周展浩

隨著國家對節(jié)能減排的日益重視,自2007年以來,各地紛紛出臺建筑節(jié)能管理辦法,辦法從規(guī)劃、建設、驗收等環(huán)節(jié)對新建建筑節(jié)能措施提出了嚴格要求。其中規(guī)定:新建住宅、賓館、酒店、商住樓等有熱水需要的公共建筑以及十二層以下住宅,應當按照規(guī)定統(tǒng)一設計、安裝太陽能熱水系統(tǒng)。并規(guī)定:對應采用而不采用太陽能熱水系統(tǒng)的民用建筑,規(guī)劃行政主管部門不得頒發(fā)建設工程規(guī)劃許可證,施工圖審查機構不得出具施工圖審查合格書,建設行政主管部門不得頒發(fā)建筑工程施工許可證、不得辦理竣工驗收備案手續(xù)[1]。在某些必須安裝太陽能熱水系統(tǒng)、但同時沒有足夠符合4 h日照的屋面面積來安裝太陽能集熱板的建筑,各地行政部門通常同意以空氣源熱水系統(tǒng)替代太陽能熱水系統(tǒng)。也就是從那時起,這種低能耗的熱水系統(tǒng)漸漸為人們所熟知。熱泵熱水機組吸收空氣中的熱量和太陽能,是綜合電熱水器和太陽能熱水器優(yōu)點的安全節(jié)能環(huán)保型熱水機組,全年平均運行成本只需用電直接加熱的1/3～1/2,常規(guī)太陽能的2/3,因此是國家重點推廣項目。

空氣源主要由4個核心部件組成,分別是壓縮機,冷凝器,膨脹閥和蒸發(fā)器。

空氣源熱水器的工作原理與空調原理有一定相似,應用了逆卡諾原理,通過吸收空氣中大量的低溫熱能,經(jīng)過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮軅鬟f到水箱中,把水加熱起來。整個過程是一種能量轉移過程(從空氣中轉移到水中),不是通過電加熱元件加熱水或者燃燒可燃氣體加熱水的能量轉換的過程。其工作流程是這樣的:壓縮機將回流的低壓冷媒壓縮后,變成高溫高壓的冷媒氣體排出,高溫高壓的冷媒氣體流經(jīng)纏繞在冷凝器外面的銅管,熱量經(jīng)銅管傳導到被加熱水體中,冷卻下來的冷媒在壓力的持續(xù)作用下變成液態(tài),經(jīng)膨脹閥后進入蒸發(fā)器,液態(tài)的冷媒在此因壓力下降迅速蒸發(fā)變成氣態(tài),并從空氣中吸收大量的熱量,吸收了一定能量的冷媒回流到壓縮機,進入下一個循環(huán)。

空氣源熱水器的主要特點:

1)高效節(jié)能。其輸出能量與輸入電能之比即能效比一般在2～6之間,在浙江省年均可達到3左右,而普通電熱水鍋爐的能效比不大于0.95,燃氣、燃油鍋爐的能效比一般只有0.6～0.8,燃煤鍋爐的能效比更低一般只有0.3～0.7。

2)環(huán)保無污染。該產(chǎn)品是通過吸收環(huán)境中的熱量來制取熱水,是一種低能耗的環(huán)保產(chǎn)品,具有良好的社會效益,是一種可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型產(chǎn)品。

3)運行安全可靠。整個系統(tǒng)的運行無傳統(tǒng)熱水器(燃油、燃氣、燃煤)中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蝕、短路、觸電等危險,熱水通過高溫冷媒與水進行熱交換得到,電與水在物理上分離,因此,這是一種可靠的熱水系統(tǒng)。

4)使用壽命長,維護費用低。產(chǎn)品的使用壽命可長達15年以上,設備性能穩(wěn)定,運行安全可靠,并可實現(xiàn)無人操作(全自動化智能程序控制)。

5)全天候運行。工作溫度一般在-10～40℃,無論白天、黑夜,不管晴天、陰天、刮風下雨或下雪都能照常工作。

6)適用范圍廣。可用于酒店、賓館、工礦、學校、醫(yī)院、桑拿浴室、美容院、游泳池、溫室、養(yǎng)殖場、洗衣店、家庭等,可單獨使用,亦可集中使用,不同的供熱要求可選擇不同的產(chǎn)品系列和安裝設計,同時還可以免費獲取冷氣。

筆者在他人研究[2-7]的基礎上,結合實際,對空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)的水箱選擇、技術參數(shù)設計及設計中常遇到對系統(tǒng)要求的技術問題等提出了合理的建議。

1 對熱水系統(tǒng)儲熱水箱應為重力型還是承壓型的探討

根據(jù)《建筑給水排水設計規(guī)范》(2009年版,以下簡稱《規(guī)范》)的第5.2.13,高層建筑熱水系統(tǒng)的分區(qū),應遵循如下原則:應與給水系統(tǒng)的分區(qū)一致,各區(qū)水加熱器、儲水罐的進水均應由同區(qū)的給水系統(tǒng)專管供應……[8]。很多設計師在沒有具體問題具體分析及深入計算的基礎上,一律對空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)采用承壓系統(tǒng)設計,結果使得其系統(tǒng)節(jié)能效果會大打折扣,甚至在某些場合會成為高能耗的熱水系統(tǒng)。究其主要原因是:空氣源熱泵儲熱水箱容積遠比熱交換器等熱水機組大、水箱設置在不易保溫的屋頂、空氣源儲熱泵機組的加熱特點等。需要指出一點,不管是重力水箱還是承壓水箱,都要盡量與建筑單位協(xié)調好,在設置空氣熱泵機組的附近屋頂設計水箱間,這樣能減小水箱內熱水溫度的日降低值,從而起到降低熱損的作用;但在實際工程中,由于受建筑容積率指標、建筑物造型、結構受力等因素影響,極少有水箱間設計。筆者就在不同的冷水系統(tǒng)下應采用的儲熱水箱形式作具體的分析,并以一個分成二個分區(qū)的熱水系統(tǒng)為例,分別談談該熱水系統(tǒng)在采用重力水箱系統(tǒng)和承壓水箱系統(tǒng)的各自優(yōu)缺點。

1.1 冷水系統(tǒng)為屋頂重力水箱供水時

空氣源熱水機組及儲水罐均設置在屋頂,儲水罐也必定采用重力式,對此,不會有異議。

1.2 冷水系統(tǒng)為變頻加壓供水時

這個時候,容易出現(xiàn)認識上的誤區(qū),許多設計師會根據(jù)《規(guī)范》的第5.2.13采用承壓式水箱,并且冷水分幾區(qū),相應采用幾套設備;筆者認為,從節(jié)能、經(jīng)濟合理、使用方便等出發(fā),在絕大多數(shù)情況下,儲水罐應采用重力水箱,對冷熱水壓力不平衡問題,只要采用恒壓變頻設備和減壓閥設定熱水出口壓力,就完全滿足了《規(guī)范》中當不能滿足儲水罐由同區(qū)的給水系統(tǒng)專管供應時,應采取保證系統(tǒng)冷、熱水壓力平衡的措施[8]的要求和實際使用的要求;冷水供水每個子項的分區(qū)(包括高區(qū))總進水管如果設置可調式減壓閥,出口壓力可調至與熱水系統(tǒng)的供水壓力基本完全一致,效果更明顯?？傊?在熱水系統(tǒng)設計時,冷、熱水壓力必須要關聯(lián)、要平衡,這才是系統(tǒng)設計的根本。

1.3 重力水箱系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點

2個分區(qū)的重力水箱系統(tǒng)見圖1。

1.3.1 優(yōu) 點

1)不浪費多余的能量,綜合能效比(COP值)較高。水箱采用智能水位,根據(jù)季節(jié)、使用人數(shù)變化等而相應引起使用熱水的量的變化、對水位作調整,即熱水制取的量與使用的量相匹配。

2)自動控制運行熱泵機組能利用低谷電價。在設計空氣能熱泵機組時,根據(jù)用戶的用熱水量配置相應的保溫水箱,空氣能熱泵機組具有定時啟停功能,又利用保溫重力水箱具有良好的保溫效果的優(yōu)勢,可以在低谷電價時制取熱水儲存于保溫重力水箱中,既經(jīng)濟又能避開用電高峰,對電力系統(tǒng)也有利。

3)適用性廣。適用于所有供熱水場所,尤其是對用水量變化大的場所,如賓館、住宅等;定時使用的場所,如公司食堂等更應優(yōu)先采用。據(jù)考證,現(xiàn)在日熱水量較大的場所基本采用重力系統(tǒng)。

4)設置設備的位置要求相應低?？稍O置在建筑物的主樓屋面(最佳選擇),也可設置在較低的裙樓屋面,均用變頻加壓系統(tǒng)或可調式減壓閥各自定壓分區(qū)。

5)避開惡劣工況運行,可延長熱水機組使用年限。由于根據(jù)熱水使用量、水箱液位等自動控制運行熱泵機組,因此可做到避開惡劣工況運行;同時,由于維持水箱溫度而浪費的熱能很少,因此對應的運行時間也縮短,日總運行時間也相對較短(一般采用12～16 h之間)。以上措施可延長熱水機組的使用年限。

6)對設備的選用沒有限制?？諝庠礋崴訜嵩O備有直接大循環(huán)式和定溫放水式2種不同形式。直接大循環(huán)系統(tǒng)特別簡單只需熱泵機組循環(huán)水泵,保溫水箱經(jīng)管道連接,直接對大水箱的水進行加熱循環(huán),達到設定的溫度主機自動停機;定溫放水系統(tǒng)有不承壓定溫完全放水和承壓不間斷自動補水頂水放水式2種,據(jù)幾家品牌廠家的測試數(shù)據(jù),在設備加熱的過程中,被加熱水水溫越低能效比COP值越高,隨著水溫的升高COP值在降低,相同外部工況下同等的水從20℃加熱到50℃時段與50℃升高到60℃時段所耗用的能量接近。加熱水箱定溫全放水方式雖然控制系統(tǒng)較復雜,但每加熱一箱水都是從冷水初始溫度到設定溫度全過程加熱,充分發(fā)揮熱泵輸入功率隨溫升變化的特點,COP值較高,節(jié)能效果明顯,這類最節(jié)能類型的設備只能使用在重力系統(tǒng)中。

1.3.2 缺 點

由于需用變頻加壓系統(tǒng)提升熱水,需要消耗一定的電能,以一個賓館工程舉例,高區(qū)總用熱水量30 t,加壓泵出口壓力為15 MPa,水泵效率為0.65,則加壓系統(tǒng)日消耗的能量為1.9 k Wh,折合在每噸水需消耗0.063 k Wh電能,但這部分電能與承壓水箱系統(tǒng)所浪費的電能相比實在是微不足道以至可以忽略。

圖1 重力水箱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gravity tank system

1.4 承壓水箱系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點

2個分區(qū)的承壓水箱系統(tǒng)見圖2,當然承壓系統(tǒng)可以共用一套加熱系統(tǒng)、減壓閥分區(qū)的設計方式,考慮《規(guī)范》的第5.2.13同源要求,在實際設計中、承壓條件下熱水系統(tǒng)的分區(qū)原則會與冷水系統(tǒng)一致。

1.4.1 優(yōu) 點

由于各區(qū)水加熱器、儲水罐的進水均應由同區(qū)的給水系統(tǒng)專管供應,熱水不需要提升。

1.4.2 缺 點

1)浪費了大量的熱能,綜合能效比不高。由于機組的供熱量遠小于最大小時耗熱量,空氣源的儲熱水箱容積又往往比較大,為了維持這個大承壓熱水箱內的溫度會浪費大量的電能。設備在加熱和維持水箱溫度的過程中,熱泵機組都工作在較高溫區(qū)(55℃左右)而導致節(jié)能效果不佳(COP值相比較低),更不利的是熱損失往往發(fā)生在空氣源效率較低的晚上,如果在冬天因化霜還會浪費大量的輔助電能。以一個賓館工程舉例:各分區(qū)承壓熱水箱總容積為30 t,日平均降溫保守預計10℃(由于設置在露天,實際肯定超),其日浪費電能為348 kWh,每噸浪費11.6 kWh,年浪費電能為127 141 k Wh(注:考慮空氣源設備在熱水溫度55℃左右的年綜合能效比約為1.5,實際年浪費電能約為84 760 k Wh)。

上面的數(shù)據(jù)已經(jīng)值得關注了,放大效應更應引起注意。如賓館入住率不高,某日用水量為5 t,則每噸熱水的浪費電能為69.6 kWh電能。又如住宅前期入住率很低,如杭州不少住宅小區(qū)三年還不到30%,更何況最先入住的幾戶時,放大效應更大。如果按實耗計熱水價,先期入住的用戶由于熱水價過高、很可能不用小區(qū)中央熱水了,后期入住的用戶更不會去用了,小區(qū)中央熱水系統(tǒng)可能因此放棄運行。杭州市幾年前采用真空燃油鍋爐中央熱水系統(tǒng)的幾個住宅小區(qū)均以上述相同的過程而最終停止運行,筆者分析主要原因是熱水系統(tǒng)采用了大容積的承壓熱水箱所致,而不是普遍認為的管道輸送熱損失過大(《規(guī)范》的第5.5.5條也支持了筆者的說法:小區(qū)配水管道熱損失只有約4%～6%)。

圖2 承壓水箱系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure tank system

在這點上重力水箱有很大的優(yōu)勢,可根據(jù)日用水量的多少而采用相應的水位和容積,減少了維溫熱損失,更避免了維溫熱損失的放大效應。

2)不能有效利用低谷電價。由于采用承壓儲水箱,空氣能熱泵機組以水箱內溫度控制啟停,在低谷電價時制取熱水只是保持水箱的溫度,并不能有效利用谷電價。

3)設備經(jīng)濟投入較多。空氣源熱水加熱設備的套數(shù)與分區(qū)數(shù)一致;對空氣源熱水加熱設備的冷媒冷凝器的承壓一般在0.2～0.3 MPa之間,承壓系統(tǒng)對熱水換熱器即冷媒冷凝器的承壓要求較高,必須先提出特殊要求,由廠家非標生產(chǎn);日用熱水量大于30 m3的每個承壓罐,應設置膨脹罐。

4)適用性較差。對用水量變化大的場所,如賓館、住宅等,由于因維持水箱溫度耗熱過多不適合使用;定時使用的場所,如公司食堂,由于長時間(下班時間、尤其是節(jié)假日)不使用,因維持水箱溫度的耗熱量很大(如上面的實例以2 d計,熱量會浪費696 k Wh電能);如果不維持溫度,不但需要長時間加熱才能再次使用,而且水箱內溫度仍然會下降而浪費大量的能量,更加耗能而不適合采用。

5)設置設備的位置有要求。如果需要分區(qū)供熱水,只能集中設置在低區(qū)供水范圍的屋面或各自設置在供水范圍內的屋面;如果需要分區(qū)的建筑沒有裙房或裙房屋面不能布置加熱設備,低區(qū)系統(tǒng)可能無法按規(guī)范設計。

6)運行時間較長,影響熱水機組使用年限。由于采用因維持承壓水箱內的溫度,熱水機組需24 h保持在運行狀態(tài),總運行時間也相應比重力水箱系統(tǒng)熱水機組長約25%(按日平均總溫升測算:(50-40)÷40),定時使用的熱水系統(tǒng)在這方面更加明顯,如公司食堂相應達35%(按星期平均總溫升測算:(270-200)÷200)。

7)對設備的選用也會有限制。對承壓水箱系統(tǒng)而言只能用直接大循環(huán)式和承壓不間斷自動補水頂水放水式2種,在設備加熱和維持水箱溫度的過程中,熱泵機組長期工作在較高溫區(qū)而導致節(jié)能效果不佳,加熱水箱定溫全放水方式這類最節(jié)能類型的設備不能在承壓水箱系統(tǒng)中采用。

綜上所述,筆者認為承壓水箱系統(tǒng)只適用在用熱水量不大、日用熱水量變化較小、水箱能盡量設置在戶內的場合,如戶式中央熱水機組。

2 儲熱水箱容積的計算

在計算出最大日用熱水量為Q總的前提下,再計算出空氣源熱泵機組的產(chǎn)熱能力:額定工況下機組運行時間為12 h,惡劣工況下機組運行時間為16 h。

2.1 承壓儲熱水箱容積計算

Qh為設計高峰時期小時用熱水量,Q h=K h×Q總÷24(m3/h);

Kh為小時變化系數(shù),按《規(guī)范》的表5.3.1選用;

Qg為設計機組最不利小時供熱量,Q g=Q總÷16(m3/h);

T為高峰用熱水時間,為4 h;

t為熱水日使用時間。

根據(jù)《規(guī)范》第5.4.2B第6款,計算并得出承壓儲熱水箱的有效容積為:Vr(有效)=k2×(K h×Q總÷t-Q總÷16)×4=1.2×(Kh×Q總÷t-Q總÷16)×4=(Kh×Q總÷t-Q總÷16)×4.8(m3);計算并得出承壓儲熱水箱的總容積為:Vr=Vr(有效)÷η=(Kh×Q總÷t-Q總÷16)×4.8÷0.8=(Kh×Q總÷t-Q總÷16)×6(m3)。

為了減少在使用熱水量不高時的熱損失,在儲熱水箱總容積大于8 m3時,筆者認為應分成不得少于能獨立使用的2座。

2.2 重力儲熱水箱容積計算

筆者認為可以采用以下幾種計算方法:

1)適用于直接大循環(huán)式空氣源熱水機組的計算公式,同承壓系統(tǒng)的儲熱水箱容積計算:Vr=(K h×Q總÷t-Q總÷16)×6(m3),詳細說明見上。

2)適用于定溫放水式空氣源熱水機組(定溫放水系統(tǒng)是指當空氣源熱泵熱水器加熱水溫達到設定溫度時,系統(tǒng)自動打開進水電磁閥或者自動啟動進水泵,把已經(jīng)加熱達到設定的水溫的熱水放到儲熱保溫水箱中,供生產(chǎn)及生活用的過程,不同于循環(huán)逐步加熱熱水箱中熱水的直接大循環(huán)式空氣源熱水機組)的計算公式,總結多家空氣源熱水機組生產(chǎn)廠家的工程經(jīng)驗和已經(jīng)投入運行的多個項目的運行情況,得出的儲熱水箱有效容積經(jīng)驗公式為:Vr(有效)=日用水量×使用系數(shù)-惡劣工況下機組產(chǎn)熱水量×4 h-機組加熱水箱容積(m3)。

3)對于天氣寒冷的北方地區(qū),不考慮機組在惡劣天氣下的日最冷的時段制熱,水箱有效容積不小于日設計用熱水量。

4)能利用低谷電價的用熱水單位,考慮盡量在低谷電價時制取日用熱水儲存于保溫水箱中,水箱有效容積不小于日設計用熱水量,根據(jù)測試,優(yōu)質的重力保溫水箱能在氣溫-3℃的情況下,日溫降控制在3℃左右。

上述4種計算方法,可根據(jù)不同的實際情況分析選用,考慮各類機組的實際節(jié)能效果,其中后3種計算方法應比較常見。

3 加熱循環(huán)水泵的選擇

空氣源熱泵機組的產(chǎn)熱能力以額定工況下機組運行時間為12 h制取日用熱水量作為設計參數(shù),加熱循環(huán)水泵以水箱內溫降3℃作為水泵啟動溫度,則Q泵=(Q總/12)×(55-15)÷3×安全系數(shù)=(Q總/12)×40÷3×1.1=1.2×Q總,必須注意的是:式中Q總單位為m3/d,Q泵單位為m3/h。

水泵揚程根據(jù)《規(guī)范》的第5.4.2A第3條計算,根據(jù)經(jīng)驗,機組與水箱在一個標高平面上,揚程選用約15 m。

4 結 語

綜上所述,筆者根據(jù)《規(guī)范》和工程設計經(jīng)驗和已經(jīng)投入運行的項目的運行情況,結合不同的場合,對承壓、重力儲熱水箱的容積分別提出了計算方法,也對本熱水系統(tǒng)加熱循環(huán)水泵的技術參數(shù)的選擇提出了計算方法。并將設計思路應用于實際工程設計中,取得了滿意的效果。筆者認為:

1)根據(jù)空氣源儲熱泵中央熱水系統(tǒng)的特點為基本點,從節(jié)能、經(jīng)濟合理、使用的限制條件等出發(fā),在大多數(shù)情況下,對用水量較大的中央熱水系統(tǒng)的儲水罐采用重力式,系統(tǒng)相應為重力水箱系統(tǒng);

2)承壓水箱系統(tǒng)適用在用熱水量不大、日用熱水量變化較小、水箱能盡量設置在戶內的場合,如戶式中央熱水機組;

3)任何系統(tǒng)的核心是主設備,管路系統(tǒng)是為主設備服務的,設計師的任務就是在不破壞設備功能的前提下為主設備設計一個合理的管路系統(tǒng),而不是為了管路系統(tǒng)的合理性而削弱甚至是犧牲主設備的功能優(yōu)勢,這是一個原則性問題。

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