○雷兵山段朝霞
(1、武漢大學(xué)后勤保障部湖北 武漢430072 2、武漢大學(xué)采 購 與 招投標(biāo)中心湖北 武漢430072)
湖濱浴室位于我校湖濱學(xué)生宿舍區(qū),二層獨(dú)立建筑,一樓設(shè)淋浴頭88個,二樓設(shè)淋浴頭92個。浴室熱源采用環(huán)保無污染且經(jīng)濟(jì)節(jié)能的空氣源熱泵加熱系統(tǒng),由空氣源熱泵熱水機(jī)組制取洗浴用熱水??紤]冬季隨環(huán)境溫度的改變、空氣源熱泵機(jī)組效能衰減等因素,冬季另配置有蒸汽混合加熱器輔助加熱(其蒸氣來源于燃?xì)忮仩t),與空氣源熱泵機(jī)組聯(lián)合制取洗浴熱水,保證系統(tǒng)全天候的制熱效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱水送水溫度為50℃。按全年學(xué)生用水量的平均值,本項(xiàng)目洗浴熱水的每天設(shè)計(jì)供應(yīng)水量160噸,分為4個40噸模塊化供水單元,采取并聯(lián)供水模式。當(dāng)季節(jié)變化用水量減少時,可選擇單模塊(或雙模塊)運(yùn)行方式,有效地控制能耗。
表1 系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)
根據(jù)本工程的實(shí)際情況,空氣源熱泵熱水機(jī)組的選型需滿足熱水供應(yīng),當(dāng)冬季空氣源熱泵熱水機(jī)組出力不足時,啟動蒸汽加熱器輔助加熱。武漢地區(qū)最冷工況下室外濕球溫度按-4.0℃計(jì)算,熱泵的制熱量修正系數(shù)為0.6,冷水計(jì)算溫度為5℃。
按160噸水所需要的熱量計(jì)算:若冬季冷水的溫度5℃,那么熱水所提升的溫差就是45℃,根據(jù)公式Q=Lp×Δt×1.01可計(jì)算出綜合熱量:
Q=Lp×Δt×1.01 Kcal
=160000×45×1.01 Kcal
=7272000 Kcal(÷0.86)
=8456 KW
若確定機(jī)組運(yùn)行時間16小時為加熱時間,那么每小時所提供的熱量應(yīng)該為528KW。本項(xiàng)目的熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4套獨(dú)立系統(tǒng),則每套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小時熱量為142KW。每套系統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組總配置為:RBR-36F機(jī)組3臺,3臺機(jī)組的平均小時產(chǎn)熱量145.725KW,即可滿足要求。
額定工況下空氣源熱泵熱水機(jī)組制熱能力:每套系統(tǒng)機(jī)組制熱量145.725KW,每小時產(chǎn)50℃熱水量:145.725KW×0.86÷(50℃-5℃)=2.78m3;機(jī)組日實(shí)際運(yùn)行時間為:160m3÷(2.78×4)m3/h=14.39小時。
最冷工況下空氣源熱水機(jī)組制熱能力:武漢地區(qū)最冷工況室外濕球溫度為-4.0℃,熱泵的制熱量修正系數(shù)為0.6,冷水計(jì)算溫度為5℃。每套系統(tǒng)機(jī)組產(chǎn)熱量:145.725KW×0.6=87.435KW,每小時產(chǎn) 50℃熱水量:87.435KW×0.86÷(50℃-5℃)=1.67m3;4套系統(tǒng)每天產(chǎn)水量(50℃)為4×1.67×14=93.52噸。在該工況下,學(xué)生浴室熱水系統(tǒng)項(xiàng)目輔助加熱需配置每小時227KW的熱量。
本系統(tǒng)由4個模塊單元組成,每個模塊單元由空氣源熱泵熱水機(jī)組、蓄熱保溫水箱、機(jī)組制熱循環(huán)泵及管路、熱水供水泵及管路、回水管路、集中控制柜等組成。
系統(tǒng)原理如圖1所示。
系統(tǒng)有4個獨(dú)立的制熱模塊單元,每套獨(dú)立模塊系統(tǒng)中3臺空氣源熱泵機(jī)組(制熱量40KW)與水箱采用并聯(lián)加熱方式,熱水循環(huán)泵一用一備。機(jī)組開機(jī)后,循環(huán)泵啟動,水在空氣源熱泵機(jī)組的換熱器中加熱又循環(huán)回水箱,然后由水箱下部循環(huán)管循環(huán)回機(jī)組換熱器加熱,如此周而復(fù)始循環(huán)加熱直至保溫水箱里的水到達(dá)設(shè)定水溫。
圖1 系統(tǒng)原理圖
每套獨(dú)立系統(tǒng)模塊的水箱與水箱有管道連接,每套模塊系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行,也可并聯(lián)多模塊運(yùn)行,緊鄰的系統(tǒng)可以并聯(lián)組合起來作為一個整體系統(tǒng)制熱,滿足高峰期的洗浴用水。
空氣源熱泵熱水機(jī)組與水箱連接管道設(shè)有過濾器、水流開關(guān)、閥門。過濾器裝設(shè)在機(jī)組的進(jìn)水口處,阻止進(jìn)水中的雜物進(jìn)入機(jī)組,保護(hù)機(jī)組的換熱器及循環(huán)管路,防止堵塞。水流開關(guān)負(fù)責(zé)機(jī)組的正常運(yùn)行,當(dāng)保溫水箱中缺水或管路不通,無循環(huán)水流時,主機(jī)處于自動保護(hù)不開機(jī)狀態(tài)。機(jī)組進(jìn)出水口裝設(shè)閥門主要用于機(jī)組停機(jī)檢修,當(dāng)單臺機(jī)組需要檢修或維修時,關(guān)閉進(jìn)出水閥門,不影響其他機(jī)組運(yùn)行。其停機(jī)溫控設(shè)定范圍由環(huán)境溫度至50℃。
空氣源熱泵熱水機(jī)組作為一種熱源有著獨(dú)特的功用,在制取50℃左右的熱水其能效比(COP值)能達(dá)到4左右,也就是說輸入功率與輸出功率之間是4倍左右,在以空氣作為采熱的對象連續(xù)工作中,熱泵機(jī)組能高效吸收空氣中熱量并轉(zhuǎn)移能量,用于制熱水。其工作原理如圖2所示。
圖2 熱泵機(jī)組原理圖
圖3 制熱效率衰減曲線圖
表2 現(xiàn)有設(shè)備用電功耗表
表3 能源分析表
由于空氣源熱泵式熱水器消耗的能量是機(jī)組內(nèi)部壓縮機(jī)功率,所以它的功耗很低,壓縮機(jī)工作的時候工質(zhì)循環(huán)吸收了空氣中大量的熱量,從而能有3—4倍于壓縮機(jī)功率的熱量輸出,這樣就形成很高的能效比(COP)。在相同的環(huán)境條件下加熱等量的水到相同的溫度,空氣源熱泵熱水器所花的費(fèi)用約是電熱水器所花的費(fèi)用的1/4。因此它具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢且無任何排放,這也就是該項(xiàng)目的最大優(yōu)點(diǎn)。在該項(xiàng)目中,空氣源熱泵熱水機(jī)組在環(huán)境溫度低于7℃時,制熱效率開始衰減,根據(jù)現(xiàn)場觀測,其衰減曲線如圖3所示。
從圖3中可以看出,在全年工況下,武漢市的冬季低于2℃以下的環(huán)境溫度,空氣源熱泵熱水機(jī)組是需要第二熱源來完成熱水的加工任務(wù)的,所以在該項(xiàng)目的第二熱源設(shè)計(jì)中選用鍋爐房蒸汽加熱裝置。在環(huán)境溫度高于2℃以上工況下,空氣源熱泵的制熱工況還屬節(jié)能狀態(tài),效能是環(huán)境溫度12℃的45%左右,當(dāng)然環(huán)境溫度在一個24小時的周期是變化的,所以以上的曲線只是作為參考。
現(xiàn)有設(shè)備用電功耗表:寒暑假期系統(tǒng)停用90天左右,按每天用完160噸熱水計(jì)算,其實(shí)際功耗低于表2中的數(shù)值。
該項(xiàng)目全年的熱水使用總噸位為44000噸,實(shí)際的理論制熱量為2046512KW。在現(xiàn)有的供熱能源中,煤、電、氣、油為常規(guī)主要用能,下面根據(jù)用能類別作分析,詳見表3。
由表3可以看出,雖然氣候條件對本系統(tǒng)有一定的影響,但是顯著的節(jié)能指標(biāo)還是得到了充分的體現(xiàn)。與各種能源相比,現(xiàn)在系統(tǒng)的日平均每噸水能耗只有10.378度電(本系統(tǒng)所有的用電設(shè)施總和),折合人民幣只有6.02元(單價0.58元/度)。與原來鍋爐系統(tǒng)每天的費(fèi)用相比,能耗費(fèi)用的支出大大降低,從全年的效益分析可以看出,本系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保效果是穩(wěn)定而顯著的。
[1]陳東、謝繼紅:熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[M].化工工業(yè)出版社,2006.
[2]徐偉等譯:地源熱泵工程技術(shù)指南[M].中國建筑工業(yè)出版社,2007.
[3]蔣能照、劉道平等編:水源·地源·水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.