某公寓热水系统设计概述

某公寓热水系统设计概述

张楠潘书亮

中国中元国际工程有限公司北京100000

摘要：随着国家大力推行建筑节能，太阳能作为一项低碳环保能源受到关注，太阳能热水系统被广泛推广。但太阳能热源具有低密度、不稳定、不可控制的特点，针对这一特点，如何提高太阳能热水器的集热和换热性能，减少运行成本，同时保证使用的舒适性，将太阳能热水系统做的合理而有效率是日常设计工作中需要总结和思考的。

关键词：太阳能热水系统；供热方式；开式水箱；冷热同源

1.项目概述

本项目位于北京市顺义区首都机场货运北路3号，新华航基地内部，是基地的配套设施。项目占地面积16740.00㎡，总建筑面积30569.26㎡，建筑高度30.7米，建筑层数地上8层，功能为职工倒班休息公寓；地下1层，为汽车库及设备机房。

2.冷水供水情况

一期工程在南侧道路上为本项目预留两个DN300给水接口，供水压力0.35MPa。

3.热水系统设计

3.1热水水量计算

3.1.1最高日用水量，计算公式：

式中：qrd-最高日热水用水量（m3/d）；

m-用水计量单位数（人数或床位数）；

qr-热水用水定额（L/（人.d）或L/（床.d））

3.1.2最大时用水量，计算公式：

式中：qrh-最大时热水用水量（m3/h）；

qrd-最高日热水用水量（m3/d）；

Kh-小时变化系数；

T-用水时数（h）；

计算结果如下：

本建筑热水高日用水量为64.48m3/d，最大时用水量10.75m3/h。

3.2设计小时耗热量计算

本建筑为全日制供应热水系统，设计小时耗热量参见《建水规》，式5.3.1-1：

式中：Qh-设计小时耗热量（KJ/h）；

m-用水计量单位数（人数或床位数）；

qr-热水用水定额（L/（人.d）或L/（床.d））；

C-水的比热，C=4.187（kJ/kg.℃）；

tr-热水温度，tr=60℃；

t1-冷水温度，t1=4℃；

ρr-热水密度，（Kg/L）；

Kh-小时变化系数；

T-用水时数（h）；

本项目为倒班公寓，24小时供应热水，热水供水温度60℃，回水温度50℃，冷水计算温度4℃。

经计算，本项目设计小时耗热量：Qh=688.04kw。

3.3热源

本工程生活热水由太阳能和厂区热力中心全年无间断燃气锅炉联合供热。优先采用太阳能预热，热力中心提供的95℃-70℃高温热水作为辅助热媒。

3.4热水系统设计

3.4.1热水系统分区

本工程生活热水与冷水分区一致，分为高低两个区，1-4层为低区，5-8层为高区。

3.4.2分区水量计算

本项目热水高日用水量为64.48m3/d，最大时用水量10.75m3/h，设计小时耗热量688.04kw。各分区计算用水量，耗热量见下表：

耗热量计算表

3.4.3太阳能集热系统及设备选型

采用太阳能直接加热，预热水箱储水方式，尽可能提高太阳能集热的效率。

3.4.3.1直接加热太阳能系统集热器面积，计算公式如下：

式中：

AjZ-直接加热集热器的总面积（m2）；

Qr—设计日用热水量（L/d），按不高于本规范表5.1.1-1热水用水定额中下限取值；

m—用水单位数；

tr—热水温度（℃），tr=60℃；

t1—冷水温度（℃），t1=4℃；

Jt—集热器采光面上年平均日太阳辐照量（kJ/m².d）；

f—太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性和用户要求等因素综合考虑后确定，取30%-80%；

ηj—集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值为45%-50%；

根据北京纬度39.48，年均辐照量15251.67kJ/m².d，按计算满足全楼耗热量需设置2660m²太阳能集热器。而根据实际情况布置，屋面共设置太阳能集热器540m2，.

3.4.3.2太阳能集热系统储热水箱有效容积：

式中：Vrx—集热水箱的有效容积（L）

Aj-集热器的总面积（m2）

qrjd-集热器单位采光面积平均每日产热水量[L/（m2.d）]，直接供水系统qrjd=40L/（m².d）~100L/（m².d）；

本项目单位面积日产水量取45L/m².d，经计算：集热水箱的有效容积为24.3m³。

3.4.3.3太阳能集热循环泵流量：

式中：qX—集热系统循环流量（L/S）

qgz—单位面积集热器对应的工质流量（L/（S.m²）），按集热器产品实测数据确定。无条件取0.015（L/（S.m²））~0.020（L/（S.m²））

Aj-集热器的总面积（m2）

经计算：本项目集热系统循环流量qX=10.8L/S

3.4.3.4开式直接加热太阳能集热循环泵扬程：

HX=hjx+hj+hz+hf

式中：HX-循环泵扬程（kpa）；

hjx-集热系统循环管道的沿程与局部阻力损失（kpa）；

hj-循环流量流经集热器的阻力损失（kpa）；

hz-集热器顶与储热水箱最低水位之间的几何高差（kpa）；

hf-附加压力（kpa）取20kpa~50kpa；

经计算：本项目集热循环泵扬程HX=18m。

经过上述计算发现，太阳能集热系统供热能力为24.3m³/d，还不足以供给高区系统日热水量需求，故考虑太阳能热水仅供高区使用，将太阳能集热水箱的预热水作为高区供热设备的水源。以下为供热系统计算过程。

3.4.4供热系统

在地下一层热水机房设置两台半容积式换热器，接入厂区内高温热媒水源（95℃-70℃），燃气锅炉供热量为700kw，分别供高、低区生活热水，两分区热水分设循环泵机械循环。

根据高低区用水量分别计算各分区所需换热器的贮热容积，换热面积和热水循环泵的参数，过程如下：

3.4.4.1储水容积计算

式中：Ve-储水容积（L）；

Qh-设计小时耗热量（kJ/h）；

S-水加热器的储热时间（min）；

经计算：采用半容积式换热器，对于≦95℃热媒水，S=0.35Qh，则高区半容积式换热器Ve=1.53m³，低区半容积式换热器Ve=2.23m³

3.4.4.2总容积计算

V=Ve/η

式中：η-容积附加系数；

经计算：采用半容积式换热器，η取1（即无冷温水区），高区半容积式换热器总容积V=1.53m³，低区半容积式换热器总容积V=2.23m³

3.4.4.3水加热器选型

初选两台BHRV-02-3.5半容积式换热器分别供给高低区，容积V=3.5m³。

3.4.4.4水加热器的传热面积

式中：Cr-热水供应系统的热损失系数，取1.10~1.15；

Qg=设计小时供热量（kJ/h）；

K-传热系数[KJ/（m².℃.h）]，按低限值的80%取值，选取波节管则K=1500*0.8；

ε-由于热媒和水垢分布不均匀影响传热效率的系数，采用0.6~0.8；

Δtj-热媒与被加热水的计算温度差（℃）；

式中tmc、tmz-热媒的初温和终温（℃）；

tc、tz-被加热水的初温和终温（℃）；

对于半容积式水加热器设计小时供热量Qg=设计小时耗热量Qh。

即：高区半容积换热器供热量Qg=279.99kw=1007992kj/h

低区半容积换热器供热量Qg=408kw=1468964kj/h

经计算：高区半容积换热器传热面积F=6.64m²，低区半容积换热器传热面积F=9.68m²。根据换热面积最终选择两台BHRV-02-4.5半容积式波节管换热器，分别供高低区热水。

3.4.4.5供热系统循环泵流量

式中qx-全日供应热水的循环流量（L/h）；

QS-配水管道的热损失（KJ/h），可按单体建筑（3%~5%）Qh确定；

Δt-配水管道的热水温差（℃），按系统大小确定，可按单体建筑5℃~10℃；

经计算：高区热水系统循环流量qx=2.40m³/h，低区热水系统循环流量qx=2.92m³/h。

3.4.4.6供热系统循环泵扬程

Hb=hp+hx

式中hp-循环水量通过配水管网的水头损失；

Hx-循环水量通过配水管网的水头损失；

经计算：高区热水系统泵扬程Hb=7.6m，低区热水系统泵扬程Hb=8.2m

4.结束语

对于太阳能系统，出于利用可再生能源的考虑，<<民用建筑太阳能热水系统应用技术规范>>GB50364-2018中明确规定太阳能集热系统的储存容积=集热器日产水量，这意味集热系统规模越大，太阳能的储水量就越大，而大规模的储水容积采用开式水箱比承压水罐要更为经济合理。但开式水箱带来问题就是无法利用冷水压力，需另设加压设备供水，且冷热水不同源导致了压力不平衡，供水温度不易稳定，这是太阳能甚至热水系统的存在已久的问题，也是设计中的难点。

本项目集热器产热量24T/d，能满供足给高区热水系统92%的热水量（26T/d），即高区热水系统的水源为屋面太阳能集热水箱，高区冷水补水进入集热水箱后失压，水箱重力流出水静压无法满足高区顶部两层的出流压力，故在高区换热罐的太阳能供水管上设置变频设备满足不利点的使用需求，做好冷热水压力平衡措施，尽量保证出水温度的稳定。而低区则采用厂区热媒换热，换热罐可利用低区市政供水压力，满足低区热水系统水量（48T/d），节能且满足冷热同源的要求。

另外，为防止水箱补水对下层用水点影响，造成瞬间冷热水压力不均，忽冷忽热现象，水箱补水单独设置补水立管。水箱出水管道供高区热水系统，出水管径按热水系统秒流量设计。

综上所述，在热水系统设计中，应综合考虑冷热水供水系统，热源情况，使用部位及使用级别，结合建筑条件，尽可能选取更为节能、舒适且经济的系统形式。

参考文献：

[1]<<建筑给水排水设计规范>>GB50015-2003

[2]<<民用建筑太阳能热水系统应用技术规范>>GB50364-2018

[3]<<太阳能集中热水系统选用和安装>>15S128

[4]<<水加热器选用和安装>>16S122