王家良, 陳　博, 陳　銳, 梁　東, 王　路, 吳　迪

(1. 四川省建筑設(shè)計(jì)研究院, 四川成都 610093； 2.電子科技大學(xué)后勤處, 四川成都 611731)

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電子科技大學(xué)學(xué)生宿舍空氣源熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王家良1, 陳博1, 陳銳1, 梁東1, 王路2, 吳迪2

(1. 四川省建筑設(shè)計(jì)研究院, 四川成都 610093； 2.電子科技大學(xué)后勤處, 四川成都 611731)

【摘要】文章介紹了電子科技大學(xué)清水河校區(qū)學(xué)生宿舍空氣源熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在熱水系統(tǒng)節(jié)能改造設(shè)計(jì)中，針對(duì)既有宿舍現(xiàn)狀、用水需求、結(jié)構(gòu)荷載、能效分析、工作模式等方面進(jìn)行了分析和研究，并探討了熱泵機(jī)組按不同工作模式組合運(yùn)用的問(wèn)題，供設(shè)計(jì)者參考。

【關(guān)鍵詞】空氣源熱泵；熱水系統(tǒng)；既有建筑；節(jié)能改造；學(xué)生宿舍

電子科技大學(xué)清水河校區(qū)現(xiàn)有本科、碩士、博士生各類(lèi)宿舍48棟，從2007年陸續(xù)竣工投入使用至今，各宿舍浴室熱水的制熱設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的設(shè)備老化、不節(jié)能、存在安全隱患等問(wèn)題。2015年6月四川省建筑設(shè)計(jì)研究院對(duì)其中24棟學(xué)生宿舍的浴室熱水系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造設(shè)計(jì)，由空氣源熱泵熱水系統(tǒng)替換原有的燃?xì)鉄崴?，以達(dá)到更加安全、節(jié)能的目的。

1工程現(xiàn)狀分析

1.1宿舍現(xiàn)狀和用水需求

電子科技大學(xué)清水河校區(qū)實(shí)施節(jié)能改造的學(xué)生宿舍均為6層宿舍建筑，建筑高度均小于24m。部分宿舍樓設(shè)有局部地下室，使用功能為自行車(chē)庫(kù)。宿舍樓建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型均為磚混，樓梯間、門(mén)廳等局部區(qū)域?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)。

實(shí)施節(jié)能改造的24棟學(xué)生宿舍中，碩士樓為2人間，本科樓為4人間，浴室分層集中設(shè)置，宿舍內(nèi)僅浴室部分供應(yīng)熱水，宿舍樓均為Ⅲ類(lèi)用水密集性建筑。節(jié)能改造前，浴室熱水均由燃?xì)鉄崴鞴?yīng)，熱水器分散設(shè)于各浴室外部的陽(yáng)臺(tái)。部分宿舍樓的屋面，原設(shè)計(jì)預(yù)留有設(shè)置燃?xì)鉄崴畽C(jī)組和熱水箱的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，但因?yàn)榇嬖诎踩[患、管理不便等原因，至今未實(shí)施。

電子科技大學(xué)清水河校區(qū)市政自來(lái)水供水壓約0.30MPa，學(xué)生宿舍均由市政管網(wǎng)水壓直接供水，基本滿足使用要求。學(xué)校管理現(xiàn)狀：(1)宿舍內(nèi)冷水供應(yīng)不計(jì)費(fèi)，浴室淋浴熱水采用校園IC卡計(jì)費(fèi)；(2)校園內(nèi)建有信息傳輸、能源管理系統(tǒng)。

1.2環(huán)境條件

成都地區(qū)夏季最熱月(7月)平均最高溫度 25.6 ℃，極端最高溫度 37.3 ℃，平均相對(duì)濕度85 %，日照率19 %；冬季最冷月(1月)平均最低溫度 5.5 ℃，極端最低溫度-5.9 ℃，平均相對(duì)濕度 80 %，日照率28 %；日照時(shí)數(shù)1 109h，年總輻照量3 438MJ/(m2·a)[1]。

可見(jiàn)，成都地區(qū)屬夏熱冬冷地區(qū)，太陽(yáng)能資源貧乏，適合使用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，但應(yīng)考慮冬季水溫較低因素。成都地區(qū)熱水系統(tǒng)冷水計(jì)算溫度[2]，地面水溫度為7℃，地下水溫度為15℃～20℃。

2空氣源熱泵制熱水方案

2.1能效比的影響因素

空氣源熱泵工作遵循逆卡諾循環(huán)原理，是對(duì)具有特殊相變溫度特性的冷媒做功而達(dá)到熱量從冷源物體抽送熱量到熱源物體的過(guò)程。空氣源熱泵在不同的氣溫、濕度和水溫條件下有不同的節(jié)能效益。節(jié)能效益采用能效比(COP)來(lái)衡量，它指熱泵機(jī)組的輸出功率與輸入功率之比，如公式(1)。

COP=Qg∕Qr

(1)

式中:Qr為熱泵系統(tǒng)的輸入功率(kW)；Qg為熱泵系統(tǒng)的輸出功率(kW)；COP為能效比。

冬季的氣溫低，空氣源熱泵能效比(COP)也較低；同時(shí)冬季的冷水水溫低，達(dá)到相同的熱水溫度需要更多的熱量；兩者效果疊加后，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬天的熱水產(chǎn)出能力就更低。因此就安全性而言，冬季氣溫和水溫是空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制因素。

也可以說(shuō)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)如果按照春秋分所在月的平均值配置，則冬季必須要依靠輔助熱源才能保證熱水系統(tǒng)的供水安全性。如果空氣源熱泵熱水系統(tǒng)按冬季條件設(shè)計(jì)，不需配置輔助熱源，但熱水系統(tǒng)的制熱設(shè)備配置量會(huì)偏大。

2.2工作方案的選擇

從可再生能源角度，成都地區(qū)太陽(yáng)能資源貧乏，不適合采用太陽(yáng)能作為輔助熱源；本項(xiàng)目也不具備其他地?zé)?、廢熱等熱源條件。從傳統(tǒng)熱源來(lái)看，只能考慮燃油、燃?xì)鉄崴畽C(jī)組或電能。按前述分析和總平面布置，本項(xiàng)目宿舍樓棟較多，比較分散，考慮節(jié)能和安全因素，不宜集中設(shè)置熱水機(jī)組；同時(shí)，大部分宿舍屋面也無(wú)法解決熱水機(jī)組的結(jié)構(gòu)荷載問(wèn)題，無(wú)設(shè)置燃油、燃?xì)鉄崴畽C(jī)組的條件。單純考慮電能直接輔助加熱，顯然其節(jié)能效果低于空氣源熱泵機(jī)組。

參照有關(guān)研究結(jié)果[3]，本項(xiàng)目空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用延長(zhǎng)熱泵工作時(shí)間和適當(dāng)增加熱水箱容積的方式，不設(shè)置輔助加熱裝置。

成都地區(qū)冬季氣溫5.5 ℃，水溫為7 ℃；春秋季氣溫15 ℃～20 ℃，水溫15 ℃。熱水供應(yīng)溫度按60 ℃設(shè)計(jì)，則兩者的熱量差值為：(60-7) ∕(60-15)=1.18倍?？諝庠礋岜玫腃OP值參考國(guó)內(nèi)某品牌空氣源熱泵機(jī)組的能力性能曲線圖(圖1)。按成都地區(qū)得環(huán)境溫度，春秋季熱泵的COP值取3.6，冬季COP值取2.6，則兩者的能效比相差為3.6/2.6=1.38倍。同時(shí)考慮水溫和氣溫的影響，則空氣源熱泵的輸入功率差值約為1.18×1.38=1.63倍。如果熱泵機(jī)組選型按春秋季設(shè)計(jì)，加熱時(shí)間按8～10h計(jì)，則冬季的熱泵工作時(shí)間可以控制在13～16h，滿足GB50015-2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的熱泵工作時(shí)間上限為20h的要求。

同時(shí)，考慮到空氣源熱泵將置于宿舍屋面或鄰近宿舍的室外，為了盡量不影響學(xué)生夜間休息，減小設(shè)備運(yùn)行對(duì)校園環(huán)境的干擾，本項(xiàng)目的工作方案為：(1)熱泵機(jī)組按夜間停止工作設(shè)計(jì)；(2)宿舍浴室熱水采用定時(shí)供應(yīng)方式，供應(yīng)時(shí)段為10h(13：00～23：00)；(3)熱水儲(chǔ)水箱全額儲(chǔ)存定時(shí)供應(yīng)時(shí)段的熱水量；(4)熱泵機(jī)組春秋季工作的時(shí)間按10h設(shè)計(jì)，則冬季工作控制在14h內(nèi),則熱泵機(jī)組系統(tǒng)的輸入功率需放大至16/14=1.14，取1.2倍。

圖1　某品牌空氣源熱泵機(jī)組的能力性能曲線

3熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1熱水設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量

GB50555-2010《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類(lèi)宿舍60 ℃熱水用水定額qr為35～45L∕(人.d)，本項(xiàng)目宿舍熱水系統(tǒng)人均用水量取40L∕(人.d)。熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱出水溫度按55 ℃設(shè)計(jì)時(shí)，折合用水標(biāo)準(zhǔn)則為44L∕(人.d)。

空氣源熱泵設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，可按式(2)[2]計(jì)算，由于本項(xiàng)目不設(shè)置輔助熱源，應(yīng)按成都地區(qū)最冷月平均氣溫和冷水供水溫度計(jì)算。

(2)

式中:Qg為空氣源熱泵設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，kJ/h；qr為熱水用水定額，L∕(人.d)或L∕(床.d)；m為用水計(jì)算單位數(shù),(人數(shù)或床位數(shù))；C為水的比熱，C=4.187kJ/(kg· ℃)；ρr為熱水的密度，kg∕L；tr為熱水的比熱，℃；tl為冷水的比熱，℃；T1為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，h/d；k1為安全系數(shù)，k1=1.05～1.10。

應(yīng)當(dāng)指出，式(2)中熱泵的Qg與采用常規(guī)加熱的設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量概念完全不同。常規(guī)能源條件下的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量是最高日最大時(shí)的供熱量，保障程度非常高，而式(2)中的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量只是在設(shè)計(jì)冷水溫度和水量條件下的平均小時(shí)供熱量，兩者差距很大。

3.2 熱水箱儲(chǔ)水容積

按前述的空氣源熱泵工作方案：熱水系統(tǒng)不設(shè)置輔助熱源，冬季按延長(zhǎng)熱泵工作時(shí)間設(shè)計(jì)，熱水定時(shí)供應(yīng)，熱水箱的容積按全額儲(chǔ)存供應(yīng)時(shí)段的熱水量設(shè)計(jì)。由此，本項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱水箱的容積應(yīng)按(3)計(jì)算。熱水用水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按儲(chǔ)熱水箱55℃的出水溫度，折合后的用水標(biāo)準(zhǔn)為44L∕(人.d)計(jì)算。各碩士宿舍樓熱水箱儲(chǔ)水容積，見(jiàn)表1；本科生宿舍樓計(jì)算結(jié)果與之類(lèi)似，不再單獨(dú)列出。

(3)

式中:Vr為儲(chǔ)熱水箱(罐)有效容積(L)；其余參數(shù)同式(2)。

3.3熱泵機(jī)組選型

熱泵機(jī)組按運(yùn)營(yíng)模式分為直接加熱和循環(huán)加熱。直接加熱模式可按式(2)計(jì)算，冷水通過(guò)一次加熱后就達(dá)到設(shè)定的溫度，在加熱過(guò)程中冷凝壓力保持不變，熱泵運(yùn)行穩(wěn)定，熱泵COP值較高[4]，但熱泵機(jī)組配置量較大。

循環(huán)加熱模式指被加熱水在水箱和冷凝器之間循環(huán)加熱，水溫逐漸升高，熱泵冷凝壓力隨水溫上升而不斷升高，熱泵機(jī)組的工作點(diǎn)處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況[3]。本項(xiàng)目熱泵機(jī)組工況采用循環(huán)加熱模式，熱泵機(jī)組的選型按其產(chǎn)水量計(jì)算。

參考某國(guó)內(nèi)品牌空氣源熱泵機(jī)組舉例，其標(biāo)準(zhǔn)工況下的性能參數(shù)(熱泵輸入功率9.8kW，熱泵輸出功率40kW，COP=4.1，熱水產(chǎn)量800L/h)，以碩士1棟選型計(jì)算舉例。碩士1棟使用人數(shù)234人，熱水日用水量V=Qd=1.05·44·234=10810(L)，機(jī)組臺(tái)數(shù)n=1.2·10810÷(800·10)=1.5(臺(tái)),則碩士1棟應(yīng)選2臺(tái)該型號(hào)熱泵機(jī)組。部分碩士宿舍樓熱泵機(jī)組配置(表1)；其他宿舍樓計(jì)算結(jié)果與之類(lèi)似，不再單獨(dú)列出。

表1　碩士宿舍樓的熱水計(jì)算

4熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目為高校學(xué)生宿舍熱水節(jié)能改造工程，為了不影響學(xué)校的正常教學(xué)秩序，改造施工僅能在暑假進(jìn)行，施工時(shí)間較短。按前述工程現(xiàn)狀、環(huán)境條件、熱泵工作方案和計(jì)算分析等因素，熱水節(jié)能改造采用如下設(shè)計(jì)思路：(1)制熱設(shè)備應(yīng)盡量靠近用水點(diǎn)，熱水系統(tǒng)采取節(jié)水器具、控制水壓等節(jié)水、節(jié)能措施；(2)盡量利用宿舍屋面現(xiàn)有結(jié)構(gòu)荷載條件，將熱水箱和空氣源熱泵機(jī)組等設(shè)備設(shè)于屋面，減少結(jié)構(gòu)加固修改，縮短工期，節(jié)約投資；(3)盡量避免振動(dòng)和噪聲對(duì)學(xué)生宿舍和校園的干擾；(4)完善IC卡收費(fèi)系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)，并考慮與校內(nèi)已有監(jiān)控設(shè)施的兼容性。

4.2工作模式和監(jiān)控平臺(tái)

按前述工作方案,本項(xiàng)目空氣源熱泵系統(tǒng)加熱工藝采用循環(huán)加熱方式進(jìn)行逐步提溫，階梯控制，全天候全自動(dòng)控制運(yùn)行模式。熱水系統(tǒng)配置PLC遠(yuǎn)程控制平臺(tái)系統(tǒng)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)監(jiān)控流程圖(圖2)。制熱設(shè)備和供水設(shè)備根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定工作模式及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守操作。

圖2　空氣源熱泵熱水系統(tǒng)監(jiān)控流程

4.3壓力平衡措施

原宿舍樓均由市政管網(wǎng)直接供水，校內(nèi)給水管網(wǎng)供水壓力基本滿足要求。但設(shè)置空氣源熱泵熱水系統(tǒng)后，儲(chǔ)熱水箱的熱水采用變頻供水，冷水由市政管網(wǎng)直接供水，存在冷熱水供水壓力不平衡問(wèn)題。本項(xiàng)目采用在冷水供水管、熱水變頻供水管、熱回水管上和熱水儲(chǔ)水箱等部位設(shè)置溫度和壓力傳感器，通過(guò)冷水壓力及時(shí)調(diào)整熱水供水壓力和設(shè)備工況，保持熱水系統(tǒng)壓力和溫度穩(wěn)定。同時(shí)在淋浴器處設(shè)置恒溫混水閥，保持出水溫度穩(wěn)定，防止熱水燙傷等安全事故。

4.4熱泵機(jī)組設(shè)置

經(jīng)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)荷載驗(yàn)算：(1)碩士宿舍樓由于使用人數(shù)較少，基本滿足在屋面獨(dú)立設(shè)置熱水箱和空氣源熱泵機(jī)組的條件；(2)本科宿舍16棟～19棟等，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)未考慮任何水箱荷載，新增熱水箱無(wú)法設(shè)于屋面；(3)本科宿舍4棟、9棟等6棟宿舍，存在原僅能滿足部分設(shè)備荷載要求，熱水箱和空氣源熱泵機(jī)組僅能部分設(shè)于屋面。

熱泵機(jī)組設(shè)置，對(duì)于滿足條件的碩士宿舍樓和本科生宿舍樓，在屋面獨(dú)立設(shè)置熱水箱和空氣源熱泵機(jī)組。對(duì)于基本滿足要求的宿舍樓，適當(dāng)減小熱水箱容積，增加空氣源熱泵機(jī)組臺(tái)數(shù)或熱水產(chǎn)水能力，減少結(jié)構(gòu)加固，縮短工期。

對(duì)于屋面結(jié)構(gòu)完全不滿足荷載條件的本科生宿舍(如本科宿舍16棟～19棟)，在室外分組團(tuán)設(shè)置熱水箱和空氣源熱泵機(jī)組。部分滿足條件的本科生宿舍，充分利用原有屋面結(jié)構(gòu)荷載條件，在屋面和室外均設(shè)置熱水箱和空氣源熱泵機(jī)組，其中室外熱水箱和熱泵機(jī)組按組團(tuán)設(shè)置。在冬季等氣象條件較差季節(jié)，屋面熱水箱水量不足時(shí)，由室外熱水箱通過(guò)水泵補(bǔ)水；當(dāng)夏節(jié)季氣象條件較好季節(jié)，屋面熱水箱即可基本滿足淋浴熱水用水量要求，減少室外熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，甚至基本可以不運(yùn)行；以達(dá)到充分利用屋面結(jié)構(gòu)荷載資源，降低噪聲對(duì)環(huán)境的影響，減少結(jié)構(gòu)修改，縮短工期的目的。

5結(jié)束語(yǔ)

(1)電子科大清水河校區(qū)學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水系統(tǒng)目前已全面投入運(yùn)行，2015年冬季采取適當(dāng)延長(zhǎng)熱泵機(jī)組的工作時(shí)間的方式，熱泵機(jī)組產(chǎn)水量滿足宿舍浴室熱水的需求量。

(2)在宿舍類(lèi)既有建筑熱水節(jié)能改造中，應(yīng)結(jié)合建筑現(xiàn)狀、用水需求、能效分析、管理模式等因地制宜選擇熱源形式和熱水制備方式。

(3)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)系統(tǒng)屬于低溫?zé)崴到y(tǒng)，儲(chǔ)熱水箱應(yīng)采取防止軍團(tuán)菌滋生措施，熱水供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)保持水溫穩(wěn)定和防燙傷等措施，保證用水安全。

(4)學(xué)生宿舍熱水供應(yīng)采取IC卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)和能源監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)和監(jiān)測(cè)各設(shè)備運(yùn)用參數(shù)，便于對(duì)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整熱水系統(tǒng)運(yùn)用工況和工作模式，達(dá)到節(jié)約用水、降低能耗的目的。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]王家良(1970～)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事給排水設(shè)計(jì)與管理。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU995.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-05-18