谈高校学生公寓热水系统

方火明潘孝辉

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028)

谈高校学生公寓热水系统

方火明潘孝辉

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028)

以浙江省绍兴市上虞区某学校学生公寓楼热水工程为例，介绍了太阳能空气源热泵机组组合热水系统在工程中的设计计算方法，并分析了该热水系统的经济效益，结果表明：集中太阳能空气源热泵机组组合式热水系统，既能保证学生的热水需求，又具有良好的环境效益与经济效益。

热水系统，太阳能，空气源热泵，经济效益

1 工程概况

本项目位于浙江省绍兴市东部上虞区滨海新城，校区建筑面积约23.5万m2，设计在校生规模6 500人。共设有6栋学生公寓楼，本工程以其中1栋多层学生公寓为例，介绍该校区的学生公寓热水系统设计。学生公寓3号楼南楼地上6层，建筑高度为22.2 m，设有四人间194间，双人间20间，设计入住学生人数816人，每间房间均设有卫生间。热水系统采用太阳能和空气源热泵热水机组作为热源，集中集热、集中贮热非承压开式系统，太阳能集热器、贮热水箱、空气源热泵热水机组和相应的热水循环泵组均设于建筑屋顶。热水系统集热部分原理如图1所示。

2 集热、贮热热水系统设计

2.1 热水用水量

热水用水量标准及用水量计算结果如表1所示。

表1 热水用水量计算表

2.2 集热系统设计

2.2.1 太阳能集热系统

1)太阳能集热器。根据GB 50364—2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[1]，直接加热系统集热器面积根据日用水量和用水温度，按式(1)确定：

(1)

其中，AC为直接式系统集热器总面积,m2；Qw为日均用水量；C为水的定压比热容，取4.187 kJ/(kg·℃)；tend为贮水箱内水的设计温度，取60 ℃；tL为水的初始设计温度，取15 ℃；JT为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，取12 000 kJ/m2；f为太阳能保证率，取50%；ηcd为集热器的年平均集热效率，取0.50；ηL为贮水箱和管路的热损失率，取0.20。

经计算，本工程直接式太阳能集热器面积AC=561 m2。

太阳能集热器布置在公寓楼屋顶，正南方向安装，为全年使用热水系统，安装倾角30°，前后排安装间距不应小于1.5 m。考虑本工程热水系统为太阳能空气源热泵系统，空气源热泵亦为节能型产品，为使系统的初投资和节能效益相对最大化，工程设计时太阳能集热器面积按纯太阳能热水系统时的30%左右考虑，同时根据建筑平面、日照分析及屋顶可供布置的太阳能集热器面积核算后，本工程热水集热系统选用玻璃—金属真空管型太阳能集热器150 m2。

2)太阳能贮热容积和集热循环设计。

太阳能贮热水箱有效容积按式(2)计算[2]：

Vrx=qrjd·Aj

(2)

其中，Vrx为贮热水箱有效容积，L；Aj为集热器总面积，m2；qrjd为集热器单位采光面积平均每日产热量，取50 L/(m2·d)。

太阳能集热系统循环泵流量按式(3)计算[2]：

qx=qgz·Aj

(3)

其中，qx为集热系统循环流量，L/s；qgz为单位采光面积集热器对应的工质流量，L/(m2·s)，取0.015～0.020。

开式直接加热系统太阳能集热循环泵扬程按式(4)计算[2]：

Hx=hjx+hz+hj+hf

(4)

其中，hjx为集热循环管道沿程与局部阻力损失，取30 kPa；hz为集热器顶与贮热水箱最低水位之间的几何高差，kPa；hj为循环流量流经集热器的阻力损失，取20 kPa；hf为附加压力，取20 kPa～50 kPa。

太阳能集热系统计算结果如表2所示。

表2 太阳能集热系统计算表

系统选用太阳能贮热容积不小于7.5 m3，太阳能集热循环泵参考选用：Q=9 m3/h，H=15 m，N=1.1 kW。

2.2.2 空气源热泵集热系统

本工程位于绍兴市上虞区，该地区冬季最冷月平均气温在0 ℃以上，空气源热泵系统效率仍较高，故本工程设计时空气源热泵热水系统不考虑设辅助加热系统，热水系统按冬季最高日热水用水量进行空气源热泵机组的计算选型。

1)空气源热水热泵机组加热系统：

日平均秒耗热量:

QWd=Qd′×C×ρr×(tr-tL)/(24×3 600)

(5)

空气源热泵热水机组制热量：

Qg=24×K1×Qd(日平均耗热量)/T1

(6)

其中，QWd为日平均秒耗热量，kW；Qg为热泵机组设计小时平均秒供热量，kW；Qd′为平均日热水用水量，m3/d；C为水的定压比热容，4 187 J/(kg·℃)；ρr为水的密度，1 kg/L；tr为热水设计温度，℃；tL为冷水设计温度，℃；T1为空气源热泵机组设计工作时间，12 h～20 h；K1为安全系数，可取1.05～1.10。

空气源热泵热水系统设计参数及计算结果如表3所示。

表3 空气源热泵热水系统设计计算表

空气源热泵机组按冬季最不利工况下设计，绍兴地区最冷月平均气温约为4 ℃，空气源热泵机组在冬季最不利工况运行时全天平均COP值约为2.0，冷水设计温度按5 ℃，冬天最高日用水量时空气源热泵热水机组工作时间控制在18 h以内。根据表3计算结果，热水系统选用空气源热泵热水机组3台，单台额定功率18.0 kW，最大输入功率27.0 kW，标准额定工况下制热量为78.0 kW。

2)空气源热泵热水系统贮热总容积：热水系统采用定时供水，早上2 h，中午2 h，晚上8 h(16:00～24:00)。空气源热泵热水系统贮热容积宜按最高日晚用水高峰时段的热水用水量进行设计。

高峰时段所需的热水量为：Qh′=8/12×Qd=21.7 m3。

其中，Qh′为最高日高峰时段所需热水量，m3；Qd为最高日热水设计用水量，m3。

根据上述计算结果，系统设计选用：贮热水箱贮热容积22 m3,设11 m3圆形立式304不锈钢热水箱2只。该容积亦可满足太阳能系统工作时的贮热要求。

3)循环泵设计计算：空气源热泵热水机组循环流量按式(7)计算:

qrx=K4Qg/(1.163·Δtj·ρr) (7)

根据表4结果，热水系统选用空气源热泵加热循环泵3台，2用1备，单台qx=0 m3/h～15 m3/h，扬程H=15 m，功率P=1.5 kW。

2.3 热水管网系统保温循环设计

热水管网保温循环系统通过热水供水变频加压泵实现，在回水干管上设电接点温度计，回水管网末端设电磁阀回水至热水箱，当管网热水温度低于50 ℃时，电磁阀开启并启动热水供水变频加压泵，实现热水管网的保温循环。

3 经济效益分析

学生公寓平均日热水用水量28.6 m3，则热水系统年均耗热量为(全年使用天数按251 d计):

Wa=251Qd′×C×ρr×(tr-tL)=1.35×106MJ。

本工程太阳能的年产热水量约为公寓楼热水用水量的15%，则85%的热水量将由空气源热泵热水机组提供，机组运行的综合年均COP按3.8考虑，则太阳能空气源热泵热水系统相对于传统的电加热系统(电加热效率按96%计算)每年可节电3.0×105kW·h，若电价按0.60元/(kW·h)计，则本工程热水系统每年可节约能源费用约18万元。

4 结语

太阳能空气源热泵热水系统以太阳能和环境空气中的热能作为热源，环保无污染，可再生，具有广泛的应用前景。而学生公寓热水用水量大，采用该热水系统在很好地保证学生热水需求的同时，又具有良好的经济效益，且绿色无污染，在今后的学生公寓热水系统设计中值得推广应用。

[1] GB 50364—2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[2] GB 50015—2003，建筑给水排水设计规范(2009年版)[S].

Discussion on hot water system of university student’s apartment

Fang Huoming Pan Xiaohui

(ZhejiangUniversityBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Hangzhou310028,China)

Taking hot water system engineering of university student’s apartment in Shangyu region of Shaoxing city of Zhejiang province as an example, the paper introduces design and calculation methods of composite hot water system engineering by combining solar energy with air source heat pump, and analyzes its economic benefits. Results show that: the composite hot water system by combining central solar energy with air source heat pump can both guarantee student’s hot water demand and possess good economic and environment benefits.

hot water system, solar energy, air-source heat pump, economic benefit

1009-6825(2016)26-0141-02

2016-07-04

方火明(1983- )，男，工程师；潘孝辉(1983- )，男，工程师

TU832.17