空氣源熱泵熱水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

1、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析摘要：結(jié)合某學(xué)校B類學(xué)生宿舍的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了該系統(tǒng) 中熱泵機(jī)組和儲熱水箱選型的方法和步驟，同時(shí)通過采用雙水箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高 了空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的效率。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)；雙水箱；優(yōu)化設(shè)計(jì)引言伴隨我國對新能源研究的不斷深入，太陽能、空氣能等技術(shù)在建筑給排水設(shè) 計(jì)中的使用率也越來越高，用太陽能、空氣能制備熱水，能達(dá)到緩解煤、天然氣 等不可再生能源的消耗的目的，且具有節(jié)能、安全、環(huán)保的特點(diǎn)。近年來，空氣 能熱泵因其安裝位置靈活、占地面積小、不受晝夜影響而在我國南部地區(qū)廣泛應(yīng) 用。本文基于安徽宿州某學(xué)校學(xué)生宿舍的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地介紹 了該系統(tǒng)中熱泵機(jī)組和儲熱水箱選型的方法和步驟，同時(shí)通過采用雙水箱、輔助 加熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的效率，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)在淮北地區(qū)穩(wěn) 定、高效的運(yùn)行。1工程概況本工程為宿州市某學(xué)校學(xué)生宿舍區(qū)熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，共5棟宿舍，為減少熱水 配水過程中熱量的損耗，因此每棟宿舍為一個(gè)獨(dú)立的熱水系統(tǒng)。本文以其中一棟 宿舍進(jìn)行分析。該宿舍樓六層，共403間宿舍，每間宿舍設(shè)有獨(dú)立衛(wèi)生間，內(nèi)設(shè) 一個(gè)淋浴器，每間宿舍入住學(xué)生6人。根據(jù)學(xué)生作息和生活規(guī)律，宿舍的熱水采 用分段定時(shí)供水，每天的供水時(shí)段為：6:009:00； 11:0014:00和18:0024:00O 宿州市年平均氣溫為14.5

3、C，最冷月平均氣溫最1.0C，小于-10C的極端最低氣 溫平均每年0.8至5.8天，小于或等于-20C的極端最低氣溫約十年一遇。2熱水系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇2.1熱水系統(tǒng)的組成本工程空氣源熱泵熱水系統(tǒng)由7臺空氣源超低溫?zé)岜脵C(jī)組、加熱水箱、保溫 水箱、輔助電加熱系統(tǒng)、水泵及管道閥門等組成?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)原理圖見 圖1所示（圖中僅示意了兩臺熱泵機(jī)組）。熱泵機(jī)組采用全自動控制方式，根據(jù) 水箱內(nèi)熱水的溫度變化，自動啟停；同時(shí)機(jī)組內(nèi)還設(shè)有各種保護(hù)裝置，可避免出 現(xiàn)漏電、干燒、超高溫等危險(xiǎn)事故。圖1空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖2.1設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇熱泵熱水系統(tǒng)中需要選取的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為用水定額、冷水水溫

4、、熱泵工作 時(shí)間。該宿舍為設(shè)有獨(dú)立衛(wèi)生間的6人間宿舍，在建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50015-2003（2009年版）中并沒有此類宿舍的明確分類，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)1按 B類宿舍設(shè)計(jì)，規(guī)范中熱水定額為4080L/人?d（60C），但用水定額范圍較廣， 而民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50555-2010）規(guī)定，本類宿舍的平均日熱水用水 定額為3545L/（人可。楊柳2等人研究了典型學(xué)生公寓的生活熱水用水定額， 根據(jù)其研究結(jié)果將熱水定額選為40L/ （人d），這樣既滿足規(guī)范要求又能更接近 實(shí)際用水需求。本工程因有輔助熱源，另一個(gè)參數(shù)冷水水溫按當(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，取值為1

5、0C。熱泵工作時(shí)間關(guān)系到熱 泵數(shù)量和系統(tǒng)供熱的安全性，工作時(shí)間過短會增加系統(tǒng)造價(jià)，工作時(shí)間過長又會 影響冬季的輔助加熱系統(tǒng)的耗電量，因此合理的確定工作時(shí)間至關(guān)重要。如熱泵 熱水系統(tǒng)按春秋季平均日的參數(shù)設(shè)計(jì)，一般加熱時(shí)間按812h 3，因?yàn)楸竟?程為學(xué)生宿舍，在冬季最冷月學(xué)生會放寒假停止熱水供應(yīng)，所以選取工作時(shí)間選 為 12h。3設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量的計(jì)算熱泵型號及數(shù)量的選擇需要根據(jù)系統(tǒng)所需的供熱量來確定，因此首先需根據(jù) 熱水系統(tǒng)出水溫度和當(dāng)?shù)氐睦渌疁囟扔?jì)算出熱水總供熱量，計(jì)算式如下：4保溫水箱容積本工程的熱水系統(tǒng)為定時(shí)供水，且選用的是非直熱式熱泵機(jī)組，所以所需的儲熱水箱總 容積為定時(shí)供應(yīng)最大時(shí)段的全

6、部熱水量。宿舍的最大供水時(shí)段為18:0024:00，共6個(gè)小時(shí)。 在這6個(gè)小時(shí)內(nèi)機(jī)組仍然可以運(yùn)行有熱水產(chǎn)生，所以本工程的儲熱水箱總?cè)莘e取最大時(shí)段全 部熱水量的90%，計(jì)算所得的總?cè)莘eV=43.5m3。項(xiàng)目采用了雙水箱設(shè)計(jì)，設(shè)置了 V1=3.6m3 的加熱水箱，所以保溫水箱的容積V2=V-V1=39.9m3。5控制原理當(dāng)加熱水箱中的水位低于浮球閥浮子，自來水自動從冷水給水管補(bǔ)進(jìn)加熱水箱中；水位 高于浮球閥浮子時(shí)，自動停止補(bǔ)水；當(dāng)加熱水箱溫度達(dá)到60C且儲熱水箱中的水位低于浮球 閥浮子時(shí)，水箱間增壓泵啟動，熱水進(jìn)入保溫水箱，保溫水箱水位高于浮球閥浮子時(shí)，水箱 間增壓泵停止工作。當(dāng)溫度傳感器T2測得

7、加熱水箱中水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，生活熱水一次 循環(huán)泵開啟，熱泵機(jī)組啟動，進(jìn)行循環(huán)加熱，提高水箱水溫，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，T2發(fā) 出控制信號，生活熱水一次循環(huán)泵和熱泵機(jī)組關(guān)閉。當(dāng)溫度傳感器T4測得保溫水箱中水溫 低于設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)加熱模式。電加熱器作為機(jī)組的備用系統(tǒng)，同時(shí)可以在 環(huán)境溫度較低時(shí)(溫度可設(shè)定)使用，電磁閥M2打開，M3關(guān)閉，電加熱器開啟，提高水溫， 彌補(bǔ)機(jī)組低溫環(huán)境下的能力衰減。當(dāng)環(huán)境溫度升高后(溫度可設(shè)定)，M2關(guān)閉、M3開啟、 電加熱器關(guān)閉。6本項(xiàng)目熱泵熱水系統(tǒng)特點(diǎn)因本項(xiàng)目位于淮北地區(qū)，冬季氣溫低，不適合直熱型熱泵機(jī)組4，所以該系統(tǒng)選用了 高效超低溫機(jī)組。且每棟宿

8、舍設(shè)獨(dú)立的熱水給水系統(tǒng)，縮短系統(tǒng)熱水供回水管路長度，減少 熱水配水過程中的熱量損失。宿州市冬季氣溫較低，因此系統(tǒng)設(shè)置了輔助電加熱系統(tǒng)，以 減少項(xiàng)目初期投資，同時(shí)在冬季氣溫較低的時(shí)段內(nèi)也能保證熱水的供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了熱水系統(tǒng)供 水的穩(wěn)定性。另外，本工程采用了雙水箱設(shè)計(jì)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道5，單水箱熱泵熱水 系統(tǒng)加熱過程中自來水補(bǔ)水與水箱熱水混合，熱泵循環(huán)加熱水溫起點(diǎn)高，存在機(jī)組平均加熱 效率難以提高的問題，后來東南大學(xué)鹿琳6等提出了一種雙水箱(加熱水箱和儲水水箱)的 熱泵熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)冷水補(bǔ)水進(jìn)入加熱水箱，被熱泵機(jī)組加熱到設(shè)定溫度后送至儲水水箱 以供給用戶側(cè)，從而避免冷熱水混合造成機(jī)組效率較低的問題。他

9、們的實(shí)驗(yàn)表明雙水箱熱泵 熱水系統(tǒng)避免了在使用過程中自來水補(bǔ)水與水箱原有熱水混合，降低了空氣源熱泵機(jī)組加熱 過程中的平均工作溫度，提高了熱泵機(jī)組的加熱效率，具有明顯的節(jié)能效果。因此，本工程 采用雙水箱設(shè)計(jì)，一方面可以節(jié)能，另一方面還可以減少儲熱水箱的總?cè)莘e。7結(jié)語空氣源熱泵熱水機(jī)組的制熱能力和產(chǎn)水量隨著環(huán)境溫度的降低而降低，雖然在中部地區(qū) 使用過程中需增加輔助加熱設(shè)備，但相比傳統(tǒng)的熱水制備系統(tǒng)，仍具有節(jié)能的優(yōu)勢。同時(shí)， 雙水箱設(shè)計(jì)具有加熱控制靈活、提高熱泵機(jī)組加熱效率、減少儲熱水箱總?cè)莘e的特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：1彭世瑾.皿類學(xué)生宿舍熱水系統(tǒng)計(jì)算公式參數(shù)取值探討，給水排水,201,38(1):110-111.2楊柳，陳靜，張少良，段夢慶，典型學(xué)生公寓生活熱水用水定額研寬給水排 水,2014,40(7):157-161.3陳偉，王靖華，屈利娟，等.可再生能源和節(jié)能設(shè)備加熱生活熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù) 探討.給水排水，2012，38(9):79-83.王靖華，呂存陣,王小紅.夏熱冬冷地區(qū)空氣源