值計(jì)算，供熱水箱有效容積為2.13 m3，熱水箱總有效容積為6.63 m3。

3空氣源熱泵系統(tǒng)計(jì)算

3.1設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量計(jì)算

根據(jù)“建水標(biāo)”6.6.7條計(jì)算空氣源熱泵設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量（見表4）。

熱水定額取最高日用水定額下限值，熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間按不設(shè)輔助熱源取值為12 h。設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量總計(jì)為103 774.09 kJ/h，即空氣源熱泵制熱量為28.8 kW，需核對(duì)空氣源熱泵的額定出水溫度，選擇合適機(jī)型。

3.2空氣源熱泵貯熱水箱計(jì)算

根據(jù)“建水標(biāo)”6.6.7條計(jì)算貯熱水箱有效容積按公式（3）計(jì)算：Vr=k1·（Qh-Qg）T1（tr2-t1）Cρr（3）貯熱水箱溫度按tr2=50 ℃設(shè)計(jì)，用水均勻性的安全系數(shù)k1取1.5，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間T1取4 h，Qh為235 031.45 kJ/h，Qg為103 774.09 kJ/h，貯熱水箱有效容積為4.8 m3。空氣源熱泵和太陽能共用一座水箱，則水箱總有效容積取大值6.63 m3。

4結(jié)論

以上計(jì)算過程中所用公式為筆者根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）整體理解并結(jié)合其他文獻(xiàn)推導(dǎo)出的計(jì)算公式，與理論比較吻合。

以上結(jié)論僅為個(gè)人觀點(diǎn)，可供建筑給水排水設(shè)計(jì)師計(jì)算中使用，如有誤差，最終以《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）編制組解釋為準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊（第三版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.