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学校如何根据学生的用水规律来设计空气能热泵热水系统

学校如何根据学生的用水规律来设计空气能热泵热水系统

空气源热泵 热 水 机 组 由 于 高 效 性 和 节 能 性 愈来愈被市场认可,但 在 实 际 应 用 和 普 及 中,设 计 参数的选取 尚 未 成 熟,系统相关选型仍然存在 着 一些争议。目前国内 外 对 空 气 源 热 泵 热 水 机 组 的 理论研究已 较 成 熟,但是在应用领域上对于系 统 设计、系统控 制、水 箱 容 积 选 定、高效运行技术 措 施等方面的研究不 多。本 文 基 于 对 学 生 宿 舍 楼 已 有空气源热泵 热 水 系 统 的 逐 时 用 水 规 律 进 行 调 查统计研究,通过对直热式空气源热泵热水机组进行不同工况测试和性能分析,对直热式空气源热泵热水机组及储热水箱在学生宿舍楼中的设计与选型进行了设计分析。

系统设计选型步骤

1.确定系统用水量和热负荷
确定热水定额从而计算出总热水用 量,再 根 据热水出水温度和当地的冷水温度可以计算出热水总热负荷,计算式如下:

式中 Qg———空气源热泵设计小时供热量,kJ/h;
qr———热水用水定额,L(人·d)或L/(床·d);
m———用水计算单位数,人数或床位数;
C———水的比热,取C=4.187kJ/(kg·C);
tr———热水温度,℃;
tl———冷水温度,℃;
rr———热水密度,kg/L;
T1———热泵机组设计工作时间,取12~20h;

k1———安全系数,取k1=1.05~1.10。

2 .储热水箱容积的确定
对于直热式空气源热泵热水机组,由 于 机 组 本身具有即时供水能力,储热水箱的储热量只要保证热水用水峰值时用水量和热泵机组产水量的差值即可,目前工程应用中水箱容积计算方法主要有以下两种:

方案一:

(2)

式中Vr———储热水箱总容积,L;
Qh———设计小时耗热量,kJ/h;
Qg———设计小时供热量,kJ/h;
T———设计小时耗热量持续时间,一般取2~
4h;
h———有效储热 容 积 系 数,储 热 水 箱、卧 式 储
热水罐h=0.80~0.85,立式储热水罐
h=0.85~0.90;
k2———安全系数,取k2=1.10~1.20。
利用式(2)计算水箱容积时,需根据实际用水规律或《建筑 给 水 排 水 规 范》确 定 热 水 小 时 变 化 系数,进而计算出设计小时耗热量,该计算方法对于全日制集中热水供应系统较为适用。

 

方案二:

 

学生宿舍楼热水用水规律

重庆市某高校对全校二十多栋学生宿舍楼的宿舍热水进行工程改造,实现了空气源热泵热水系统的普及和应用。笔者在该高校二十多栋学生宿舍中选出2个典型案例(男生宿舍楼 A 和女生宿舍楼B)进行长期实际调查研究,通过对学生宿舍楼每间宿舍的水控刷卡 POS机的流量数据进行监测,整理得
到各学生宿舍楼各时段内的热水用量,得出这两栋学生宿舍楼的逐时用水规律。研究数据和结果是在数十万的数据基础上统计得出,具有较高的可靠性。研究发现,该两栋学生宿舍楼热水用水季节性变化规律不明显(设定机组出水温度为55 ℃,而人体最佳淋浴热水温度为40~43℃,热水在末端使用
中需冷热水调配使得全年范围内对55 ℃热水需求基本相同),全年范围内用水量及日用水规律较为一致,统计得到年平均日热水用量变化与最高日热
水用量变化规 律,见 图1、图2所 示。其 中,男 生 A宿舍楼建筑面积约为6950m2,宿舍共245间,入住学生 约 为 730 人;女 生 A 宿 舍 楼 建 筑 面 积 约 为8350m2,宿舍共187间,入住学生约为740人;A、B宿舍楼入住学生情况基本相同。

由图1、图2可以得出以下规律:

(1)两栋学生宿舍楼用水量差异较大。男生 A宿舍楼平均日用水量约为13.03m3,最高日用水量约为15.37m3;女 生 B 宿舍楼平均日用水量约为17.85m3,最高日用水量约为20.9m3。
(2)热水用量变化趋势呈现较好一致性。两个系统均在晚间时段用水量最大,其次是午间时段,白天其他时段也存在部分少量用水,1:00~7:00无用水。从热水用量变化曲线可以看出,10:30~13:30与18:00~24:00用水量较多,其中20:00~24:00为热水使用高峰期。男生 A 宿舍楼在平均日用水高峰期平均 用 水 量 约 为 8.45 m3,约 占 平 均 日 用 水 量 的65%;最高日用水高峰期用水量约为9.29m3,占日用水量的61%。女生B宿舍楼在平均日用水高峰期平均用水量约为11.42m3,约占平均日用水量的64%;最高日用水高峰期用水量约为13.96m3,占日用水量的67%。
(3)根据《建筑给水排水设计规范》[1]学生宿舍
最高日用 水 定 额 宜 取40~80L/(人·d)(60 ℃热水);而实际使 用 中 男 生 A 宿 舍 楼 最 高 日 用 水 定 额约为21.1L/(人·d),女生 B宿舍楼最高日用水定额约为28.2L/(人·d)(55℃热水);该学生宿舍楼实际用水量与规范取值存在一定差异。

 

热泵热水机组性能分析与选型计算

目前国内工程在进行设计时,首先 选 取 用 水 定额计算出总热负荷 Q,选取一定的空气源 热 泵 机 组设计工作时间T1,计算出空气源热泵设计小时供热量Qg,参考热泵机组的铭牌制热量选定机组型号和台数。机组设计工作时间 T1 的取值常常根据工程经验,国内对于这方面的研究较少;同时,空气源热泵热水机组制热能力和机组能效比受室外环境条件影响较大,在冬季最不利情况下机组蒸发器端结霜会严重影响机组正常工作,机组进行化霜工况同样会影响机组正常制热。
当空气源热泵热水机组不设辅助热源时,空 气源热泵的供热量应按当地最冷月平均气温和冷水供水温度计算。因此,对该工程中空气源热泵热水机组[该热泵热水机组额定功率为9.1kW,额定制热量为38.5kW;测试条件为20 ℃DB/15 ℃WB(DB为干式温度,WB 为湿式温度),进出水温度分别 为15 ℃和55 ℃]在全年范围内进行性能测试,比较不同环境温度、不同冷水温度下空气源热泵机组的实际运行效果(出水温度为55 ℃),测试数据见图3、图4。

图3、图4测试数据分析可知:
(1)同样 的 环 境 温 度 和 出 水 温 度 下,测 试 进 水温度分别为10.8℃和16.5℃时机组的制热能力稍有不同,进水温度越低机组制热能力越大。
(2)机组制热能力随着环境温度不 同变化明显,随着环境温度的升高,机组制热能力迅速增大;环境温度为5.2 ℃时机组制热能力约为24kW,环境温度为29.8 ℃时机组制热能力约为44.5kW。
(3)从图4曲线可以看出,随着环境温度的降低,机组由于制热能力的下降产水量逐渐减少,当环境温度降至一定程度时,机组产水量变化幅度增大。这是由于冬季热泵机组化霜工况影响机组正常的制热(该机组采用逆除霜方式,除霜模式下热泵机组的冷凝器充当蒸 发 器,表 面 温 度 低 达-20~-25 ℃,且机组恢复到制热模式后,又需要一段时间补偿除霜所需要的热量),因此,机组在冬季的小时产水量和小时供热量会进一步减小。
根据重庆地区气象资料和测试数据,得 到 所 测试机组典型工况下性能如表1所示。该型号机组在冬季最冷月平均气温下制热能力约为28.51kW,小时供热量约为87250kJ/h,与额定工况下机组的制热能力和小时供热量存在很大的差异。因此,在 进行机组选型设计时,尽可能依据机组冬季工况下性能参数,得到冬季工况设计小时供热量的真实值,考虑到系 统 经 济 性,此 时 机 组 设 计 工 作 时 间 T1 应 取其上限值为20h。当设计小时供热量采用额定值进行选型计算时,根据冬季最冷月与额定工况下的测试数据比较,T1 宜取12~13h。

 

储热水箱容积的选取

储热水箱 容 积 的 选 取 往 往 不 是 一 个 独 立 的 环节,它与热泵机组的性能、系统的用水规律、补水模式等因素有着重要关系。该工程中储热水箱的控制方案如下:

水位控制器由4个水位浮子组成,水位分为4档水位高度(水位控制器与主机相连),水位显示方式如图5所示。机组进行直热补水的条件为:设定水箱水位 为4时,当 水 箱 实 际 水 位 低 于S2,冷水增压泵和热泵机组开启进行直热补水,直至水箱水位高于S1。设定水箱水位为3时,当水箱实际水
位低于S3,冷水增压泵和热泵机组开启进行直热补水,直至水箱 水 位 高 于 S2。设 定 水 箱 水 位 为2时,当水箱实际水位低于S4,冷水增压泵和热泵机组开启进行直热补水,直至水箱水位高于S3。对于实际设定值可以根据实际用水量需要进行设定。

在 该 储 热 水 箱 补 水 控 制 模 式 下,水 箱 并 非100%补水(非满即补的方式),100%补 水 会 导 致 热泵机组在热水用水低谷不断启停,严重影响机组能效和机组寿命。以 男 生 A 宿 舍 楼 和 女 生 B 宿 舍 楼为例,根据统计出的最高日用水量数据及热泵机组的测 试 数 据 对 所 测 试 机 组 进 行 选 型 计 算 (k1 取1.10,T1 取20h,计算过程略),并分别用式(2)和式(3)对水箱有效容积进行计算(小时变化系数取4.5,设计小时耗热量持续时间 T 取4h,安全系数k2 取1.10,计算过程略),结果见表2

通过不同的计算方法可以得出两种不同结果,通过式(2)计算结果选取的水箱有效容积小于式(3)的选取结果。储热水箱在实际使用过程中,当水箱水位高于S2 时(默认设定水位为4),系统并不启动直热补水模式,因此,水箱的有效容积应能保证水箱水位在S2 附近时,仍能满足高峰期用水量需求。方案1的选型方法不适用于此种水箱控制模式下的选型计算。从计算原理和计算结果可知,方案2对此种水箱水位控制模式下的容积选型更具安全性和适用性。

通过以上数据可以得出以下几点结论:

(1)所选 案 例 中,男 生 宿 舍 楼 最 高 日 用 水 定 额约为21.1L/(人·d),女生宿舍楼最高日用水定额约为28.2L/(人·d)(55 ℃热水);男、女学生宿舍楼实际用水量存在一定差异,且均小于《建筑给水排水设计规范》[1]的下限值。

(2)空气源热泵热水机组随着环境温度不同变化明显,在无辅助热源情况下进行选型设计时,应考虑到机组除霜工况,依据冬季最冷月气候条件下机组
的小时供热量进行计算,此时机组设计工作时间T1 取20h。当采用机组额定小时供热量进行选型计算时,重庆地区热泵机组设计工作时间T1 宜取12~13h。
(3)储热 水 箱 容 积 的 确 定,需考虑系统的用 水规律与补水模式。对于学生宿舍楼储热水箱不宜采用100%补水方 式;当 用 水 规 律 与 补 水 模 式 不 明 确时,为保证系统使用安全性,水箱有效容积宜取最高日用水量与高峰期产水量之间的差值。