燃?xì)庵醒霟崴?yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和應(yīng)用

張 佳, 沈 威

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司, 廣東 深圳 18049)

1 概述

隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)和智能型商業(yè)綜合體的興起,燃?xì)庵醒霟崴?yīng)系統(tǒng)已逐漸成為生活中必不可少的一部分。與分布式小型快速熱水器相比,燃?xì)庵醒霟崴?yīng)系統(tǒng)具有節(jié)約能源的優(yōu)勢(shì),是更加智能、安全、節(jié)能且能全天候供應(yīng)熱水的中央熱水供應(yīng)系統(tǒng)(簡稱中央熱水系統(tǒng))[1]。如今用戶對(duì)熱水的要求越來越高,在水溫、水壓、水流量、安全性能、節(jié)能環(huán)保等方面都需要滿足最佳的用水體驗(yàn),這給燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)的發(fā)展提供了更多空間。

燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景豐富,有酒店、醫(yī)院、學(xué)校、公寓等多種應(yīng)用場(chǎng)景,根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模,可以通過多機(jī)并聯(lián)的形式滿足熱水需求。目前,研究較多的是太陽能中央熱水系統(tǒng)[2-4]以及空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)[5],而燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)少有文獻(xiàn)報(bào)道。

本文考察了5家相似酒店的平均熱水流量,進(jìn)行分段擬合,得出一天內(nèi)的熱水流量曲線,結(jié)合積分關(guān)系,計(jì)算了目標(biāo)酒店設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量,據(jù)此設(shè)計(jì)了適用于目標(biāo)酒店的儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)。

2 燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)

2.1 分類

燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)有3種形式:即熱式、儲(chǔ)水式、復(fù)合式。即熱式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)適用于用水總量不大且用水范圍較集中或安裝場(chǎng)地較小甚至無法安裝貯熱水箱的場(chǎng)景。儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)適用于用水總量較大、用水范圍較分散、可以安裝貯熱水箱的場(chǎng)景。復(fù)合式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)中,燃?xì)饪膳c多種能源組合使用。即熱式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)見圖1,儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)見圖2,復(fù)合式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)見圖3。

圖1 即熱式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)

圖2 儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)

圖3 復(fù)合式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)

本文主要分析儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng),該系統(tǒng)不僅節(jié)能,而且能夠滿足熱水用量大、熱水用量隨時(shí)間波動(dòng)性強(qiáng)的情況。

2.2 儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)工作原理

儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)是由燃?xì)鉄崴鳌?nèi)循環(huán)泵、貯熱水箱、外循環(huán)泵、管道等組成。儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)三維模型見圖4。工作原理為:貯熱水箱內(nèi)的溫度傳感器時(shí)刻測(cè)量熱水的溫度,當(dāng)熱水溫度低于60 ℃時(shí),內(nèi)循環(huán)泵啟動(dòng),同時(shí)燃?xì)鉄崴鲉?dòng),回水經(jīng)燃?xì)鉄崴骷訜嶂猎O(shè)定溫度輸送至貯熱水箱,直至貯熱水箱內(nèi)的水溫達(dá)到60 ℃,停止加熱。貯熱水箱的水從熱水總管流出,流經(jīng)用戶端的熱水分管供給用戶或者循環(huán)。熱水分管內(nèi)熱水一直保持在一定溫度(例如45 ℃),當(dāng)熱水分管的水溫低于40 ℃時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)開啟外循環(huán)泵,回水輸送回貯熱水箱。當(dāng)回水溫度傳感器測(cè)得的回水溫度高于45 ℃時(shí),外循環(huán)泵自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)貯熱水箱水位低于設(shè)定值時(shí),補(bǔ)水電磁閥自動(dòng)開啟,冷水從冷水總管進(jìn)入燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行加熱后進(jìn)入貯熱水箱,達(dá)到貯熱水箱設(shè)定水位后停止補(bǔ)水。

圖4 儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)三維模型

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相較于太陽能系統(tǒng)受光照以及場(chǎng)地影響、空氣源熱泵系統(tǒng)受環(huán)境溫度影響,燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)幾乎不受任何環(huán)境因素的干擾。燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)可以應(yīng)對(duì)用水高峰期、冬季、雨季、夜間熱水供應(yīng)不足的問題,以及等待熱水時(shí)間較長而水溫、水量、水壓不穩(wěn)定的問題,避免了熱源設(shè)備的熱效率逐年遞減的問題,同時(shí)可以降低投資和運(yùn)維成本。

2.4 供熱熱源設(shè)備

供熱熱源設(shè)備采用燃?xì)鉄崴?出水溫度可在40～85 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3 耗熱量和熱水量計(jì)算

依據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.4.1條,設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算式為:

(1)

式中Φ——設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量,kW

Kh——小時(shí)變化系數(shù)

m——用水人員數(shù)量,人

qr——熱水用水定額,L/(人·d)

c——水的比熱容,kJ/(kg·K),取4.187 kJ/(kg·K)

θr——熱水溫度,℃

θL——冷水溫度,℃

ρr——熱水密度,kg/L

td——每日使用時(shí)間,h

Cr——熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱損失系數(shù),取1.10～1.15

設(shè)計(jì)日熱水量即最大日熱水量計(jì)算式為:

qd=mqr

(2)

式中qd——設(shè)計(jì)日熱水量,L/d

對(duì)24 h供熱水情況小時(shí)變化系數(shù)計(jì)算式為:

(3)

式中qh——設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量,L/h

4 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

4.1 項(xiàng)目概況

深圳市某酒店有客房150間,滿員入住容納300人,建筑高8層。根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,熱水用水定額qr為120～160 L/(人·d),本文取120 L/(人·d),m取300 人。根據(jù)式(2)計(jì)算得出目標(biāo)酒店設(shè)計(jì)日熱水量為36 000 L/d。為了分析該目標(biāo)酒店一天內(nèi)熱水流量隨時(shí)間變化的關(guān)系,考察并實(shí)測(cè)了5家相似酒店的熱水流量,這5家酒店平均熱水流量見圖5,考察酒店平均熱水流量曲線呈M形,早晚是用水高峰,白天為谷,夜晚到凌晨用水最少。

圖5 5家酒店平均熱水流量曲線

常規(guī)設(shè)計(jì)中,認(rèn)為每小時(shí)內(nèi)熱水流量恒定,即一天有24個(gè)熱水流量。本文考慮到實(shí)際情況,每小時(shí)內(nèi)熱水流量是變化的,即一天內(nèi)有許多個(gè)熱水流量。

4.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)圖5曲線進(jìn)行分段擬合,用Excel軟件自帶的曲線擬合工具進(jìn)行擬合。在0～7 h范圍內(nèi),擬合曲線R2為0.982 6,表示擬合效果良好。0～7 h考察酒店平均熱水流量擬合曲線(記為曲線1)見圖6。平均熱水流量擬合關(guān)系式為:

圖6 0～7 h平均熱水流量擬合曲線

q=3.886 9t2-9.434 5t+97.375, 0≤t≤7

(4)

式中q——0～7 h平均熱水流量,L/h

t——時(shí)間,h

在7～20 h范圍內(nèi),擬合曲線R2為0.920 1,表示擬合效果良好。7～20 h平均熱水流量擬合曲線(記為曲線2)見圖7。平均熱水流量擬合關(guān)系式為:

圖7 7～20 h平均熱水流量擬合曲線

q=0.878 4t2-24.896t+345.15, 7≤t≤20

(5)

在20～24 h范圍內(nèi),擬合曲線R2為0.981 0,表示擬合效果良好。20～24 h平均熱水流量擬合曲線(記為曲線3)見圖8。平均熱水流量擬合關(guān)系式為:

圖8 20～24 h平均熱水流量擬合曲線

q=-2.428 6t2+80.257t-431.17, 20≤t≤24

(6)

計(jì)算可得曲線1與曲線2交點(diǎn)、曲線2與曲線3交點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為6.862 3、20.168 8,計(jì)算中將曲線適當(dāng)外延。由于目標(biāo)酒店和考察酒店用熱水情況相似,因此認(rèn)為目標(biāo)酒店的熱水流量曲線和5家酒店平均熱水流量曲線是相似形。因此,目標(biāo)酒店熱水流量qa可以表示為考察酒店平均熱水流量q的β倍,見式(7):

(7)

對(duì)式(7)積分可得目標(biāo)酒店全天熱水使用量表達(dá)關(guān)系式,見式(8):

(8)

式中V0——目標(biāo)酒店全天熱水使用量,L

目標(biāo)酒店全天熱水使用量為36 000 L,令式(8)中V0=36 000 L,可求出β為9.3。

將β代入式(7),得到目標(biāo)酒店熱水流量計(jì)算式為:

(9)

目標(biāo)酒店瞬時(shí)熱水流量曲線見圖9。

圖9 目標(biāo)酒店瞬時(shí)熱水流量

下面計(jì)算最大小時(shí)熱水量,小時(shí)熱水量是指在時(shí)間間隔1 h內(nèi)所供應(yīng)熱水的平均流量。由圖9,可觀察到,最大小時(shí)熱水使用量發(fā)生在6.862 3 h或20.168 8 h左右,記上午最大小時(shí)熱水量發(fā)生的時(shí)間區(qū)間為[a,b],那么6.862 3∈[a,b],上午最大小時(shí)熱水使用量的計(jì)算式為:

(10)

式中V1——上午最大小時(shí)熱水使用量,L

a——上午最大小時(shí)熱水量發(fā)生區(qū)間的左端點(diǎn),h

b——上午最大小時(shí)熱水量發(fā)生區(qū)間的右端點(diǎn),h

限制條件為式(11)～(13):

b-a=1

(11)

5.862 3≤a≤6.862 3

(12)

6.862 3≤b≤7.862 3

(13)

令:

f1(t)=12.05t3-43.87t2+905.59t

(14)

f2(t)=2.723t3-115.765t2+3 209.9t

(15)

式(10)變形為:

(16)

將式(11)代入式(16),整理得:

(17)

式(17)整理得到關(guān)于a的表達(dá)式:

V1=-9.33a3-63.74a2+2 080.9a-6 315.3+
f1(6.862 3)-f2(6.862 3)

(18)

求導(dǎo):

(19)

同理可得,下午最大小時(shí)熱水使用量為1 836 L,發(fā)生在時(shí)間區(qū)間[19.55,20.55] h。因此。設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量qh取上午最大小時(shí)熱水量相應(yīng)的流量,即1 961 L/h。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)據(jù),酒店的高峰用熱水時(shí)間段為6:38—7:38,設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量Vh為1 961 L/h。酒店設(shè)計(jì)日熱水量為36 000 L/d。根據(jù)式(3)計(jì)算得出小時(shí)變化系數(shù)Kh為1.31,小于GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定值2.6。

qr取120 L/(人·d),c取4.187 kJ/(kg·K),θr取60 ℃,θL取15 ℃,ρr取0.98 kg/L,Cr取1.14,m取300人,td取24 h。代入式(1)可得出設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量Φ為114.9 kW。

本項(xiàng)目熱源設(shè)備采用3臺(tái)額定熱負(fù)荷為62.3 kW的燃?xì)鉄崴?2臺(tái)工作,1臺(tái)備用。設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量Vh為1 961 L/h,選擇2 m3貯熱水箱。

4.4 熱水供應(yīng)系統(tǒng)

熱水供應(yīng)系統(tǒng)見圖10,包括3臺(tái)燃?xì)鉄崴鳌?臺(tái)容積為2 m3的貯熱水箱以及電控系統(tǒng)、溫感系統(tǒng)。

圖10 熱水供應(yīng)系統(tǒng)

5 結(jié)論

① 考察5家相似酒店的平均熱水流量,早晚是用水高峰,白天為谷,夜晚到凌晨熱水流量最小。進(jìn)行分段擬合,得到了目標(biāo)酒店熱水流量曲線呈M形。

② 考慮到設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量不一定發(fā)生在整小時(shí)內(nèi),根據(jù)熱水流量曲線,結(jié)合積分關(guān)系,得到設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量,其涉及的時(shí)間范圍可能跨整小時(shí),提高了熱水供應(yīng)系統(tǒng)的保障能力。

③ 根據(jù)計(jì)算得出的設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量對(duì)目標(biāo)酒店的熱水供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),證明儲(chǔ)水式燃?xì)庵醒霟崴到y(tǒng)在商業(yè)領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。