某校地处长江下游, 在校学生3 000人, 原有浴室采用中压锅炉供应热水和开水, 年久老化, 安全隐患较大, 拟新建二层结构学生浴室, 优先采用太阳能供热与其他供热设备组合方式。要求满足浴室热水淋浴在下午放学后集中开放4小时;开水分别在中午和晚上各供应2小时的建设目的。
根据安全环保、经济节能设计思路, 按照冬天最不利条件进行设计, 拟用太阳能集热器、空气源热泵机组、常压燃气机组组合方式, 拟定两个方案。
1) 方案一, 本设计热水开水系统原理见图1, 热水供应采用太阳能、空气能、常压燃气机组合方式, 分别设置一台热水箱、一台开水箱及相关热水泵, 其中常压燃气机组平时供开水使用, 冬季作为热水备用机组, 太阳能选用强制循环直接供热系统, 空气源采用循环加热式热泵。具体布置拟将太阳能集热器、热水箱、空气源热泵机组等布置在屋面, 常压燃气机组、开水箱布置在二层设备间, 开水间布置在设备间下面, 男、女浴室分别布置在一、二层。正常条件下, 市政冷水通过水处理器、电磁阀进入太阳能集热器, 经预热后不断压入热水箱, 直到设定的水位, 再通过热水泵进入太阳能集热器加热, 如此往复循环, 直至热水箱水温达到设定供水温度。当仅靠太阳能集热器不能使热水温度达到设定温度时, 提前开动空气源热泵机组, 使热水箱水通过空气源热泵机组不断加热, 循环流动并直到设定的洗浴温度。热水箱水位及自动进水等均采取自动控制方式, 洗浴过程中当热水箱水温降低到一定程度或热水箱开始自动补水时, 空气源热泵机组全部同时运行加热, 在最短时间内使水温达到要求。
开水供应采用2台常压燃气机组、一备一用。冬季气温10℃以下时, 满足开水箱供水后, 关闭连接至开水箱电磁阀, 打开连接热水箱电磁阀, 两台常压燃气机组同时加热供应热水。
2) 方案二, 本设计热水开水系统原理见图2, 热水供应采用太阳能、常压燃气机组组合方式, 单独设立热水燃气机组和开水燃气机组, 设置热水集热水箱、储热水箱各一台, 开水箱一台。拟将太阳能集热器、集热水箱和储热水箱等布置在屋面, 燃气热水及开水机组、开水箱布置在二层设备间, 开水间和男、女浴室布置同方案一。具体运行时热水在集热水箱内加热, 达到设定温度后泵入储热水箱, 集热水箱水温单靠太阳能达不到设定温度时, 由常压热水燃气机组加热。
该校学生冬季按人均3天洗浴一次, 每天洗浴人数N为1000人, 热水箱出水温度60℃时每人每次洗浴用水量q取40L, 则每日总热水量:qrd=N·q=40000L=40m3。则方案一设置一台有效容积40吨热水箱, 方案二设置一台10吨集热水箱和一台30吨储热水箱。
集中洗浴时间T=4小时, 淋浴器负荷能力C=4 (人/个·h) , 则淋浴器计算数量:n=N/CT=63 (个) , 考虑到安全供应, 实际设置75个。
按照公式Ac=qrdcρr (te-tL) f/[Jtη (1-ηL) ×1000]计算, Ac=722 (m2)
式中:Ac:直接系统集热器采光面积, m2;qrd:日均用水量, 40000L/d;c:水的定压比热容, 4.187KJ/ (Kg·℃) ;ρr:热水密度, Kg/L;te:储水箱内水的终止温度, 60℃;tL:储水箱内水初始温度, 10℃;f:太阳能保证率, 45%;Jt:集热器倾角等于当地纬度时采光面上平均日太阳总辐照量, 13.048MJ/ (m2·d) ;η:集热器全日集热效率, 取值为0.5;ηL:管路及储水箱热损失率, 取值为0.20。
考虑到屋面实际可利用面积, 本方案布置￠58×1800×50型号太阳能集热器70组共525m2, 10℃时可使40吨水升温到46℃, 平时升温小于60℃时由空气源或常压燃气机组供热。
最高日平均秒耗热量Qd:
热泵机组设计小时平均秒供热量Qg:
式中:k1:安全系数, 取1.05;T1:热泵机组设计工作时间, 取12h。
因此方案一选取制热量55 k W热泵机组4台。
按照开水用量 (L/h) 计算公式:Qh=n·q·K/T, 则开水量Qh=2250 (L/h)
式中:每日开水供应人数n=3000人, 开水用量标准q=2 (L/人·d) , 小时变化系数K=1.5, 每日开水供应时间T=4小时。
考虑每天中午和晚上分别设2小时集中打水时间, 则设置开水箱容量V≥2250×2/1000=4.5m3, 选择有效容积5吨开水箱一台。
根据开水设计小时耗热量公式Wh=a·⊿t Qh, 开水制备时热损失系数a取1.10, 最冷月冷、开水温差⊿t取95℃, 则Wh=2.35×105 (W) 。据此选常压燃气机组数n1=2台, 一用一备, 温差达95℃时每台出水量qk=2.5m3/h, 一台机组2小时可烧满水箱水。
方案一如冬天加热热水时, 2台燃气机组同时开机时热水箱达到设定温度的时间:
即不仅在方案一中开水常压燃气机组能够满足热水供应, 而且当方案二选择与开水机组同功率常压热水燃气机组时, 冬季也能满足热水供应。
根据全国热水系统使用寿命调研, 设定系统使用寿命为15年, 分别计算两个方案建设期系统采购及安装费用投入加上运营期15年费用投入之和, 再减去系统的残值, 得出两个方案的寿命周期成本, 系统寿命周期成本较小的方案即为最优方案, 计算结果见表1。
根据表1, 方案一采购安装费用和系统寿命周期成本均较小, 因此选取方案一为本工程最终设计方案。
1) 本系统使用前必须对操作人员进行培训, 防止误操作造成安全事故。
2) 本系统采取PLC自动控制水温、电磁阀和热水泵自动启闭系统, 太阳能、水箱温度传感器的安装必须按照设计位置, 不得随意更改。
3) 太阳能集热器采用并联方式安装, 安装方位角按正南方向, 安装倾角与当地纬度相当, 安装间距严格按设计施工;冬天应采取排空防冻措施, 夏天采取防过热措施, 日常运行防止空晒和热水不流动造成闷晒情况。
4) 常压燃气机组必须设置开水放汽管且引出屋面, 防止过烧造成机组爆炸;进入热水箱的管道出口须从热水箱上口进入, 且高于溢流水位, 以防止热水箱水倒流入管道;该管道上止回阀、电磁阀、放空阀应开关灵活, 防止热水倒流入开水箱。
5) 空气源热泵可采购自带热水泵的机组, 在冬季不用时必须将水放空, 防止冻裂。
6) 室内外热水、开水系统均采取保温措施, 安装时不得随意取消, 以减少热水能耗。
经过两个多月的安装和调试, 系统试运行顺畅。一年多的运行过程中, 操作人员摸索出了一套操作程序, 充分利用太阳能的功能, 使空气源热泵电耗、常压燃气机组天然气消耗控制在较小范围, 与相同规模热水系统相比经济效益明显。洗浴过程中, 空气源热泵机组对热水箱水温恒定起到关键性作用, 洗浴舒适度增加, 洗浴人员反映良好。从使用效果、经济节能等方面说明本项目的实施非常成功。
摘要：本文通过实例描述了热水开水供应系统采用多热源组合方式提供热能的方案设计, 并通过方案比较选择项目寿命周期成本最低的方案, 为类似项目设计提供了借鉴作用。
关键词：多热源,热水开水系统,设计,实施效果
[1] 张淼, 等.建筑给水排水设计规范.北京:中国计划出版社, 2010.
[2] 何涛, 等.太阳能集中热水系统选用与安装.北京:中国计划出版社, 2013.
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