蘇 丹

(福州精業(yè)建筑工程設(shè)計咨詢有限公司 福建福州 350007)

高層酒店空氣源熱水系統(tǒng)設(shè)計

蘇 丹

(福州精業(yè)建筑工程設(shè)計咨詢有限公司 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：針對工程所在地氣象情況，選擇對應(yīng)月份參數(shù)，并通過計算校核，合理配置空氣源熱泵機組、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，不可再生能源供應(yīng)日趨緊張，環(huán)境逐步惡化，現(xiàn)代社會對環(huán)保節(jié)能的新能源應(yīng)用越來越迫切，熱水熱源的選擇，在酒店熱水系統(tǒng)設(shè)計是重中之重。如何選擇正確的熱源，對工程整體是否節(jié)能尤為重要[1]。

1 項目概況

歐滬(光澤)國際大酒店是一家星級高層酒店，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)計集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

2 熱源選擇

熱源方面，因為當(dāng)?shù)夭痪邆涔艿廊細(xì)夤?yīng)條件，無法采用燃?xì)忮仩t；傳統(tǒng)電熱水機組能耗較大，不適合作為主熱源。酒店管理方對屋面亦有使用要求，也不適合大面積布置太陽能面板，故設(shè)計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)到供熱效果的機械裝置?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)即通過熱泵機組運行吸收環(huán)境低溫?zé)崮苤苽浜凸?yīng)熱水的系統(tǒng)熱水系統(tǒng)[2]，通過吸收空氣中的熱量來達(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，從空氣中吸取低溫?zé)崃客ㄟ^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)通過壓縮機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)往返上述過程，如圖1所示。熱泵加熱工程中，對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響，是真正的環(huán)保節(jié)能新熱源。相比太陽能、燃?xì)?、水地?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，也不受地質(zhì)、燃?xì)夤?yīng)的限制，在長江以南地區(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組較多采用活塞式壓縮機組，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組最高制熱溫度60～65℃，當(dāng)采用間接供水系統(tǒng)時，難以像蒸汽或者其他高溫?zé)崦綍r一次將被加熱水升溫至所需溫度，而是通過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)管路布置相對于開式系統(tǒng)簡單，承壓水箱相對于開式水箱散熱量較小，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，更有利于用水點的冷熱水壓力平衡。

3 管網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)酒店的定位和熱水使用要求，針對使用功能和平面布局的特點，設(shè)計中對客房區(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)計熱水分區(qū)和冷水供水分區(qū)一致，分為3個區(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)置自動排氣閥，及時排除管網(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)用水點比較分散，設(shè)計采用橫向干管供回水形式，這種管網(wǎng)適用于各層用水點錯位布置的情況，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，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)計采用電輔助加熱設(shè)備。

當(dāng)設(shè)輔助熱源時，空氣源熱泵的設(shè)計供熱量宜按當(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算，并根據(jù)其最不利工況計算輔助熱源的設(shè)計小時平均秒耗熱量(該工程熱泵機組設(shè)計采用當(dāng)?shù)?月份平均氣溫及冷水溫度進(jìn)行計算，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)耗熱量計算

(1)熱水系統(tǒng)最高日熱水量按式(1)計算：

Qr=mqr/1 000

(1)

式中：Qr—最高日熱水量(m3/d)；m—用水計算單位數(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)計小時耗熱量，按式(2)計算：

Qrh=mKhqr/24 000

(2)

式中：Qrh—設(shè)計小時熱水量(m3/h)。 Kh—小時變化系數(shù)。

(3)最高日平均耗熱量可按式(3)計算：

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)計溫度； tl—冷水設(shè)計溫度； C—水的比熱，C=4 187(J/kg·℃)。

(4)設(shè)計小時平均秒耗熱量按公式(4)計算：

Qh=QrhCρr(tr-tl)/3 600

(4)

式中：Qh-設(shè)計小時平均秒耗熱量(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)計規(guī)范GB50015-2003(2009版))，代入公式計算得出：

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 熱泵機組與貯熱設(shè)備的計算

(1)空氣源熱泵熱水機組總制熱量按式(5)計算：

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

(5)

式中：Qg—熱泵機組設(shè)計小時平均秒供熱量(kW)；T1—熱泵設(shè)計工作時間，全日制取12～20h； K1—安全系數(shù)，取1.05～1.10。

選擇空氣源熱水機組RSJ-380/S-820-C五臺，單臺額定功率9.1kW，制熱量34.0kW(設(shè)計工況下：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)計小時耗熱量持續(xù)時間(h)，取T=2h。

貯熱總?cè)莘eVr較大，會出現(xiàn)熱泵機組的供熱量會很??；貯熱總?cè)莘eVr較小，會出現(xiàn)熱泵機組容量很大，增加投資。所以Vr經(jīng)計算后，需按Qg校核蓄熱時間T2，蓄熱時間計算公式轉(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，重新計算T2=0.61h，較為合適(蓄熱時間建議取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)泵計算

第一循環(huán)集熱循環(huán)泵流量按下式計算：

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—熱泵機組進(jìn)出口溫差，一般取5℃；

熱泵機組閉式循環(huán)水泵揚程計算：

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)備機房H=12m(管網(wǎng)損失詳細(xì)計算從略)，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 輔助熱源計算

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

分區(qū)熱泵機組最不利工況時總制熱量為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電熱機組2臺，單臺產(chǎn)熱量30kW，產(chǎn)熱效率96%，熱水產(chǎn)量0.516m3/h。

5 結(jié)語

熱泵系統(tǒng)因為造價、進(jìn)出水溫差、最高出水溫度等因素影響，系統(tǒng)設(shè)計一般采用蓄熱式，以提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的貯熱量和熱泵的產(chǎn)熱量之和必須滿足高峰用水時的需要。市面上承壓熱水箱需要定制，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，容積不宜過大，選用時需注意機組與貯熱裝置的匹配問題，也可以采用加熱和儲熱水箱分離的雙水箱組合，既減小了單個水箱的容積，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)濟分析[J].給水排水, 2008, 34(2):94-96.

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

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