高层酒店空气源热水系统设计

苏 丹

(福州精业建筑工程设计咨询有限公司 福建福州 350007)

高层酒店空气源热水系统设计

苏 丹

(福州精业建筑工程设计咨询有限公司 福建福州 350007)

以某一工程为案例，主要介绍了空气源热泵热水系统在高层酒店中的应用，即：针对工程所在地气象情况，选择对应月份参数，并通过计算校核，合理配置空气源热泵机组、贮热水箱和电辅助加热设备的规格。

高层酒店；集中供应热水系统；空气源热泵

0 引言

随着城市发展壮大和人口不断增长，不可再生能源供应日趋紧张，环境逐步恶化，现代社会对环保节能的新能源应用越来越迫切，热水热源的选择，在酒店热水系统设计是重中之重。如何选择正确的热源，对工程整体是否节能尤为重要[1]。

1 项目概况

欧沪(光泽)国际大酒店是一家星级高层酒店，总高25层，占地1.71hm2，总建筑面积47 756.77m2，一至四层为酒店配套商业服务设施，五层～六层为桑拿区，七层至二十五层为酒店客房区，其中桑拿区和客房区需设计集中热水供应系统。

2 热源选择

热源方面，因为当地不具备管道燃气供应条件，无法采用燃气锅炉；传统电热水机组能耗较大，不适合作为主热源。酒店管理方对屋面亦有使用要求，也不适合大面积布置太阳能面板，故设计采用了空气源热泵作为酒店热水系统的主热源。

所谓热泵，就是一种利用人工技术将低温热能转换提升为高温热能而达到供热效果的机械装置。空气源热泵热水系统即通过热泵机组运行吸收环境低温热能制备和供应热水的系统热水系统[2]，通过吸收空气中的热量来达到加热水的目的。它根据“逆卡诺循环”原理，仅需少量电能驱动，从空气中吸取低温热量通过蒸发器换热将热泵中的液态介质变成气态介质，气态介质通过压缩机压缩成高压高温气态，进入冷凝器冷凝放热将热量传给生活热水，经放热后的介质变成高压液态，再经节流装置膨胀减压成低压液体进入蒸发器重复往返上述过程，如图1所示。热泵加热工程中，对环境几乎不产生影响，是真正的环保节能新热源。相比太阳能、燃气、水地能(源)热泵等形式，空气源热泵占地面积小，热水出水水温恒定，设备布置灵活性强，也不受地质、燃气供应的限制，在长江以南地区具有广泛的适用性。

图1 空气源热泵的工作原理图

供热水空气源热泵机组较多采用活塞式压缩机组，该技术最成熟，应用历史最久，一般用于供热量<700kW的范围。

空气源热泵热水系统按热水是否由热泵机组直接供给分为直接供水系统和间接供水系统。目前市面上的空气源热泵热水机组最高制热温度60～65℃，当采用间接供水系统时，难以像蒸汽或者其他高温热媒时一次将被加热水升温至所需温度，而是通过板式换热器不断换热将贮热水罐内的水循环加热至所需的温度(50～55℃)。鉴此，该工程设计中采用了直接供水+承压水箱的闭式热水系统,减少了板换设备占用空间，也提高了系统加热效率[3]，如图2所示。

图2 空气源热泵直接供水闭式系统示意图

闭式系统管路布置相对于开式系统简单，承压水箱相对于开式水箱散热量较小，保温性能好，水质不易受到污染；另外，闭式系统中，热水水源由同分区的冷水加压泵供给，更有利于用水点的冷热水压力平衡。

3 管网设计

根据酒店的定位和热水使用要求，针对使用功能和平面布局的特点，设计中对客房区和桑拿区采用了两种不同形式的管网。

客房区各层平面大致相同，设计热水分区和冷水供水分区一致，分为3个区，各区管网采用上供下给，干、立管循环的管网形式，在供回水立管顶部设置自动排气阀，及时排除管网中的空气，减缓系统管道的腐蚀，如图3所示。

图3 客房区管网示意图

桑拿区用水点比较分散，设计采用横向干管供回水形式，这种管网适用于各层用水点错位布置的情况，管道布置较为灵活，如图4所示。

图4 桑拿区管网示意图

4 热泵选型计算

在最冷月平均气温<10℃且≥0℃的地区采用空气源热泵供生活热水时，应设置辅助热源。光泽县位于福建省西北部，年均气温17.6℃，最冷月平均气温2.8℃，设计采用电辅助加热设备。

当设辅助热源时，空气源热泵的设计供热量宜按当地农历春分、秋分所在月的平均气温和冷水供水温度计算，并根据其最不利工况计算辅助热源的设计小时平均秒耗热量(该工程热泵机组设计采用当地3月份平均气温及冷水温度进行计算，月平均气温10℃，地表水温度10℃)。

酒店五层～六层为桑拿区，七层～二十五层为客房，冷热水供水分区一致，分为桑拿区，客房低区7F～13F、中区14F～20F、高区21F～25F，确保各区冷热水同源。

4.1 中区热水系统耗热量计算

(1)热水系统最高日热水量按式(1)计算：

Qr=mqr/1 000

(1)

式中：Qr—最高日热水量(m3/d)；m—用水计算单位数(床位数)；qr—热水用水定额(L/床·d)。

(2)全日制集中热水供应系统设计小时耗热量，按式(2)计算：

Qrh=mKhqr/24 000

(2)

式中：Qrh—设计小时热水量(m3/h)。 Kh—小时变化系数。

(3)最高日平均耗热量可按式(3)计算：

Qd=QrCρr(tr-tl)/(24×3 600)

(3)

式中：Qd—最高日平均秒耗热量(kW)； tr—热水设计温度； tl—冷水设计温度； C—水的比热，C=4 187(J/kg·℃)。

(4)设计小时平均秒耗热量按公式(4)计算：

Qh=QrhCρr(tr-tl)/3 600

(4)

式中：Qh-设计小时平均秒耗热量(kW)；

55℃热水ρr=0.9 857kg/L,代入C值并换算单位后，公式④成为公式：

Qh=1.146Qrh(tr-tl)=1.146Qrh△t

式中：△t—冷热水温度差(℃)；

该工程客房中区床位数m=280，其他参数：qr=160L/(人·天) Kh=2.6，tr=55℃，tl=10℃，T=24h(参数取自建筑给水排水设计规范GB50015-2003(2009版))，代入公式计算得出：

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 热泵机组与贮热设备的计算

(1)空气源热泵热水机组总制热量按式(5)计算：

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

(5)

式中：Qg—热泵机组设计小时平均秒供热量(kW)；T1—热泵设计工作时间，全日制取12～20h； K1—安全系数，取1.05～1.10。

选择空气源热水机组RSJ-380/S-820-C五台，单台额定功率9.1kW，制热量34.0kW(设计工况下：环境温度10℃，进水10℃，出水55℃，COP=3.74)。

(2)热泵热水系统贮热总容积Vr 按式(6)计算：

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—有效贮热容积系数，承压水箱η=0.8；T—设计小时耗热量持续时间(h)，取T=2h。

贮热总容积Vr较大，会出现热泵机组的供热量会很小；贮热总容积Vr较小，会出现热泵机组容量很大，增加投资。所以Vr经计算后，需按Qg校核蓄热时间T2，蓄热时间计算公式转换如下：

T2≥[1.163·Vr(tr-tl)ρr]/Qg=1.163×3.45×45×0.9857/34.0×5=1.05h

将T2代入公式(6)可得Vr=1.81 m3，取2.0 m3，重新计算T2=0.61h，较为合适(蓄热时间建议取0.5～2h)，最后确定承压贮热水箱贮热总容积Vr=2.0m3。

4.3 热水循环泵计算

第一循环集热循环泵流量按下式计算：

qx=K2Qg/1.163△tjρr=1.1×170.0/1.163×5×0.9857=32.62m3/h

式中：K2—安全系数，取1.1； △tj—热泵机组进出口温差，一般取5℃；

热泵机组闭式循环水泵扬程计算：

H=hp+he+6m

式中：hp—循环管道沿程水头损失；he—循环管道局部水头损失； 6m—热泵机组损失。

本工程集热循环泵设置于地下室热水设备机房H=12m(管网损失详细计算从略)，循环水泵由设在泵前管道上的温度传感器控制启停。

4.4 辅助热源计算

当设置辅助热源时，按最不利工况计算辅助热源的设计小时平均秒耗热量。光泽属闽北地区，最冷月份平均气温2.8℃，设计冷水温度5℃，设计热水温度55℃。根据产品曲线，在最冷月份最不利工况时，空气源热泵热水机组RSJ-380/S-820-C产热水量为400L/h；则单台制热量为Q单=0.4×50×1.163=23.26kW。

分区热泵机组最不利工况时总制热量为23.26×5=116.3kW。

需配电辅助加热Q电=170.0-116.3=53.7kW，取60kW，选用CLDR0.030电热机组2台，单台产热量30kW，产热效率96%，热水产量0.516m3/h。

5 结语

热泵系统因为造价、进出水温差、最高出水温度等因素影响，系统设计一般采用蓄热式，以提高系统的可靠性。系统的贮热量和热泵的产热量之和必须满足高峰用水时的需要。市面上承压热水箱需要定制，产品质量参差不齐，容积不宜过大，选用时需注意机组与贮热装置的匹配问题，也可以采用加热和储热水箱分离的双水箱组合，既减小了单个水箱的容积，也能提高系统效率。

[1] 陈耀辉.酒店两种热源选择的技术经济分析[J].给水排水, 2008, 34(2):94-96.

[2] 陈振, 纪锋.给排水专业节能节水设计思路[C]// 海峡绿色建筑与建筑节能博览会论坛.2009:75-77.

[3] 裴刚, 李桂强, 季杰,等.空气源热泵热水系统即刻加热模式和循环加热模式的对比[J].化工学报, 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

苏丹(1985.1- ),男,工程师。

E-mail:297555706@qq.com

2017-04-06

TU822+.1

A

1004-6135(2017)06-0121-03