某公寓太阳能-空气源热水系统的设计应用及碳排放分析_原康举.pdf

ANZHUANG2023年第3期66技 术 交 流 Technology Exchange原康举 于雷 刘尚斌 高卫星 索开强（中建八局第一建设有限公司 济南 250000）摘 要：本文详细介绍了以太阳能为主热源，空气源热泵辅助加热的集中热水供应系统的设计与应用，对初步设计图纸进行优化，降低了建设方的投资和成本。对热水系统在运行期间的碳排放进行计算，太阳能、空气能的碳减排量达整个热水系统碳排放的74%，采用太阳能+空气源热泵机组的方式替代传统热源，可有效减小系统的碳排放量。关键词：太阳能 空气源 热水系统 碳排放中图分类号：TU241.3 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2023）03-0066-03某公寓太阳能-空气源热水系统的设计应用及碳排放分析1 工程概况山东省某高中项目学生公寓分为1#、2#，地上五层，总建筑面积33,354m2。该工程主热源为屋面太阳能热水系统，辅助热源为低温型空气源热泵机组。热水系统形式为全日制集中热水供应，机械循环，上供下回干管同程。屋面热水系统设计出水温度为55，冷水温度为4。2 生活热水量及耗热量本工程设计小时耗热量计算1：式中：Qh设计小时耗热量，kJ/h；m用水计算单位数（人数或床位数）；qr热水用水定额，L/（人 d）；C水的比热，C=4.187kJ/（kg）；tr热水温度，tr=60；tl冷水温度，tl=4；r热水密度，r=0.983kg/L；T每日使用时间，h；C热水供应系统的热损失系数，给排水设计手册推荐值为1.101.15，本工程管道保温采用玻璃棉材料，热导率低，保温绝热性好，因此在计算中取1.10；Kh小时变化系数。公寓生活热水用水量及设计小时耗热量见表1。3 太阳能-空气源热水系统计算3.1 集热器面积及集热水箱计算集热器面积计算：式中：Ajz直接太阳能热水系统集热器总面积，m2；Qmd平均日耗热量，kJ/d；f太阳能保证率，本工程取50%；bj集热器面积补偿系数，本工程取1；Jt集热器总面积的平均日太阳辐照量，kJ/（m2d），本工程取14,450kJ/（m2d）；j集热器总面积的年平均集热效率，本工程取40%；1集热系统的热损失，本工程取20%。经计算可得1#、2#公寓集热器理论面积为：1#：Ajz=（401750（60-10）4.1870.9830.9）0.5/（114,4500.40.8）=1402m2；2#：Ajz=（401836（60-10）4.1870.9830.9）0.5/（114,4500.40.8）=1471m2。集热水箱容积计算：Vrx=qrjdAj式中：Vrx贮热水箱有效容积，L；Aj集热器总面积，m2；qrjd集热器单位采光面积平均每日产水量，L/（m2 d）。直接供水系统取40L/（m2 d）100L/（m2 d）。表1 公寓生活热水用水量及设计小时耗热量用水部位用水量标准/L（人次）-1数量/人最大日/（m3d-1）最大时/（m3h-1）平均时/（m3h-1）备注设计小时耗热量/kJ设计小时耗热量/kW1#701750122.516.335.10Kh=3.2T=24h4,141,907.241150.532#1836128.517.145.364,345,452.391207.07本工程取60 L/（m2d）。由于屋顶面积有限，每栋公寓屋顶实际敷设平板集热器为45组，集热面积共计351m2，配备有效容积为67INSTALLATION2023.3Technology Exchange 技 术 交 流25m3的集热水箱。3.2 集热循环水泵流量、扬程计算（1）集热循环水泵的流量等同集热系统循环流量，其计算为：qx=qgzAj。式中：qx集热系统循环流量，L/s；qgz单位轮廓面积集热器对应的工质流量，L/（m2s），按集热器产品实测数据确定。（2）太 阳 能 集 热 系 统 循 环 水 泵 的 扬 程 计 算为：Hb=hjx+hj+hz+hf。式中：Hb循环水泵扬程，kPa；hjx集热系统循环流量通过循环管道的沿程与局部阻力损失，kPa；hj集热系统循环流量通过集热器的阻力损失，kPa；hz集热器顶与集热水箱最低水位之间的几何高差，kPa；hf附加压力，取20kPa50kPa。两栋公寓集热器面积相同，管道基本一致，所以可以选用相同参数的循环泵。经过计算，循环水泵流量为3510.015=5.26L/s=18.9m3/h，管径为DN80，杨程为15.5m。3.3 空气源热泵供热量、贮热水箱容积计算（1）供热量计算：Qg=mqrC（trt1）rC/T5。式中：Qg设计小时供热量，kJ/h；C水的比热，C=4.187kJ/（kg）；tr热水温度，tr=55；tl冷水温度，tl=10；r热水密度，kg/L，r=0.9857kg/L；T5每日使用时间8h16h，T5=12；C热损失系统，取1.1。经计算可得：1#：Qg=1750704.187（5510）0.98571.1/12=2,085,488.31kJ/h=579.30kW；2#：Qg=1836704.187（5510）0.98571.1/12=2,187,975.16kJ/h=607.77kW。（2）贮热水箱容积计算：Vr=k1（QhQg）T1/C（trt1）r。式中：Vr贮热水箱容积，m3；Qh设计小时耗热量，kJ/h；k1用水均匀性的安全系数，取1.5。计算可得：1#：Vr=1.5（4,141,907.24-2,085,488.31）4/（4.187（55-10）0.9857）=66.4m3；2#：Vr=1.5（4,345,452.392,187,975.16）4/（4.187（55-10）0.9857）=69.7m3。3.4 太阳能-空气源热水系统运行方式采用太阳能热水器比较节能，在光照充足的情况下不产生能耗便可为用户制备热水。但是当阴雨天、夜晚或者冬季等光照不足的时候，太阳能的制热能力就会大打折扣，此缺点也是被众多用户所诟病。本工程将太阳能热水器、储水箱与空气源热泵结合成一体。在光照充足时，由太阳能热水器直接加热储水箱内的冷水作为热源。当温控装置探测到太阳能水箱内的水温达不到设定值时，自动启动空气源热泵，将太阳能水箱的水进行循环加热，实现能源互补，节能效果明显。同时也缩短了制备热水的时间，满足客户快速用水的条件。3.5 空气源选型及初步设计方案比选通过对设计小时耗热量、供热量的计算发现，初设数据偏大，有较大优化空间。结合某空气源厂家选型样本，将原方案35台制热量165kW，功率45.4kW的空气源热泵，调整为14台93kW，功率22.4kW的空气源热泵。配电功率由1589kW优化到348.6kW，大大降低了电缆敷设数量及难度（见表2）。因此，在工程造价方面，由空气源热泵数量的优化而带来的效益额达420万元。与此同时，由于设备数量大大减小，噪声及震动也随之降低，对于宿舍学生而言，大幅度提高居住舒适性。表2 公寓空气源热泵选型方案参数1#2#初设方案设计小时耗热量/kW30103157设计小时供热量-空气源设备选型制热量168kW制热量168kW功率45.4kW，17台功率45.4kW，18台优化方案设计小时耗热量/kW1150.531207.07设计小时供热量/kW579.3 607.77 空气源设备选型/kW制热量93kW制热量93kW功率22.4kW，7台功率22.4kW，7台4 公寓热水系统运行碳排放分析4.1 年耗热量计算本工程热水系统年耗热量计算：Qrp=4.187mqr（trtl）rT2。式中：Qrp生活热水年耗热量，kWh/a；T年生活热水使用天数，d；m用水计算单位数；qr热水用水定额；r热水密度，0.9832；trtl为设计冷热水温度的差值，tr=60，tl=4。宿舍集中用水时间4h，时间段为早6：00-8：00，晚19：00-21：00。经计算可得，公寓年耗热量为3771.78MWh/a（见表3）。表3 公寓年耗热量用水部位用水定额数量年使用天数/d平均日耗热量kWh/d年耗热量kWh/a 合计MWh/a1#45L/人次17503655042.911,840,660.893771.782#18365290.731,931,116.22（下转第74页）ANZHUANG2023年第3期74相 关 专 业 Relevant Business工，各工种之间交叉作业较少，施工效率更高，安全性更好，并且工厂化预制线盒是在地面上进行，减少了现场高处作业的危险。3.2.2 质量更好工厂化预制线盒时，将工厂线盒安装和现场线管安装分开进行，使得线盒的定位施工时间更充裕，平面定位更加精准，现场管线连接施工更加方便，减少了线盒线管返工或被破坏的风险，拆模后观感效果更好，在后期穿线和管道安装施工时，一次性成功率更高。4 结语预制叠合板线盒的精准预埋施工，可进行工业化大批量生产，对于多数项目标准层的施工具有普遍适应性，生产效率大大提高，施工质量也易于保证，缩短了施工工期，增加了安全性，有力推动了建筑行业装配式的发展，为医院、住宅等各类民生工程的施工，加快了进度，产生了较高的经济和社会效益。参考文献：1建筑电气工程施工质量验收规范：GB50303-2015S.北京：中国计划出版社，2016.2建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范：GB50242-2002S.北京：中国建筑工业出版社，2002.3建筑电气照明装置施工与验收规范：GB50617-2010S.北京：中国计划出版社，2011.4建筑工程施工质量验收统一标准：GB50300-2013S.北京：中国建筑工业出版社，2013.4.2 太阳能年热量本工程太阳能年得热量计算公式为：Qnj=nAcJT（1-c）cd。式中：Qnj太阳能年得热量，MJ/a；Ac太阳能集热器面积，m2；JT太阳能集热器采光面上的年平均太阳辐照量，MJ/m2；cd基于总面积的集热器平均集热效率，取45%；c管路和储热装置的热损失率，取0.2；n系统的工作寿命，按计算周期取值为1年。经计算太阳能年得热量为（17025125.720.80.45）/3600=359.83MWh/a。4.3 设备运行年用电量本工程热水系统设备运行年用电总量为1079.63MWh/a，其中空气源热泵年用电量915.71MWh/a，空气源循环泵131.40MWh/a，热水变频泵26.28MWh/a，集热循环泵6.24MWh/a。4.4 热水系统单位面积总碳排放量的计算CM=EEF/A式中：CM建筑运行阶段单位建筑面积碳排放量，kgCO2/m2；E建筑第能源年消耗量，MWh/a；EF能源的碳排放因子；A建筑面积，m2。根据生态环境部应对气候变化司发布的关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知规定，自2022年4月起，发电行业重点排放单位按企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施（2022年修订版）的要求实施，其中全国电网排放因子调整为0.5810tCO2/MWh。热水系统碳排放量见表4。表4 公寓热水系统总碳排放量系统名称年碳排放量t/a单位面积排放量kg/（m2a）热水系统2191.4065.70设备系统626.1918.77空气能系统-1870.00-56.07太阳能系统-209.06-6.27合计738.5322.135 结语本工程热水系统年二氧化碳排放量约2818t，单位面积年二氧化碳排放量为84.47kg/（m2a）；其中太阳能系统可年减排二氧化碳量约209t，单位面积年碳减排量为6.27kg/（m2a）；空气能系统可年减排二氧化碳量约1870t，单位面积年碳减排量为56.07kg/（m2a）；可再生能源的碳减排量约占整个热水系统碳排放的74%。太阳能、空气能作为建筑热水制备的新能源，可极大程度上降低生活过程中的碳排放量和能源消耗量，有助于城市生态环境的保护，有效缓解目前能源短缺的状况，是打造绿色可持续发展建筑不可或缺的技术措施。参考文献：1建筑给水排水设计标准：GB50015-2019S.北京：中国建筑工业出版社，2019.2建筑碳排放计算标准：G