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學習分享：學校空氣源熱泵熱水器方案如何設計？
該案例為福建省莆田市某中學的洗浴熱水項目，于2017年6月啟動施工安裝，7月全部完成系統(tǒng)安裝與調試并正常運行。
1.項目概況
1.1項目介紹
本項目為福建省某中學洗浴熱水項目，共有2個熱水需求點：宿舍樓一棟共129間宿舍，學術交流中心一棟共80間客房，共配置3臺20匹循環(huán)式空氣源熱泵熱水器，10匹和5匹直熱式空氣源熱水器各1臺。
該工程于2017年6月施工，2017年7月全部完成系統(tǒng)安裝與調試并正常運行。
1.2甲方要求
學生宿舍樓一棟，129間6人間宿舍，學術交流中心一棟，80個客房共125個床位，分別滿足學生宿舍、學術交流中心熱水需求；此外，學術交流中心要直補熱水；熱水供水溫度：不低于50℃；供水采用變頻增壓供水，循環(huán)水泵應與學校熱水系統(tǒng)相匹配。
2.設計依據(jù)(略)
3. 設計參數(shù)
3.1冷水補充溫度
冷水的計算溫度，應以當?shù)刈罾湓路萜骄疁刭Y料確定，當無水溫資料時，可采用下表進行取值。本項目冷水計算水溫取10℃。
表1：我國各地區(qū)最冷月平均水溫數(shù)據(jù)（部分）
|
區(qū)域 |
省、市、自治區(qū)、行政區(qū) |
地面水℃ |
地下水℃ |
|
|
東南 |
江蘇 |
偏北 |
4 |
10-15 |
|
大部 |
5 |
15-20 |
||
|
江西大部 |
5 |
15-20 |
||
|
安徽大部 |
5 |
15-20 |
||
|
福建 |
北部 |
5 |
15-20 |
|
|
南部 |
10-15 |
20 |
||
|
臺灣 |
10-15 |
20 |
||
3.2室外氣象參數(shù)
通過查設計規(guī)范知，莆田附近的福州地區(qū)室外設計計算參數(shù)如下表：
|
城市名稱 |
計算溫度（℃) |
|||||
|
年平均 |
冬季采暖 |
冬季通風 |
冬季空調 |
極端最高 |
極端最低 |
|
|
福州 |
19.8 |
6.3 |
10.9 |
4.4 |
39.9 |
-1.7 |
4.系統(tǒng)選型
4.1用水量確定
查集體宿舍及其他公共建筑生活用水規(guī)范，并結合校方用水意見，最終確定學生宿舍每日用水量54.18噸、學術交流中心每日用水量15噸，熱水供應溫度50℃。
4.2空氣源熱泵主機選型
考慮到本系統(tǒng)的實際熱水需求與供水形式，同時考慮到當?shù)丨h(huán)境溫度，宿舍樓選用的空氣源熱泵熱水器，可在-15℃環(huán)境正常運行；學術交流中心選用的空氣源熱泵熱水器，可定溫補水。
熱泵安裝處計算環(huán)境溫度：10.9℃；冷水計算水溫：10℃。
所需機組總制熱能力根據(jù)如下公式進行計算：Qr＝C•M•△t/3600
其中：Qr——日耗熱量，kW•h；C——水的比熱，取C＝4.187kJ/(kg•℃)；M——被加熱水的質量，L/天；△t——水終溫與水初溫的溫差，℃；
經(jīng)計算得：
學生宿舍Qr=4.187×54180×(50-10)÷3600=2520.57kWh；
學術交流中心Qr=4.187×15000×(50-10)÷3600=697.83kWh；
①學生宿舍用熱泵選型
宿舍用空氣源熱泵熱水器，其制熱量修正曲線如下圖：
冬季環(huán)境工況計算：室外環(huán)境溫度10.9℃時，此時熱泵機組制熱量為：53kW，選取3臺，則熱泵機組冬季工作時間為：2520.57kWh÷53kW/臺÷3臺=15.85h，滿足冬季運行小于18小時的需求。
輔助能源功率：4.4℃時熱泵制熱量為21kW，熱泵工作時間2520.57kWh÷44kW/臺÷3臺=19.10h＜24h，無需電輔。
②學術交流中心用熱泵選型
學術交流中心的兩臺空氣源熱泵熱水器產(chǎn)水量修正曲線如下圖：
冬季環(huán)境工況計算：室外環(huán)境溫度10.9℃時，此時熱泵機組產(chǎn)熱水量分別為340L/h、590L/h，則選用1臺5匹和1臺10匹的產(chǎn)熱水量為340+590=930L/h，熱泵工作時間為15000L÷930L/h=16.13h，滿足冬季運行小于18小時的需求。
輔助能源功率：4.4℃時熱泵產(chǎn)水量為290+490=780L/h，熱泵工作時間15000L÷780L/h =19.23h＜24h，無需電輔。
4.3空氣源熱泵機組循環(huán)泵的選型
當機組安裝低于水箱時，水箱與機組之間的高度差不應大于8m，超過8m時應安裝中間過渡水箱；當機組安裝高于水箱時，則要注意循環(huán)水泵的選型，在克服高落差的情況下務必保證單機循環(huán)流量不低于循環(huán)保溫水流量規(guī)定值。
①循環(huán)泵流量
按照如下公式進行計算：Φ循環(huán)=1.05~1.1Φ1*N
其中：Φ1——單臺機組循環(huán)保溫水流量，m3/h；N——所安裝機組臺數(shù)，3臺。
則學生宿舍熱泵循環(huán)泵流量為：1.05×13m3/h/臺×3臺=40.95m3/h。
②循環(huán)泵揚程
H＝1.1～1.2×（Z1＋Z2＋Z3＋0.05L）
其中：Z1——系統(tǒng)最高點與水泵吸水口高度差，取2m；Z2——管道局部阻力損失，單位m，估算時可按3m取值；Z3——并聯(lián)熱泵機組最大阻力，70kPa折合7m；L——水管長度，單位m，估算為20m；
則：本系統(tǒng)熱泵循環(huán)泵揚程為：1.1×（2+3+7+0.05×20）=14.3m。
根據(jù)計算，學生宿舍熱泵循環(huán)水泵選用兩臺IPL80/110-4/2，1用1備。
同理計算出學術交流中心5匹熱泵循環(huán)泵采用兩臺MHI202，1用1備；10匹熱泵循環(huán)泵采用兩臺MHI802，1用1備。
5.系統(tǒng)控制及說明
5.1 控制系統(tǒng)
機組自帶微電腦智控系統(tǒng)，并配置線控式手操器，最遠距離可可根據(jù)回水溫度、進水溫度、水箱溫度控制機組壓縮機的啟停，來達到節(jié)能的目的。另外，熱泵機組自帶低水溫保護、缺水保護、高低壓保護等功能。當熱泵主機缺水運行時，會開啟水流故障報警，關閉壓縮機及水泵的運行。
5.2其他說明
A.系統(tǒng)直熱補水，溫度調節(jié): 35～60℃
B.系統(tǒng)采用循環(huán)保溫加熱，溫度20～60℃可調節(jié)
C.定時開/關機：時間隨意設定，滿足錯峰用電需求，進一步降低運行費用。
D.定時回水功能：用戶可根據(jù)實際用水情況設定最多10段定時回水時段，達到節(jié)能的作用。
E.防凍功能：機組側和用戶側自動防凍設計，有效保護機組側運行及用戶側用水需求
F.機組其他功能：掉電記憶功能；運行狀態(tài)顯示：加熱、循環(huán)保溫、除霜、清洗；故障自動檢測與顯示；系統(tǒng)各溫度點的查看；自動化霜；清洗功能等等。
6.系統(tǒng)圖
|
|
燃氣鍋爐 |
燃煤鍋爐 |
電鍋爐 |
空氣源熱泵 |
||||
|
能源種類 |
天然氣 |
單位 |
煤炭 |
單位 |
電 |
單位 |
電 |
單位 |
|
熱值 |
35982.40 |
kJ/m3 |
16736.00 |
kJ/Kg |
3598.24 |
kJ/度 |
3598.24 |
kJ/度 |
|
能效比 |
0.90 |
0.60 |
0.95 |
4.50 （19.8℃） |
||||
|
燃料價格 |
3.00 |
元/m3 |
0.65 |
元/Kg |
0.75 |
元/度 |
0.75 |
元/度 |
|
年供水天數(shù) |
300.00 |
天 |
300.00 |
天 |
300.00 |
天 |
300.00 |
天 |
|
日供熱水量 |
69180.00 |
Kg |
69180.00 |
Kg |
69180.00 |
Kg |
69180.00 |
Kg |
|
每日耗熱量 |
11586266.4 |
kJ |
11586266.4 |
kJ |
11586266.4 |
kJ |
11586266.4 |
kJ |
|
日均消耗燃料 |
357.78 |
m3 |
1153.83 |
Kg |
3389.45 |
kWh |
715.55 |
kWh |
|
年消耗燃料 |
10.73 |
萬m3 |
346.15 |
噸 |
101.68 |
萬kWh |
21.47 |
萬kWh |
|
日均運行費用 |
1073.34 |
元/天 |
749.99 |
元/天 |
2542.09 |
元/天 |
536.66 |
元/天 |
|
人工維護費用 |
4000.00 |
元/年 |
20000.00 |
元/年 |
4000.00 |
元/年 |
4000.00 |
元/年 |
|
年運行總費用 |
32.60 |
萬元/年 |
24.50 |
萬元/年 |
76.66 |
萬元/年 |
16.50 |
萬元/年 |
|
空氣源熱泵相對節(jié)省 |
16.10 |
萬元/年 |
8.00 |
萬元/年 |
60.16 |
萬元/年 |
—— |
萬元/年 |
7.系統(tǒng)圖
8.結論
該中學洗浴熱水項目在2017年7月份正式投入使用后，甲方學校對熱水使用情況表示非常滿意，熱水量能夠完全滿足全校師生的日常用水需求，即使是在學生洗浴的高峰時段熱水供應也不會短缺。