廣東某職工宿舍太陽能熱水系統設計

摘要：介紹了廣東某職工宿舍采用的太陽能與空氣源熱泵相結合的全日制生活熱水系統，分析了該太陽能熱水系統的設計計算、設計要點、重要參數取值、空氣源熱泵的設計計算等主要問題。

關鍵詞：生活熱水系統；太陽能；空氣源熱泵當下，能源緊張、傳統能源匱乏是建筑設計領域需要慎重考慮的問題，挖掘可再生能源的應用成為建筑節能的主要舉措。為加強建筑節能管理，提高能源利用效率，國家及各地方政府陸續頒布了一系列的相關法令及規定。其中《建筑節能與可再生能源利用通用規范》5.2.1條規定新建建筑應安裝太陽能系統，采用太陽能制備生活熱水，是有效利用太陽能最簡便易行的方法。針對職工宿舍熱水需求量高、用水量較均勻等特點，故本工程設計采用太陽能與空氣源熱泵相結合的生活熱水系統，能夠有效利用自然資源，以實現節能減排和方便快捷的良好效果，充分體現綠色建筑的核心品質追求［1］。熱泵系統在國內已經推廣多年，然而工程實際應用還存在較多問題。首先是設備的質量難以滿足實際工程需求，其次熱水系統多由設備廠家包攬，缺少專業建筑給排水人員參與。本文針對熱泵系統的理論計算提出自己的觀點，希望對建筑給水排水設計提供借鑒。

1項目概況

廣東某職工宿舍項目，位于廣東省肇慶市廣寧縣，宿舍建筑面積4 300 m2，建筑高度20.7 m，地上2～5層為宿舍，共計55個床位，一層為職工食堂及餐廳。本工程熱水采用全日制集中供應方式，在屋頂設太陽能集熱板、熱水箱及空氣源熱泵等設備，見圖1。

2太陽能熱水系統計算

2.1平均日耗熱量計算

根據《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019，以下簡稱“建水標”）6.6.3條計算平均日耗熱量（見表1）。

職工宿舍居室內設有衛生間，平均日熱水定額取55 L。職工食堂按一日三餐供應，每顧客每次平均日熱水定額取10 L，則平均日熱水定額取30 L。同日使用率b1按實際情況取值，本項目為職工宿舍，住宿及就餐人員固定，按1取值；年平均冷水溫度tmL取值，按“建水標”6.6.3要求：可參照城市當地自來水廠年平均水溫值計算。實際設計中，此溫度數值很難獲得，且相關設計資料也無溫度取值參考。本項目水源采用地表水，結合其他城市已設計工程項目經驗，建議年平均冷水溫度按年平均室外氣溫減2 ℃取值，tmL取20 ℃。年平均室外氣溫可參考《建筑給水排水設計手冊》（以下簡稱“手冊”）取值。經計算，平均日耗熱量Qmd總計為769 815.12 kJ/d，按此數值計算太陽能集熱器面積。

2.2集熱器面積計算

本項目選擇直接太陽能熱水系統，根據“建水標”6.6.2條計算集熱器總面積：Ajz=Qmd·fbj·Jt·ηj（1-η1）（1）公式（1）中太陽能保證率f，根據“建水標”6.6.3條取值為40%～50%，無法準確計算。建議按“手冊”中廣州市的參數取值，f取40%。集熱器面積補償系數bj，本項目按水平面布置太陽能集熱板，按《民用建筑太陽能熱水系統應用技術標準》（GB 50364—2018，以下簡稱“熱水標”）取補償系數為0.98。平均日太陽能輻照量Jt，按“熱水標”取值為12 110 kJ/（m2·d）。年平均集熱效率ηj，本項目為集中集熱系統，按“建水標”6.6.3條取30%～45%，建議按“建水標”6.6.3條文解釋，廣州市取0.36。集熱系統的熱損失η1，按“建水標”6.6.3條取20%。經計算，集熱器總面積為90.09 m2，每塊集熱器面積為2 m2，本項目選45塊集熱板即可滿足要求。

2.3熱水箱總有效容積計算

本項目集熱水箱和供熱水箱合并設置，集熱水箱有效容積按“建水標”6.6.5條計算，集熱器單位輪廓面積平均日產60 ℃熱水量需要根據當地太陽能輻照量、集熱面積大小等綜合考慮，本項目所在地太陽能屬于資源一般地區，按50 L/（m2·d）取值，則集熱水箱有效容積為4.5 m3。供熱水箱有效容積按“建水標”6.5.11條計算，建議取90 min Qh。設計小時耗熱量Qh計算（見表2、3）。

最高日用水定額建議與空氣源熱泵系統保持一致按下限取值。宿舍Qh1按“建水標”6.4.12計算，食堂內設有洗滌盆3個，食堂Qh2按“建水標”6.4.13計算，宿舍和食堂用水高峰重疊計算設計小時耗熱量。Qh總計為235 031.45 kJ/h。供熱水箱有效容積按公式（2）計算：Vg=1.5·Qh（tr2-t1）Cρr（2）太陽能供熱水箱溫度tr2按50 ℃設計，熱水溫度按50 ℃時取值計算，供熱水箱有效容積為2.13 m3，熱水箱總有效容積為6.63 m3。

3空氣源熱泵系統計算

3.1設計小時供熱量計算

根據“建水標”6.6.7條計算空氣源熱泵設計小時供熱量（見表4）。

熱水定額取最高日用水定額下限值，熱泵機組設計工作時間按不設輔助熱源取值為12 h。設計小時供熱量總計為103 774.09 kJ/h，即空氣源熱泵制熱量為28.8 kW，需核對空氣源熱泵的額定出水溫度，選擇合適機型。

3.2空氣源熱泵貯熱水箱計算

根據“建水標”6.6.7條計算貯熱水箱有效容積按公式（3）計算：Vr=k1·（Qh-Qg）T1（tr2-t1）Cρr（3）貯熱水箱溫度按tr2=50 ℃設計，用水均勻性的安全系數k1取1.5，設計小時耗熱量持續時間T1取4 h，Qh為235 031.45 kJ/h，Qg為103 774.09 kJ/h，貯熱水箱有效容積為4.8 m3?？諝庠礋岜煤吞柲芄灿靡蛔?，則水箱總有效容積取大值6.63 m3。

4結論

以上計算過程中所用公式為筆者根據《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）整體理解并結合其他文獻推導出的計算公式，與理論比較吻合。

以上結論僅為個人觀點，可供建筑給水排水設計師計算中使用，如有誤差，最終以《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）編制組解釋為準。

參考文獻：

［1］中國建筑設計研究院有限公司.建筑給水排水設計手冊（第三版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2018.