蘇 丹

(福州精業(yè)建筑工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司 福建福州 350007)

高層酒店空氣源熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 丹

(福州精業(yè)建筑工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)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(tǒng)在高層酒店中的應(yīng)用，即：針對(duì)工程所在地氣象情況，選擇對(duì)應(yīng)月份參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算校核，合理配置空氣源熱泵機(jī)組、貯熱水箱和電輔助加熱設(shè)備的規(guī)格。

高層酒店；集中供應(yīng)熱水系統(tǒng)；空氣源熱泵

0 引言

隨著城市發(fā)展壯大和人口不斷增長(zhǎng)，不可再生能源供應(yīng)日趨緊張，環(huán)境逐步惡化，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的新能源應(yīng)用越來(lái)越迫切，熱水熱源的選擇，在酒店熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重中之重。如何選擇正確的熱源，對(duì)工程整體是否節(jié)能尤為重要[1]。

1 項(xiàng)目概況

歐滬(光澤)國(guó)際大酒店是一家星級(jí)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(yè)服務(wù)設(shè)施，五層～六層為桑拿區(qū)，七層至二十五層為酒店客房區(qū)，其中桑拿區(qū)和客房區(qū)需設(shè)計(jì)集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

2 熱源選擇

熱源方面，因?yàn)楫?dāng)?shù)夭痪邆涔艿廊細(xì)夤?yīng)條件，無(wú)法采用燃?xì)忮仩t；傳統(tǒng)電熱水機(jī)組能耗較大，不適合作為主熱源。酒店管理方對(duì)屋面亦有使用要求，也不適合大面積布置太陽(yáng)能面板，故設(shè)計(jì)采用了空氣源熱泵作為酒店熱水系統(tǒng)的主熱源。

所謂熱泵，就是一種利用人工技術(shù)將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換提升為高溫?zé)崮芏_(dá)到供熱效果的機(jī)械裝置?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)即通過(guò)熱泵機(jī)組運(yùn)行吸收環(huán)境低溫?zé)崮苤苽浜凸?yīng)熱水的系統(tǒng)熱水系統(tǒng)[2]，通過(guò)吸收空氣中的熱量來(lái)達(dá)到加熱水的目的。它根據(jù)“逆卡諾循環(huán)”原理，僅需少量電能驅(qū)動(dòng)，從空氣中吸取低溫?zé)崃客ㄟ^(guò)蒸發(fā)器換熱將熱泵中的液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，氣態(tài)介質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)壓縮成高壓高溫氣態(tài)，進(jìn)入冷凝器冷凝放熱將熱量傳給生活熱水，經(jīng)放熱后的介質(zhì)變成高壓液態(tài)，再經(jīng)節(jié)流裝置膨脹減壓成低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器重復(fù)往返上述過(guò)程，如圖1所示。熱泵加熱工程中，對(duì)環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響，是真正的環(huán)保節(jié)能新熱源。相比太陽(yáng)能、燃?xì)狻⑺啬?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(shè)備布置靈活性強(qiáng)，也不受地質(zhì)、燃?xì)夤?yīng)的限制，在長(zhǎng)江以南地區(qū)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(jī)組較多采用活塞式壓縮機(jī)組，該技術(shù)最成熟，應(yīng)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(tǒng)按熱水是否由熱泵機(jī)組直接供給分為直接供水系統(tǒng)和間接供水系統(tǒng)。目前市面上的空氣源熱泵熱水機(jī)組最高制熱溫度60～65℃，當(dāng)采用間接供水系統(tǒng)時(shí)，難以像蒸汽或者其他高溫?zé)崦綍r(shí)一次將被加熱水升溫至所需溫度，而是通過(guò)板式換熱器不斷換熱將貯熱水罐內(nèi)的水循環(huán)加熱至所需的溫度(50～55℃)。鑒此，該工程設(shè)計(jì)中采用了直接供水+承壓水箱的閉式熱水系統(tǒng),減少了板換設(shè)備占用空間，也提高了系統(tǒng)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(tǒng)示意圖

閉式系統(tǒng)管路布置相對(duì)于開(kāi)式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，承壓水箱相對(duì)于開(kāi)式水箱散熱量較小，保溫性能好，水質(zhì)不易受到污染；另外，閉式系統(tǒng)中，熱水水源由同分區(qū)的冷水加壓泵供給，更有利于用水點(diǎn)的冷熱水壓力平衡。

3 管網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)酒店的定位和熱水使用要求，針對(duì)使用功能和平面布局的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中對(duì)客房區(qū)和桑拿區(qū)采用了兩種不同形式的管網(wǎng)。

客房區(qū)各層平面大致相同，設(shè)計(jì)熱水分區(qū)和冷水供水分區(qū)一致，分為3個(gè)區(qū)，各區(qū)管網(wǎng)采用上供下給，干、立管循環(huán)的管網(wǎng)形式，在供回水立管頂部設(shè)置自動(dòng)排氣閥，及時(shí)排除管網(wǎng)中的空氣，減緩系統(tǒng)管道的腐蝕，如圖3所示。

圖3 客房區(qū)管網(wǎng)示意圖

桑拿區(qū)用水點(diǎn)比較分散，設(shè)計(jì)采用橫向干管供回水形式，這種管網(wǎng)適用于各層用水點(diǎn)錯(cuò)位布置的情況，管道布置較為靈活，如圖4所示。

圖4 桑拿區(qū)管網(wǎng)示意圖

4 熱泵選型計(jì)算

在最冷月平均氣溫<10℃且≥0℃的地區(qū)采用空氣源熱泵供生活熱水時(shí)，應(yīng)設(shè)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(shè)計(jì)采用電輔助加熱設(shè)備。

當(dāng)設(shè)輔助熱源時(shí)，空氣源熱泵的設(shè)計(jì)供熱量宜按當(dāng)?shù)剞r(nóng)歷春分、秋分所在月的平均氣溫和冷水供水溫度計(jì)算，并根據(jù)其最不利工況計(jì)算輔助熱源的設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量(該工程熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)采用當(dāng)?shù)?月份平均氣溫及冷水溫度進(jìn)行計(jì)算，月平均氣溫10℃，地表水溫度10℃)。

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

4.1 中區(qū)熱水系統(tǒng)耗熱量計(jì)算

(1)熱水系統(tǒng)最高日熱水量按式(1)計(jì)算：

Qr=mqr/1 000

(1)

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

(2)全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，按式(2)計(jì)算：

Qrh=mKhqr/24 000

(2)

式中：Qrh—設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量(m3/h)。 Kh—小時(shí)變化系數(shù)。

(3)最高日平均耗熱量可按式(3)計(jì)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(shè)計(jì)溫度； tl—冷水設(shè)計(jì)溫度； C—水的比熱，C=4 187(J/kg·℃)。

(4)設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量按公式(4)計(jì)算：

Qh=QrhCρr(tr-tl)/3 600

(4)

式中：Qh-設(shè)計(jì)小時(shí)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(qū)床位數(shù)m=280，其他參數(shù)：qr=160L/(人·天) Kh=2.6，tr=55℃，tl=10℃，T=24h(參數(shù)取自建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范GB50015-2003(2009版))，代入公式計(jì)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(jī)組與貯熱設(shè)備的計(jì)算

(1)空氣源熱泵熱水機(jī)組總制熱量按式(5)計(jì)算：

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

(5)

式中：Qg—熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量(kW)；T1—熱泵設(shè)計(jì)工作時(shí)間，全日制取12～20h； K1—安全系數(shù)，取1.05～1.10。

選擇空氣源熱水機(jī)組RSJ-380/S-820-C五臺(tái)，單臺(tái)額定功率9.1kW，制熱量34.0kW(設(shè)計(jì)工況下：環(huán)境溫度10℃，進(jìn)水10℃，出水55℃，COP=3.74)。

(2)熱泵熱水系統(tǒng)貯熱總?cè)莘eVr 按式(6)計(jì)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(shù)，承壓水箱η=0.8；T—設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間(h)，取T=2h。

貯熱總?cè)莘eVr較大，會(huì)出現(xiàn)熱泵機(jī)組的供熱量會(huì)很??；貯熱總?cè)莘eVr較小，會(huì)出現(xiàn)熱泵機(jī)組容量很大，增加投資。所以Vr經(jīng)計(jì)算后，需按Qg校核蓄熱時(shí)間T2，蓄熱時(shí)間計(jì)算公式轉(zhuǎn)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(jì)算T2=0.61h，較為合適(蓄熱時(shí)間建議取0.5～2h)，最后確定承壓貯熱水箱貯熱總?cè)莘eVr=2.0m3。

4.3 熱水循環(huán)泵計(jì)算

第一循環(huán)集熱循環(huán)泵流量按下式計(jì)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(shù)，取1.1； △tj—熱泵機(jī)組進(jìn)出口溫差，一般取5℃；

熱泵機(jī)組閉式循環(huán)水泵揚(yáng)程計(jì)算：

H=hp+he+6m

式中：hp—循環(huán)管道沿程水頭損失；he—循環(huán)管道局部水頭損失； 6m—熱泵機(jī)組損失。

本工程集熱循環(huán)泵設(shè)置于地下室熱水設(shè)備機(jī)房H=12m(管網(wǎng)損失詳細(xì)計(jì)算從略)，循環(huán)水泵由設(shè)在泵前管道上的溫度傳感器控制啟停。

4.4 輔助熱源計(jì)算

當(dāng)設(shè)置輔助熱源時(shí)，按最不利工況計(jì)算輔助熱源的設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量。光澤屬閩北地區(qū)，最冷月份平均氣溫2.8℃，設(shè)計(jì)冷水溫度5℃，設(shè)計(jì)熱水溫度55℃。根據(jù)產(chǎn)品曲線(xiàn)，在最冷月份最不利工況時(shí)，空氣源熱泵熱水機(jī)組RSJ-380/S-820-C產(chǎn)熱水量為400L/h；則單臺(tái)制熱量為Q單=0.4×50×1.163=23.26kW。

分區(qū)熱泵機(jī)組最不利工況時(shí)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(jī)組2臺(tái)，單臺(tái)產(chǎn)熱量30kW，產(chǎn)熱效率96%，熱水產(chǎn)量0.516m3/h。

5 結(jié)語(yǔ)

熱泵系統(tǒng)因?yàn)樵靸r(jià)、進(jìn)出水溫差、最高出水溫度等因素影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用蓄熱式，以提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的貯熱量和熱泵的產(chǎn)熱量之和必須滿(mǎn)足高峰用水時(shí)的需要。市面上承壓熱水箱需要定制，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，容積不宜過(guò)大，選用時(shí)需注意機(jī)組與貯熱裝置的匹配問(wèn)題，也可以采用加熱和儲(chǔ)熱水箱分離的雙水箱組合，既減小了單個(gè)水箱的容積，也能提高系統(tǒng)效率。

[1] 陳耀輝.酒店兩種熱源選擇的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].給水排水, 2008, 34(2):94-96.

[2] 陳振, 紀(jì)鋒.給排水專(zhuān)業(yè)節(jié)能節(jié)水設(shè)計(jì)思路[C]// 海峽綠色建筑與建筑節(jié)能博覽會(huì)論壇.2009:75-77.

[3] 裴剛, 李桂強(qiáng), 季杰,等.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)即刻加熱模式和循環(huán)加熱模式的對(duì)比[J].化工學(xué)報(bào), 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