空气能热水工程

空气源热泵热水工程机组的设计、安装、计算详解
 
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空气能热泵安装工程设计前准备工作

确定热水使用场所类型,作为划分热水使用时间及最高日用水定额的依据。如宾馆一般为全日制供水,使用时间为24h,最高日用水定额为一般为150L/标间。浴室一般为半日制供水,使用时间为12h,最高日用水定额为一般为100L/人。工厂宿舍根据实际情况,会有倒班或者全日制供水,使用时间为8~24h。最高日用水定额一般为50L/人。详细划分见4.3.2每日热水用水量计算。

了解每日热水用水量,作为系统设计依据。向经销商或甲方确认每日热水用水量或弄清日最高热水使用人数,使用房间数或用水点数量等。如宾馆房间个数、入住率,浴室每日高峰人数、用水点个数(如喷头,花洒个数),工厂或学校宿舍入住人数。并根据使用场所类型计算每日热水用水量。

确认工程所在地区:并根据气象参数表,冷水计算温度表(P21)了解当地气象参数,特别是最低水温、年平均水温及冬季平均气温,作为选择设备型号、数量及校核设备运行可靠性的依据。

明确建筑概况:建筑高度,机组、水箱的摆放位置,是否采用回水。作为水泵选型计算依据。

了解水电情况:预留水管口径,配电容量大小。若此点了解不到,需在设计资料中表明,水管预留口径,配电量大小。

了解甲方的具体要求,考虑其合理性。

每日热水用水量计算

Q容量= Q×N

式中:Q容量—水箱的容量

Q—最高日用水定额(L)

N—日最高热水使用数量,单位根据场所确定

根据上式计算得每日热水用用水量和选择水箱大小。上式中N需向经销商或甲方确认,Q根据使用场所确定,常用场所数值如下表:

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上表中归类了一些常见场所最高日用水定额和使用时间,未归类上表中的场所见:热水定额表《建筑给水排水设计规范 GB50015-2003》

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一、计算系统所需热量:

Q=CM△T

式中:Q —系统总制热能力,单位Kcal

C—水的比热容,为1Kcal/kg.℃

M-水箱中水的质量,单位kg

△T—温差,即制热所需水温-年平均水温/年最低水温,单位℃

年平均水温/年最低水温见下表(冷水计算温度表)

二、计算系统所需功率:

式中:Q —系统总制热能力,单位Kcal

W—系统总制热功率,单位Kw

860-电的热值,单位Kcal/Kw

h—运行时间,单位 小时

运行时间的考虑:

运行时间,与用水量的是影响机组选型计算中两个最主要的因素,用水量一般不变,所以根据工程情况的不同,运行时间在设计中的波动是比较大的。运行时间主要考虑以下几个方面:

节能性与经济性:在一定范围内。运行时间设计越少,那么说明系统配置的制热能力越大,即使冬季不需其他辅助加热,依靠空气源热泵就能满足热水需求,故运行成本相对较低,节能性增加,但初投入也增大,经济性下降;运行时间设计越多,那么说明系统配置的制热能力越小,冬季需用电辅加热,故运行成本相对较高,节能性减少,但初投入也减少,经济性增加。经济性与节能性是一个工程是否优质的重要指标,但这两者处于一对矛盾关系,所以只能在中间寻找一个最佳平衡点。

冬季的环境因素:空气源热泵的热源是空气,其性能受环境影响较大,所以根据冬季的环境因素的不同,运行时间要做相应的调整,对于冬季较寒冷的地区,运行时间需设计要短,对冬季温暖地区,运行时间可以设计长一些。

工程性质:这一点主要的考虑就是工厂宿舍的倒班情况,如三班倒,即24小时内轮流三班,故我们设计运行时间时得考虑冬季最冷月的运行时间要小于8小时。

经上述分析,根据经验。运行时间在江浙沪(不包括苏北)一带一般设计10小时左右,冬季较寒冷地区一般设计8小时左右,冬季温暖地区设计12小时,三班倒情况一般设计5小时左右。

三、最冷月校核计算

空气源热水机组热源是空气,其性能受环境影响较大,根据现有资料:环境温度低于-10℃,大部分热水机组不能正常工作。这就要求热水机组一般使用区域冬季环境温度高于-10℃。由此可知空气源热泵热水机组适用于夏热冬暖地区,根据我国气候条件,推荐长江以南区选用空气源热泵机组。

故机组选型时,需考虑工程所在地的冬季平均温度,根据冬季平均温度来考虑机组在冬季的衰减。冬季平均温度与机组冬季衰减关系见能效比曲线表。

该表横轴为环境温度,纵轴为能效比,反映了环境温度与空气源热泵机组能效比的曲线关系,用于计算最冷月机组产水量的衰减率以及最冷月机组产水量。计算公式如下:

上式中冬季能效比根据工程地点的冬季平均温度来查能效比曲线表,常规空气源热泵热水机组为4.0,其余机型及额定产水量详见创能机型谱。而最冷月运行时间我们规定必须小于15小时。

例:某工程每日热水需求量为3吨,配置一台5P热泵机组,已知当地冬季平均气温4.2℃。计算机组冬季制热能力衰减率,机组最冷月产水量及最冷月运行时间。

已知冬季气温4.2℃,查表得冬季能效比约为2.8,5P循环机的额定能效比为4.0,额定产水量为410L/h

根据公式(一),计算得机组冬季产水量衰减率=2.8/4.0=0.7

根据公式(二),计算得机组最冷月产水量=410×0.7=294L/h=0.294m³/h

最冷月运行时间=每天最大用水量÷(最冷月产水量×机组数量)=3m³÷(0.294m³/h×1)=10.2h

最冷月校核计算即校核最冷月运行时间是否小于规定的15小时,但实际设计中,往往处于经济性的因素,机组不得不配小,此时最冷月运行时间必然大于15小时。当遇到这种情况时,修改机组冬季产水量衰减率,将最冷月运行时间调至15小时以下,并与客户说明,机组的配置偏小,冬季运行费用比较大。

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四、机组选型说明

定机组遵循以下原则:

选大不选小,即选定主机能力(KW)≥系统总能力(KW)

最冷月运行时间尽可能小于15小时

能选用两台小的不选一台大的

一般情况下机组不混搭(即一个10吨工程不采用一台10P与一台5P)

根据经验机组的选型与水箱吨位大小有一定比例关系,即1吨水:几P机组。在设计中可以根据这个经验值来进行预估,提高效率。江浙沪(不包括苏北)一带一般为1:1.5,冬季较寒冷地区一般为1:2,冬季温暖地区一般为1:1,三班倒情况一般为1:3,北方地区一般配比为1:2。

水泵选型计算

水泵的选型主要考虑两方面,流量与扬程。在热水系统中水泵可分为以下三类,机组循环泵,热水增压泵,水箱连通泵。

一、机组循环泵的选型:

机组循环泵流量的计算:机组循环流量是由技术部门在研发机组时设计好的,在工程计算略微有所不同,下面结合工程设计来对本部分内容作介绍。在工程设计中需要给循环机组配置水泵(即循环泵)来对水箱中的水进行循环加热,其中主要有两种工程形式:

(1)一台循环机组配置一台水泵,即一机一泵。对这种情况机组循环流量与循环管径即为样本中所标明的循环流量和接管管径。

在实际设计中,往往会碰到这种情况:某新机型样本中尚未标明,无法从产品样本中得知循环流量与接管管径。当碰到这种情况时,流量按下公式来估算:

Q=Q制热÷5×0.86×1.2

式中: Q——流量,单位:m³/h

Q制热——机组制热量,单位:KW

1.2——安全系数

5——制热量转换流量转换系数

0.86——制热量转换流量转换系数

(2)多台循环机组共用一台水泵,即多机一泵。对这种情况机组循环流量按下公式计算:

Q’=Q×N

式中:Q’——循环总流量,单位:m³/h

Q——机组循环流量,单位: m³/h

N——机组数量

同样若遇到新机型无法从样本上取得循环流量,按上页公式计算取值。

2.机组循环泵扬程的计算:

H=Z+P+0.1L

式中: H——水泵所需扬程

Z——机组底部与水箱底部的高度差

P——机组换热器的水压降,咨询厂商,单位 Kpa(1Kpa=0.1m)

L——循环管路的长度

根据经验,机组循环泵扬程一般选10M左右。

二、热水增压泵的选型:

1.热水增压泵流量的计算:

结合以往设计经验及一些资料文献,归类以下三种方法来确定:

(1) 根据使用场所的使用时间来计算,公式如下:

式中:Q——热水出水流量,单位:m³/h

M——水箱吨位,单位: m³

T——使用场所的使用时间,单位h(在热水定额表中可查)

T’——每日高峰用水量计算时间,单位h 一般取4h

1.3——小时变化系数

(2)根据使用场所的用水点数量来计算,公式如下:
Q=Q“×N×60÷1000×K

式中: Q——热水出水流量,单位:m³/h

Q’’——单用水点用水量,单位:L/min 一般为5L/min

N——用水点数量

K——同时使用率,一般取30%-40%,学校等集中供水取70%

60,1000——流量单位转化系数

(3)根据使用场所预留的冷热水管管径来计算,即已知冷热水管径,用管径大小来推算流量,公式如下:

式中: Q——热水出水流量,单位:m³/h

D——管道内径,单位:mm

1000——mm转换m 单位转换系数

5652——转换系数

2.热水增压泵扬程的计算:

根据经验,不含回水系统的热水管路,无论层高多少,扬程取10M左右。

含回水系统的热水管路,扬程根据楼层来确定,详见下表

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若高于6层,根据实际情况决定。

水箱连通泵选型

1.水箱连通泵流量的计算:

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式中: Q——流量,单位:m³/h

Q加热水箱——加热水箱容量,单位:m³

h——时间,单位:小时,一般取1

2.水箱连通泵扬程的计算:参照机组循环泵扬程选取。

水箱连通泵选型

商用热泵机组配置的水箱为不锈钢材质的敞开式保温水箱,因水箱是敞开式,故水箱内的压力不足以供水,或者和主机循环,要通过水泵来实现。常用的规格有立式和组合式。

立式保温水箱规格:

外胆:不锈钢201,厚度:0.6mm

内胆:不锈钢304,厚度:0.8mm

保温层:聚氨酯,厚度:50mm

保温层发泡密度:40Kg/m³

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水泵

水泵的定义是利用动力机的机械能,传给并排除水体的机械。简单的说就是传输液体或者是给液体增压的装置。而水泵在热水工程中主要起以下两种作用:

(1)实现水箱和机组之间的水路循环。习惯上称为循环泵。

(2)给热水供水提供压力。习惯上称为增压泵。

代表企业:威乐、格兰富、南方等。
 

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增压泵的控制方式

增压泵主要由以下几种形式来实现自动供水:

(1)通过流量开关来控制

通过流量开关检测管路流量,当流量小于设定值时,给水泵开启信号,开启水泵,当流量高于设定值是关闭水泵。

(2)通过自动增压装置来控制

通过自动增压装置检测管路水压,当水压小于设定值时,给水泵开启信号,开启水泵,当水压高于设定值是关闭水泵。

(3)通过变频恒压系统来控制

变频恒压系统的水泵电机以软启动方式启动后开始运转,由远传压力表检测供水管网实际压力,管网实际压力与设定压力经过比较后输出偏差信号,由偏差信号控制调整变频器输出的电源频率,改变水泵转速,使管网压力不断向设定压力趋近.这个闭环控制系统通过不断检测、不断调整的反复过程实现管网压力恒定,从而使水泵根据需水量自动调节供水量,达到节能节水的目的。

水路中的管材

在商用循环热泵机组的水路系统中,一般管材为:PPR热水管或镀锌钢管。一般而言,在管径小于DN50的水路系统中使用PPR热水管,大于DN50的水路系统中使用镀锌钢管。或按客户需求。

管径计算

式中:π——圆周率

D——管道内径,单位:m

4——圆面积计算中,半径与直径的转换系数

Q——流量,单位:m³/h(参照水泵流量计算)

v——流速,单位:m/s 一般取经济流速:2m/s

阀门

主要在水路系统中起到开关的作用。

常用的阀门有:用阀门材质有PPR(即塑料)、全铜、铸铁。

尺寸规格同水管尺寸规格表

一般而言大于DN50(不含DN50)的管道系统优先采用铸铁阀门,小于DN50的管道系统采用优先采用全铜。

安装施工要点:

1.安装位置,高度,进出口方向必须符合设计要求。

2.安装在保温管道上的各类手动阀门,手柄均不能朝下。

电磁阀

用电磁操作阀芯移动的阀。因为电磁阀是由电磁效应来控制,所以可以通过控制面板电磁阀的阀芯移动来实现自动开关或者调节流量。

安装施工要点:

1、安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致。不可装在有直接滴水或溅水的地方。电磁阀应垂直向上安装。

2、电磁阀应保证在电源电压为额定电压的15%-10%波动范围内正常工作。

3、电磁阀安装后,管道中不得有反向压差。并需通电数次,使之适温后方可正式投入使用。

4、电磁阀安装前应彻底清洗管道。通入的介质应无杂质。阀前装过滤器。

5、当电磁阀发生故障或清洗时,为保证系统继续运行,应安装旁路装置。

过滤器

过滤水路系统中的杂质。减少水路系统一些装置(如水泵,电磁阀)的损坏或失灵。

安装施工要点:

1、安装在管路中要与管道水平。

2、安装时注意介质流动的方向应与阀体所标箭头方向一致。

止回阀

靠水流流动的力量自行开启或关闭,即只有管路里的水流动时,止回阀开启。用于防止水流倒流。止回阀属于自动阀类,主要用于水流单向流动的管道上,只允许水流向一个方向流动,以防止发生事故。

安装施工要点:

1、在管线中不要使止回阀承受重量,大型的止回阀应独立支撑,使之不受管系产生的压力的影响。

2、安装时注意介质流动的方向应与阀体所标箭头方向一致。

软接

主要用来减少水路系统中由机组或是水泵引起的震动。使整个系统运行更加稳定,延长寿命。根据机组和水泵接口的不同分为:法兰软接和丝口软接。

说明:法兰接口使用法兰片连接。其实许多阀件也有法兰接口和丝口,如过滤器,止回阀。一般而言口径大于DN50以上才会使用法兰接口。

控制柜型号说明

控制柜型号命名规则

GC+D+Z+X-机组匹数-机组数量-系统总功率

GC表示工程意思

D表示电加热,若无则不填

Z表示增压泵,若无则不填

X表示循环泵,若循环泵为单相电,可由机组控制,则不填

机组匹数填写格式为:1P,2P,3P………

机组数量填写格式为:1II,2II,3II………

系统总功率填写格式为:1KW,2KW,3KW………

注意:对于水泵的一用一备,不要将备用水泵的功率也累加到系统总功率中。

电线路线径计算(估算)

根据设备或系统的功率,结合以下原则计算:

若为单相系统:

若为三相系统,分以下两种情况:

功率小于50Kw:

功率大于50Kw:

将上述计算所得的线径参照电线规格表,以选大不选小的原则选型。

常用电线型号为BVR。

常用设备电源芯数

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电缆的选型

根据线径选型,计算出火线线径,然后根据设备电源芯数来选择电缆规格。单相电源的零火线一般为同一规格,三相电源的零线比火线小1-2个规格。详见电线电缆规格表。

电缆的规格填写:火线芯数×火线电线规格+(零线芯数+地线芯数)×零线电线规格。

如10P空气热泵机组的电缆规格如下:3×4mm²+2×2.5mm²

电加热选型

电加热数量确定

根据常规经验值直接选择电辅热容量:华南地区电辅热可选择主机制热量的30%左右(主机选择有余量的情况可不配电辅热),华东、中西南地区电辅热可选择主机制热量的(50 ~ 70)%左右,东西、北华北地区电辅热基本要选择主机制热量的100%左右。

保温材料选型

辅材选用说明

密封材料:丝口连接处用生料带或麻丝胶水(大于DN50(不含DN50)的管道系统优先采用麻丝胶水,小于DN50的管道系统采用优先采用生料带)。法兰连接处用法兰橡胶垫片。

保温材料:一般使用保温管与保温棉两种形式(大于DN50(不含DN50)的管道系统优先采用保温棉,小于DN50的管道系统采用优先采用保温管)。

保温管以m为计量单位,保温棉以m³为计量单位

保温辅助材料:一般采用铝皮和铝箔扎带或电工阻燃胶带。一般而言,若保温材料选用保温棉,则保温辅助材料选用铝皮。若保温材料选用保温管,则保温富足材料选用铝箔扎带或电工阻燃胶带。

热水管道保温处理:

(1) 绝热层; (2)防水防潮层; (3)外保护层(也可以兼作防水防潮层)。

绝热层:橡塑棉、聚胺脂发泡等,厚度≥30mm;

外保护层:室外,+0.3mm厚镀锌板;室内,铝铂纸;

外保护层是最容易被忽略的。室外没有外保护层,风吹日晒雨淋时间久后,保温材料老化脱落,保温效果差,外观很丑,低档。

回水系统

当用户长时间不用时,水管中的水温降低,为了节约用水,水管中的水自动回到水箱中。回水管路安装电磁阀,当会管道水温小于设定的回水温度且低于水箱温度5度时,电磁阀开启,增压水泵开启,将水管中的冷水排放到水箱中。当管道温度高于设定温度,电磁阀与水泵停止工作,保证用户一开龙头就有热水出水。

补水系统

加热水箱加水采用水位补水,在水箱内设置高,中,低三个水位,当低于中水位时主机给电磁阀信号,电磁阀开启补水,当高于中水位时,主机给电磁阀信号,电磁阀关闭补水结束。

工程系统图

在标况下系统设计为自来水流经机组一次升温5℃。将保温水箱中的水循环加热至设定温度。系统设计简单,在天气比较寒冷区域,机组能稳定运行。

循环大小水箱工程系统图循环机组使用加热水箱和储热水箱分离设计,机组集中热量加热小水箱(加热水箱),时期温度到达设定温度后将热水放至大水箱(储热水箱),如此循环动作。

此系统适用于连续性供水且热水需求量较大的酒店、宾馆、工厂、医院等场所,水温波动小

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安装注意事项
设备基础的制作

混凝土基础,此基础用混凝土浇制,具有较佳的防震效果。

具体要求为:a.混凝土基础表面应坚实、牢固且平整,支撑面的承重应为机组运行重量的2倍。b.在做水泥基础台时,建议作如下处理:置于直径9.5mm以上之螺纹钢筋,间距10公分捆扎排放上下两层。c.在混凝土楼板上作水泥基座时,在施工前须保持表面粗糙,待清扫干净后,给予充分水份后再施工。d.水泥基础台按1:2:4比例充分混合,力求坚固,并依需要埋入规定大小数量的基础螺栓。完工后的基础台表面应保证平整。e.混凝土基础台表面需进行防水处理,基础台四周应设置排水沟槽,排水沟坡度应大于0.5°且坡向排水口。f.基础台之混凝土,须待完全干涸后才能安装机器。g.为使设备能宁静运转,避免因振动和噪音的传递而影响机组所处的楼层,机组底座与基础应以防震垫隔离,且机组安装时需注意保持水平。h.为避免设备长期运行产生的可能位移使机组产生扭曲甚至于断裂,机组应采取妥善的限位固定措施。具体见下图:(单位:mm)

一、注意

1、混凝土基础离地面的高度应≥200mm。

2、混凝土基础必须找平,水平度≤0.1%。用槽钢、工字钢、角铁焊成支撑架,支撑架与地面用拉爆螺丝固定。注意:荷载支撑面必须坚固,足以承受机组动静荷载,且不致额外增大振动和噪音,以避免影响周围环境。

3、安装注意机组的安装位置比较灵活,可装在阳台、楼面、地下室等。为了使机组能可靠的运行。

二、必须注意以下几点:

1、机组需由专业人员安装,安装时须遵守当地政府和相关部门的相应规定。

2、应考虑留出足够的空间,以连接水管和电线,同时考虑维修需要的空间(不能小于如下图所标的间隙)。

3、机组安装完毕后,要检查机组是否已良好固定,底脚是否安装防震胶垫。

4、机组应安装在室外通风的地方,同时也便于检修,机组出风口方向的遮挡物与机组的距离不得小于1.8米。
 

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机组调试

安装完毕后,应该对以下几点进行检查:先总体检查下整个工的水系统和电控系统是否安装好,接线是否牢固,该开的阀门是否打开,该关的是否关闭。然后再送电,用万用表检查电源是否正常,再开机。

开机后需要检查的几个要点:

1.机组的补水系统是否正常补水,补到高水位后,电磁阀是否关闭,低于高水位后电磁阀是否再次通电补水。

2.机组的循环水泵是否能把水抽进主机,如果水泵启动了,但是水不循环,就要对水泵进行排空,直到水能正常的循环起来。

3.机组运行时的高压压力和低压压力是否正常,风机吹出的风是否感觉到凉爽,用钳形表检测机组运行电流,观察是否正常,机组无异常噪音。

4.检查工程的供水系统能否提供足够的压力给用户,是否受控制。

5.正常运行一段时间后,水温能够加热到设定温度停机,且水温低于设定温度5度后能够正常启动。

 

以上几点如果都正常,反复运行24小时后,则该工程可以交付给客户使用。
 

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