广州白云仲恺新校区A栋学生公寓热水系统工程设计

  暑期,校园热水系统改造迎来旺季,校园热水招标频繁。过去,校园热水设备以锅炉为主,锅炉耗能高、污染大、舒适性差、安全度低等弊端,使得越来越多学校开始寻找高效节能、舒适安全的新设备。

空气源热泵热水系统具有高效节能、环保、安全、可靠等优势,既适用于集中安装,也可以分户安装,使得我国空气源热泵冷热水机组市场空前繁荣,已有系列化的成型产品。不仅大型的集中供热系统,而且越来越多的小型家用冷暖热泵空调器、空气源热泵热水器也投放市场。空气源热泵热水产品越来越得到用户的青睐,已经成为市场上的新宠,标志着空气源热泵技术在热水系统中的应用越来越成熟。为此,小编将位于广州市白云区的仲恺新校区A栋学生公寓热水系统的设计方案进行编辑,给各位正在进行校园热水项目竞标或施工的经销商朋友提供一点参考。

1 设计基础与依据
  
1.1 工程概况

仲恺新校区A栋学生公寓位于广州市白云区,总建筑面积约为18710m2,公寓共六层,首层作为饭堂、商店、副食店、书店等功能使用;二至六层作为学生宿舍使用。公寓共有390间宿舍房间,每个房间配有独立的卫生间和浴室,设计入住4人,每间浴室一个沐浴器,热水系统全年向淋浴器供生活热水。

1.2  设计依据

建筑单位提供的建筑图纸与相关要求;

《建筑给水排水设计规范》(GB50013-2003以下简称“设计规范”);

《给水排水设计手册》和《给水排水标准图集》等。

1.3  设计参数

设计地点在广州市(东经:113.19,北纬23.08);室外年平均气温21.8℃。  冬季空气和冷水温度低于夏季,制备生活热水所需最大耗热量出现在冬季,因此取冬季参数为本系统设计参数。根据“设计规范”,我校学生公寓每室四人已不是传统集体宿舍那样密集,与住宅更相近,所以热水定额qh取住宅类定额较大值200l/h;热水设备出口热水水温tr选取55℃,卫生器具用水温度th为40℃,冷水温度tl取10℃;热水水质应符合现行《生活饮用水卫生标准》――GB5749-2005的要求,考虑到高温热水容易结垢,对设备腐蚀,冷水补水先进行软化处理。[NextPage]

  2 工程设计
  
2.1 热水量与耗热量的计算

学生白天上课,学生公寓生活热水主要用于淋浴,高峰使用时间在傍晚和晚上,从学生使用特点和学校管理方便的要求出发,采用定时供应的热水管理方法,供水时间T为每天17:00至19:15和21:15至23:00,共四小时。因为每宿舍只有四人,平均每人每次淋浴15~30分钟,因此,供水期间卫生器具的平均使用率不大于50%。

(1)定时热水供应系统,在卫生器具的使用水温下的小时热水量计算公式:

式中  Qq――在卫生器具使用水温条件下的混合热水量,L/h;

No――同类型卫生器具数,A栋为390;

b――系统卫生器具同时使用百分数,取70%[2]。

(2)使用水温与设备出水温度换算系数Kt(主机供应55℃热水量占混合水量的百分数)计算公式:

(3)采用定时热水供应系统,热水主机设计小时热水量(55℃)计算:

(4)热源每天所需总供热量为:

式中 Qd――集中热水系统的每天总耗热量;

C――水的比热, 4.187KJ/(kg.℃);

Pr――热水密度,0.986kg/L(55℃);

从减少设备配置与投资并便于管理考虑,设定机组定时运行8h,分时段供热水4 h,总的热水量与耗热量计算结果见表1

2.2  总体方案的设计

2.2.1  热水系统的分区

六层的学生公寓是多层建筑,不考虑竖向分区。考虑到建筑物特有的形状以及建筑结构,对建筑进行横向分解,具体的分区如图1所示,分为A、B、C、D四个区,各区设置1个热水系统。

2.2.2  热源的选择

在选择热源时需要考虑地区的气温、日照情况,利用现有的资源,合理选择经济、高效、环保的热源。[NextPage]

对各种能源或热源设备从热效率、能效比等进行比较分析 ,由表2可知道,燃料热效率或设备热效率最高的是热泵热水机组,从能量利用的角度看,空气源热泵机组是最理想的选择;从经济的角度看,煤作为燃料制热水,由于本身存在价格优势,有一定的经济性,燃煤锅炉作为传统的供热方式一直存在到今天也是得益于这个优势。但是,燃煤锅炉对环境污染严重,而且这种经济性优势也有片面性,表2仅对于燃料的消耗做经济比较,没有考虑到其设备运行费用,燃煤锅炉系统的运行费用比较高,燃料的供给系统以及空气供给系统都需要耗费较多的电能。而表2中空气源热泵机组的费用已经包括了大部分的电能在内,它经济性优势也是明显的。因此,本设计热源采用空气源热泵,主机布置在楼宇顶层。

2.2.3 热水供应方式的设计

学生公寓晚上使用热水比较集中,采用定时供应热水比较合理与经济。由于白天室外空气温度较高,空气源热泵机组运行的COP值较高,消耗相同的电能,得到更多的热量,从而达到节能、省电的目的,因而采用空气源热泵热水机组为热源加蓄热水箱全蓄热系统运行方式。机组白天运行8小时制热水,将满足全天用水要求的热水集中存储在蓄热水箱中,到供水时间用供水泵从蓄热水箱向用户系统管网供水。考虑到供水的方便,以及热水的水力平衡,热水从蓄热水箱出来经主干管分到立管,由立管往下向每个宿舍供应热水。为了更好的补充配水管网热量损失,保证配水点的水温,选用立管循环,循环管RH在立管底部与供水立管底部连接。设置补水泵,在机组运行的制热过程加压补水。图2是系统的原理图。

2.3 热水管网的设计

2.3.1 热水管网的布置与水力计算

热水管网的横干管敷设在顶层,沿水流方向保证不少于0.003的坡度,供水管越走越高,循环管沿水流方向下降;供水管高处设置自动排气阀,循环管低处设置排污阀;干管上设置波纹管补偿器;立管穿楼板时加上套管,套管内径比通过的热水管外径大2号,中间间隙填上密封防水填料。

热水供应系统中的蓄热水箱、热水供水干管和立管,循环干管与立管等可能产生热损失的地方采用保温措施,以减少无效热损失。保温层厚度可以参照文献[4]进行估算。选用聚苯乙烯作为管道的保温材料,其导热系数λ=0.041W/(m・℃);而蓄热水箱采用灌装硬质聚氨脂泡沫塑料作保温(水箱配套材料),设备在采取保温措施之前,进行防腐处理。保温材料与管道或设备外壁紧密相贴,在保温层外表面做防护层。

按常规工程设计计算方法确定每段水管的管径(详见图纸上管径标注),热水管道中的水流速度一般采用0.8~1.2m/s 。计算最不利循环管路和最不利配水管路总的阻力损失分别为98.8 kPa和44.59kPa。热水泵的扬程除路总阻力外还需克服设备阻力、出口余压(开式部分有)并保证10%的余量。

2.3.2  蓄热水箱与补水配置方式的选择

由于传统的循环加热配置方式存在着许多不足,影响使用的舒适性,所以我校学生公寓拟采用单水箱定温配置系统。自来水经软化处理后,直接补水至空气源热泵热水机组,满足客户使用要求的高温水从主机排向保温蓄热水箱储存备用,补水的控制由补水电磁阀控制,以保证补水在合理的范围内,得到预设的机组出水温度。[NextPage]

2.4 主要设备的选型计算

2.4.1 空气源热泵热水机组及水箱选型

根据各分区系统设计小时耗热量,选约克商用机组系列的空气源热泵热水机组;蓄热水箱采用全蓄热方式,选用组装式不锈钢保温水箱(灌装硬质聚氨脂泡沫塑料作为保温的材料,取λ=0.035W/(m・℃),各个分区具体选型见表3。与表1所需的供热量与供热水量相比,可满足要求。

2.4.2 热水泵的选择计算

水泵入口设Y型过滤器;在水泵出口管道上装设止回阀,防止水泵停止运行后发生水倒流,水击叶轮。热水水泵的台数与分区热水系统一一对应,并考虑一台备用。

考虑到循环泵在定时热水供应中的运行时间较短,定时供水前约10min左右,且与补水时间错开,为了简化系统及减少投资,补水与循环合用一台水泵,后面提到的循环泵或补水泵都是指同一泵。按照补水泵的流量与扬程来选取。根据流量及2.3.3计算结果选择各个分区水泵选型如表4:

2.5 运行方案与计费系统的设计

设定主机早上9:00开始进行热水的制备,主机设定出水温范围是55℃~58℃(由电动闸阀控制冷水的补水量来实现),超过了60℃就启动保护措施停机。符合要求的热水在蓄热水箱中存储,当蓄热水箱水位达到设定值,液位信号器就会把信号变送到控制器,由控制器发出停机的信号,主机与循环泵都停止,热水的制备过程完成。刚刚启动机组时,蓄热水箱的水温可能不符合要求,可以通过内循环管,把水箱连接到主机进口端,进行加热,以满足要求。[NextPage]

每天16:45和21:00,供水前运行主机及循环水泵10分钟左右,以保证管网内供水温度,然后停用循环泵,当检测到供水水压不能满足要求时,启动加压配水泵供水。

系统在各种模式下运行时的控制情况,详细见图3与表5,表中与图的符号是对应的,其中P1是供水泵,P2是循环泵,P3是补水泵(兼作为内循环泵)。

采用按流量使用收费的计费方式,每个宿舍安装一个感应式智能IC卡热水表。插卡即出水、拔卡即停水,收费单价由系统管理员在管理软件中设定,用户可以通过管理员及时对卡进行充值,将购买的水量写入用户卡。

2.6 耗能计算与经济性分析

空气源热泵热水主机YCAB120RC的输入功率为25.2kw,各种水泵的输入功率均为1.1kw。假设机组都在额定功况下运行(4个分区系统都正常投入使用),主机一天运行8小时,耗电量25.2×8 ×4=806.4度;补水泵一天运行8小时,耗电量1.1×8×4=35.2度;供水泵一天运行4小时,耗电量1.1×4×4=17.6度;循环泵(包括内循环)耗电量约取3×4=12度,综合计算该系统一天耗 电量为871.2度,电费按照0.7元/度计算,费用为609.84元。一个月按照30天算,每月的费用为18295.2元,新校区公寓总人数为1560人,所以平均每人每月最高承担的热水费为:11.73元。以上是按最大用水量,最大耗热量计算的,实际上全年大部分月份主机运行时间都少于8小时,一般用水量也少于设计值,夏季耗热量更小,故平均每人每月热水费不足10元。

据调研统计,每个学生预期能够承担每月的热水费用支出平均为13.6元,每年大约136元。我校新区学生公寓热泵热水系统费用分摊到每个学生身上,一个月才10元,经济性显著。

  3 总结
  
计算结果显示,空气源热泵系统在节能、环保等方面都具有很大的优势,而这种优势需要通过合理的设计方案来体现,合理、优化的工程设计不仅能带来经济效益,而且给消费者带来信心;管网水力设计与常规热水系统管网相同。本工程设计目的就在于对空气源热泵热水工程的方案设计进行探讨与优化,希望能对空气源热泵热水系统的推广作出贡献。  

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