雍小龍 王靖華

浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 前言

我國(guó)面臨能源短缺和環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)重的困境，國(guó)家和各地政府也陸續(xù)出臺(tái)了一系列節(jié)能減排相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，其中對(duì)工程建設(shè)中的集中熱水系統(tǒng)有明確的節(jié)能設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)的熱水制熱設(shè)備（電熱水器、燃?xì)忮仩t等）由于高污染高能耗的原因，已經(jīng)不能滿足國(guó)家提出的節(jié)能減排的要求。高校學(xué)生宿舍是典型的集中熱水系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目，目前已建成使用的宿舍相當(dāng)一部分使用燃?xì)?、電、城市蒸汽管網(wǎng)等化石或二次能源作為熱水系統(tǒng)熱源，污染、浪費(fèi)且運(yùn)行成本高。

在夏熱冬冷地區(qū)利用熱泵技術(shù)來(lái)制取生活熱水[1]，是目前公認(rèn)具有節(jié)能意義的技術(shù)手段。本文結(jié)合浙江大學(xué)玉泉校區(qū)竺可楨學(xué)院熱水改造工程實(shí)例，闡述空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)學(xué)生宿舍集中熱水系統(tǒng)節(jié)能改造中應(yīng)用的思路和實(shí)際做法，并通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，驗(yàn)證節(jié)能改造的實(shí)際效果。

2 工程概況及背景

浙江大學(xué)竺可楨國(guó)際教育學(xué)院大樓（以下稱(chēng)“大樓”）是供外國(guó)留學(xué)生使用的6層的多層宿舍，以單人間（帶獨(dú)立衛(wèi)生間淋?。橹?，共459 床。一層設(shè)有學(xué)生食堂，每天約1000 人·次就餐。房間熱水24h不間斷供應(yīng)，食堂熱水定時(shí)供應(yīng)。

大樓最初建成時(shí)熱水機(jī)房設(shè)在地下室，宿舍房間熱水由兩臺(tái)有效容積8T、換熱面積20m2臥式容積式熱交換器制備，食堂和洗衣房由一臺(tái)有效容積3T、換熱面積2.58m2的容積式熱交換器制備，熱源為校區(qū)集中鍋爐房提供的管網(wǎng)高溫蒸汽。校區(qū)鍋爐房停用后，將熱水機(jī)房中容積式熱交換器改為四臺(tái)承壓容積式電熱水器制備熱水，每臺(tái)熱水器額定最大輸入功率90kW，容積495L。電熱水器投入使用后，大樓每年熱水制備耗電量居高不下。由于效率低能耗大，每立方米熱水制備成本高企，并且與“綠色節(jié)能”的整體發(fā)展思路相悖。至2016年，對(duì)大樓熱水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

浙江省DB3 3/1092—2016《綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中7.1.2條指出：“設(shè)有集中生活熱水的建筑，應(yīng)優(yōu)先采用余熱、廢熱或可再生能源作為熱源的熱水系統(tǒng)，并合理配置輔助熱源”。本次熱水節(jié)能改造，設(shè)計(jì)采用空氣源熱泵機(jī)組作為主熱源，制熱、儲(chǔ)熱設(shè)備均設(shè)于大樓屋頂。原地下室的室熱水機(jī)房中電鍋爐不作拆除，留待極其惡劣天氣的備用熱源。屋頂空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在熱水罐出水端串聯(lián)兩臺(tái)300L的容積式電熱水器，作為出水溫度不足時(shí)補(bǔ)足出水溫度使用，每臺(tái)容積式電熱水器最大額定功率54kW。

3 熱水節(jié)能改造計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大樓共459 床，食堂就餐人數(shù)1000 人·餐，用水量標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB 50015—2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2009 年版）中表5.1.1-1，熱水小時(shí)變化系數(shù)按表5.3.1計(jì)算為3.59，大樓最高日熱水用水量計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 竺可楨大樓熱水系統(tǒng)用水量計(jì)算表

設(shè)計(jì)考慮宿舍、食堂熱水集中制備，由分水器、集水器分區(qū)供水。大樓最高日熱水用水量51.3m3/d，最大時(shí)熱水量7.68m3/h。此次計(jì)算用水量標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中取值而不是《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)取值，主要是考慮本大樓使用人員基本為各國(guó)留學(xué)生，其生活用水習(xí)慣不一而足，無(wú)法根據(jù)普通I、II類(lèi)宿舍的用水經(jīng)驗(yàn)取值，而且本大樓中春節(jié)寒假期間（最冷月）使用人員基本不會(huì)減員的實(shí)際情況而決定的?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)計(jì)算如下：

最高日平均秒耗熱量：

設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量：

空氣源熱水熱泵機(jī)組制熱量：

機(jī)組名義制熱量：

表2 竺可楨大樓熱水系統(tǒng)熱量計(jì)算表

式中：

Qg——空氣源熱泵設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量（kJ/h）；

Qd——最高日熱水用水量（m3/d）；

Qh——設(shè)計(jì)小時(shí)熱水用水量（m3/h）；

Qwd——最高日平均秒耗熱量（kW）；

Qwh——設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量（kW）；

C——水的比熱，4.187KJ/（kg·℃）；

tr——熱水溫度（℃），取60℃；

tl——冷水溫度（℃）；

ρr——熱水密度（kg/L）；

T1——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間（h/d）；

K1——安全系數(shù)，1.05～1.10；

K2——使用地區(qū)室外計(jì)算溫度修正系數(shù)，取0.95；

K3——機(jī)組容霜修正系數(shù)，每小時(shí)容霜一次取0.95。

根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)選用空氣源熱泵熱水機(jī)組，空氣源熱泵機(jī)組按冬季最不利工況下設(shè)計(jì)，考慮空氣源熱泵機(jī)組在冬季最不利工況時(shí)COP全天平均值為2.5[3]，冷水設(shè)計(jì)溫度按5℃，冬天最高日用水量時(shí)空氣源熱泵熱水機(jī)組工作時(shí)間控制在12h[4]以?xún)?nèi)。空氣源熱泵機(jī)組選型采用空氣源熱泵熱水機(jī)組6臺(tái)，單臺(tái)額定功率21.5kW，最大電流50A，標(biāo)準(zhǔn)工況下名義制熱量53.75kW。

空氣源熱泵系統(tǒng)貯熱設(shè)備的有效容積按最高日總用水量扣去熱泵機(jī)組高峰用水時(shí)段產(chǎn)水量計(jì)算（高峰用水時(shí)段即設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間）[5]?？紤]到本大樓使用情況中，可能出現(xiàn)學(xué)生集體活動(dòng)后回到宿舍出現(xiàn)集中的用水高峰，系統(tǒng)儲(chǔ)存70%的平均日熱水用水量。根據(jù)計(jì)算大樓平均日熱水用水量為39.1m3/d，儲(chǔ)熱水罐容積：

選有效容積7.6T承壓儲(chǔ)熱水罐四座。

空氣源熱泵熱水機(jī)組循環(huán)流量：

空氣源熱泵熱水機(jī)組循環(huán)流量計(jì)算如表3所示

式中：

qrx——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)循環(huán)流量，m3/h；

Δtj——熱泵機(jī)組的進(jìn)出口溫差，一般取5℃。

Qg——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量，kW；

ρr——水的密度，1kg/L；

K4——安全系數(shù)，一般取1.10。

表3 空氣源熱泵熱水機(jī)組循環(huán)流量設(shè)計(jì)計(jì)算

熱水系統(tǒng)空氣源熱泵熱水機(jī)組選用加熱循環(huán)泵3 臺(tái)，2 用1備，單臺(tái)qx=0～45m3/h，揚(yáng)程H=20m，功率P=4.5kW。

空氣源熱泵機(jī)組工作需要良好的室外通風(fēng)條件，綜合考慮大樓周?chē)氨旧淼臈l件，將機(jī)組設(shè)置在大樓樓梯間屋頂。新熱水系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，冷水水源接自原大樓地下室生活給水泵房，使冷熱水供水點(diǎn)達(dá)到壓力同源。儲(chǔ)熱水罐進(jìn)出水管、空氣源熱泵機(jī)組出水管均設(shè)置電動(dòng)閥門(mén)，精確控制，可以做到每組、每臺(tái)根據(jù)制熱量需求啟閉，以便于將系統(tǒng)調(diào)試至最節(jié)能、最高效的運(yùn)行狀態(tài)[6]。熱水系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

空氣源熱泵機(jī)組分兩組，每組三臺(tái)，放置于樓梯間屋頂。儲(chǔ)熱水罐、循環(huán)設(shè)備、控制柜等設(shè)置在南北塔樓間略低處的屋面，頂部設(shè)置彩鋼屋頂，結(jié)合東西側(cè)4米高女兒墻構(gòu)成相對(duì)封閉的屋頂“熱水機(jī)房”，有利于設(shè)備、管道的保溫，減少熱量損耗。同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制器等部分進(jìn)行保護(hù)，減緩老化。熱水設(shè)備布置圖如圖2。

圖2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)備布置平面圖

4 運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

大樓節(jié)能改造后的新熱水系統(tǒng)于2017年9月份正式投入使用。穩(wěn)定運(yùn)行已滿一年，因大樓中留學(xué)生為主，冬季寒假期間熱水系統(tǒng)不停止運(yùn)行。未出現(xiàn)最寒冷天設(shè)備制熱量不足現(xiàn)象，。

大樓熱水系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置電表箱，大樓管理方記錄并提供了空氣源熱泵系統(tǒng)投入運(yùn)行一年中各個(gè)月份制備熱水所耗的電量（千瓦時(shí)），整合2016年至2017年（空氣源熱泵未投入使用）各相同月份的耗電量，對(duì)比數(shù)據(jù)如表4。

表4 相同月份每月制備熱水耗電量表

根據(jù)表中數(shù)據(jù)不難看出，大樓熱水系統(tǒng)改造后，每月熱水制備所耗電能相比前一年同期均有明顯下降?？諝庠礋岜迷谙奶飙h(huán)境溫度高時(shí)能效比最佳，然而根據(jù)表中數(shù)據(jù)，夏季7月、8月、9月三個(gè)月中節(jié)省電能效果不明顯，其原因是暑假期間學(xué)生住宿率低，熱水總用水量極少。其余季節(jié)，空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果均令人滿意。

大樓用電每度電價(jià)0.558元，可計(jì)算得每月制備熱水所耗資金、相比節(jié)能改造前每月節(jié)省的資金，可得到如下直觀的對(duì)比圖如圖3。

圖3 相同月份每月制備熱水所耗資金

相比去年同期，每個(gè)月均有明顯的節(jié)資效果。本次節(jié)能改造，新增空氣源熱泵機(jī)組及設(shè)備相關(guān)費(fèi)用總計(jì)約552000元，經(jīng)統(tǒng)計(jì)運(yùn)行一整年全年相較前一年同期，大樓在熱水系統(tǒng)能耗中總節(jié)省資金約172802元，靜態(tài)回收期約40個(gè)月，效益可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)的焦點(diǎn)議題，熱水使用又是人們生活中不可避免的固有需求。在滿足人們的熱水用水需求的同時(shí)兼顧節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展，才是真正的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)。已有的很多有集中熱水系統(tǒng)的工程項(xiàng)目，熱源仍沿用原有的鍋爐、電熱水器等，已不能滿足節(jié)能環(huán)保的要求，高能耗也損害了使用方的經(jīng)濟(jì)利益。結(jié)合原有設(shè)備更換等因素考慮針對(duì)熱水系統(tǒng)的節(jié)能改符合國(guó)情、符合經(jīng)濟(jì)效益最大化的思路?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)是一種能效比高、運(yùn)行穩(wěn)定的成熟系統(tǒng)，再加上其改造所需要的占地、環(huán)境等外在條件不苛刻，在宿舍、食堂等常見(jiàn)項(xiàng)目的熱水系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置多機(jī)組多水罐，根據(jù)使用情況調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，能夠達(dá)到更加理想的運(yùn)行效果。