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空氣源熱泵講堂
設計院高工教你嚴謹計算建筑熱負荷及空氣源熱泵主機選型
作者: 發(fā)布于:2018-10-26 10:57:05

設計院高工教你嚴謹計算建筑熱負荷及空氣源熱泵主機選型

  對于熱泵主機選型,絕大部分人都是憑經(jīng)驗,或者通過簡單的估算。這樣做其實有很大的運氣成分,一不小心就可能滿盤皆輸。熱泵商學院金牌講師安建新老師說,對做工程的經(jīng)銷商來說,經(jīng)驗固然重要,但也要有一定的專業(yè)知識積累。接下來,我們來聽聽安老師是如何教大家選主機的。

  如何計算基本耗熱量

  在進行鍋爐改造、廠房改造都需要進行設備選型。大家都是怎么選主機的?我想用的最多的應該是熱指標法,就是用熱指標乘以面積得到需要的熱負荷,然后根據(jù)熱負荷選主機。

  這種方法用的很廣,今天我還要講一個簡單計算方法。即:

  基本耗熱量=傳熱系數(shù)*傳熱面積*室內外溫差

  大家不要見到公式就發(fā)懵,其實很簡單。比如說你算窗戶的耗熱量,就用窗戶的傳熱系數(shù)乘以窗戶的面積,再乘以室內外溫差。同理,如果是外墻,就用墻體的傳熱系數(shù),乘以外墻面積,再乘以溫差。同樣也可以算出屋頂?shù)暮臒崃。也就是說,你要計算哪一部分的耗熱量,就用哪一部分的傳熱系數(shù)乘以面積再乘以溫差就可以了。

  表1:常用維護結構傳熱系數(shù)K(W/㎡·℃)

名稱

K

名稱

K

外磚墻(內抹灰)一磚

2.08

實體木外門二層

2.33

外磚墻(內抹灰)一磚半

1.56

帶玻璃的陽臺門一層

5.82

外磚墻(內抹灰)二磚

1.27

帶玻璃的陽臺門二層

2.67

內磚墻半磚

2.30

外窗及天窗一層木框

5.82

內磚墻一磚

1.72

外窗及天窗二層木框

2.67

實體木外門一層

4.65

外窗及天窗二層金屬框

3.26

  注:表中磚指實心粘土磚

  表1就是一些常用的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù),比如說外磚墻,一磚也就是我們說的24墻,傳熱系數(shù)是2.08,而一磚半就是37墻,傳熱系數(shù)是1.56。從傳熱系數(shù),我們就可以很清楚地看出24墻和37墻的耗熱量上的差別有多大。一些常用的圍護結構傳熱系數(shù),比如說外墻、中空玻璃等等,我們查了一次后可以記下來,下次要用到的時候就可以很方便、快捷地計算。

  以北京某辦公室為例教你計算

  下面我們看一個例題:

  例:北京某辦公室只有一面370外墻和一面雙層玻璃的外窗。房間開間4米,進深5米,層高4米。窗戶寬2米,高2米。用以上兩種方法試求采暖熱負荷。

  我們可以從傳熱系數(shù)表查到37墻傳熱系數(shù)是1.56,雙層中空玻璃的傳熱系數(shù)這里按斷橋鋁材質取2.4(材質不同區(qū)別很大,比如說塑鋼的、斷橋鋁的、玻璃材質的等)。房間的面積是4米*5米=20平米;窗戶的面積是2米*2米=4平米;外墻的面積是4米*4米=16平米,再減去窗戶的面積,就是12平米。北京的室外溫度參數(shù)是-7.6℃(查自《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012),室內溫度取20℃,室內外溫差為27.6℃。

  把這些數(shù)據(jù)代入公式,可知:

  外窗耗熱量=2.4*4*27.6=265W

  外墻耗熱量=1.56*12*27.6=517W

  基本耗熱量=265+517=782W

  這里要指出一下,這樣算的基本耗熱量是不包括冷風耗熱量的,我們在取負荷值時,還要計算冷風耗熱量,一般按基本耗熱量的30%計算,這是簡易的算法。這樣我們就可以得出:

  房間的熱負荷=基本耗熱量×1.3=783*1.3=1017W

  因為我們是計算主機選型,只需計算外圍護的耗熱量,內墻部分,由于是緊挨著的,不需計算。另外,要注意的是,這里計算是按連續(xù)24小時采暖來計算的,如果是間歇性采暖,則需要進行折算。方法為:24小時×連續(xù)熱負荷/供暖小時數(shù)。

  還是以剛才的例子來說明。北京20平米的房間,計算出來的熱負荷是1017W,這是24小時連續(xù)供暖的負荷,如果只是白天12小時供暖,則負荷就不夠了,這時候需要除以供暖時長,即:24*1017/12=2034W。

  還要注意的是,我們在計算時忽略了一些修正參數(shù),比如說房間的朝向修正、風力附加修正等等。

  剛才我們算的是一個標間,就一面外墻和窗戶,如果是一棟樓呢?如下圖:

  

  兩個外門,我們把它簡化成窗戶,那是不是就是36個標間?我們只要算出一個標間的熱負荷,再乘以數(shù)量,是不是這面墻的熱負荷就算出來了?當然,我們也可以按整面墻的面積減去所有窗戶面積,像前面計算的那樣代入到公式,也是可以的,計算出來的結果是一樣的。這一面算出來了,另外幾面也可以算出來,把各個面的熱負荷加起來,就是這棟樓的總熱負荷。

  我們剛才用的就是簡單計算的方法,接下來我們用大家經(jīng)常用的估算方法來算下,即:熱負荷=面積*熱指標。

  還是以北京20平米的房間為例,熱指標按煤改電政府要求的80W/㎡,則:熱負荷=80*20=1600W

  從計算結果可以看出,這種估算的方式和之前計算出來的1017W(煤改電農(nóng)戶都是連續(xù)供暖,因此這里也以連續(xù)供暖數(shù)據(jù)來對比)結果還是有很大的差別的。一個20平的小房間都是如此,大型供暖項目就差的更離譜了。

  影響熱負荷的因素有哪些?

  從上面的計算的公式,我們也可以得出影響采暖熱負荷的一些因素,跟建筑的圍護結構、所在地區(qū)、建筑用途、體量等有很大關系。

 

表2:我國各主要城市的“供暖室外計算溫度”(單位:℃)

城市

北京

石家莊

唐山

太原

南昌

蘭州

南寧

溫度

—7.6

—6.2

—9.2

—10.1

0.7

—9

7.6

城市

上海

南京

杭州

合肥

濟南

鄭州

武漢

溫度

—0.3

—1.8

0

—1.7

—5.3

—3.8

—0.3

城市

廣州

成都

拉薩

西安

重慶

長沙

嘉興

溫度

8

2.7

—5.2

—3.4

4.1

0.3

—0.7

  注:《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736—2012,附錄A

  舉個例子,同樣用途的建筑,圍護結構等基本情況都差不多,分別位于北京和合肥,在計算時室外溫度采暖計算參數(shù)就有很大區(qū)別,北京是—7.6℃,合肥是—1.7℃,差不多相差6℃,在室內溫度要求相同的情況下,溫差就有6℃的區(qū)別,計算出來的熱負荷,合肥差不多只有北京的30%。這個是工程所在地不同,不同氣溫的差異。

  此外,不同體量,也就是建筑物的面積、層數(shù)、高度等不同,能耗也是不一樣的,出入可能很大。比如說,一個小區(qū),有6層,也有20層的,一般來說,20層的熱指標要比6層的要小一點。

  即使是同一個建筑,不同的使用功能也可能相差很多。比如某個商業(yè)綜合體,燒烤餐廳冷指標可能在300W/㎡,而商用辦公區(qū)域可能只要100W/㎡就夠了,相差達到了3倍。

  不同的建筑用途,一般來說,同年代的建筑、公共建筑,比如說辦公樓、寫字樓,熱負荷要比居住建筑大一些。比如說,辦公樓熱指標可能在50W/㎡,但居住建筑可能只要30W/㎡左右。

  上面這些都是影響熱負荷的一些因素,用途、外保溫情況、當?shù)厥彝鈿鉁、建筑面積、層高等等。另外,間歇采暖也對熱指標有影響。

  熱指標的出處是《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》CJJ34—2010,最初用來計算管網(wǎng)還有熱源。要注意的是,這本規(guī)范是應用在城鎮(zhèn)集中供熱的,而且是適用于“三北地區(qū)”,即東北、西北、華北這三個地區(qū),并不是所有地區(qū)都合適。它的特點是連續(xù)供暖,24小時不間斷供暖,而熱泵改造項目常常不具備這些條件,像辦公樓、學校、工廠等,很多都是間歇供暖,這個是需要進行折算的。

表3:各類建筑類型采暖熱指標推薦值

建筑物類型

采暖熱指標推薦值(W/㎡)

未采取節(jié)能措施

采取節(jié)能措施

住宅

58~64

40~45

綜合居住區(qū)

60~68

45~55

學校、辦公

60~80

50~70

醫(yī)院、托幼

65~80

55~70

旅館

60~70

50~60

商店

65~80

55~70

食堂、餐廳

115~165

100~150

影劇院、展覽館

95~115

80~105

大禮堂、體育館

115~165

100~150

         表3就是《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》CJJ34—2010給出的熱指標,這是連續(xù)供暖時的熱指標。從這個表也可以得出一些結論:非節(jié)能建筑熱指標要高于節(jié)能節(jié)能,公共建筑熱指標要高于居住建筑。像學校、辦公樓、醫(yī)院、旅館、商店等,這些場所的熱指標要大一些,而食堂、展館、大禮堂之類的,很多都是單層建筑,熱指標要更高。

  間歇采暖的,因此在計算負荷的時候,要根據(jù)供暖小時數(shù)進行折算:

  間歇熱指標:24小時*連續(xù)供熱指標/供暖小時數(shù)

         表4:各類建筑類型連續(xù)供暖、間歇供暖熱指標推薦值

建筑物類型

采暖熱指標推薦值(W/㎡)

未采取節(jié)能措施

采取節(jié)能措施

連續(xù)供暖

采暖12h

采暖18h

連續(xù)供暖

采暖12h

采暖18h

住宅

58~64

116~128

77~85

40~45

80~90

53~60

綜合居住區(qū)

60~68

120~138

80~91

45~55

90~110

60~73

學校、辦公

60~80

120~160

80~107

50~70

100~140

67~93

醫(yī)院、托幼

65~80

130~160

87~107

55~70

110~140

73~93

旅館

60~70

120~140

80~93

50~60

100~120

67~80

商店

65~80

130~160

87~107

55~70

110~440

73~93

       表4就是根據(jù)之前的熱指標數(shù)據(jù),在間歇供暖12小時、18小時時的熱指標。我們看到,間歇供暖的時候,根據(jù)實際供暖的時長的不同,供暖熱指標也是不同的。當然,不管是《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》CJJ34—2010給出來的熱指標,還是折算出來的,都只是一個參考的數(shù)據(jù),只要知道熱指標的出處,還有間歇供暖的折算,另外還有不同建筑、功能等情況下熱指標有大有小,在我們做工程主機選型有很大幫助,多了解這些東西,可以讓我們少走很多彎路。

  主機選型要注意溫度和融霜修正

  下面說一下主機選型。

  原來制熱功率是多少千瓦的鍋爐,等量換成制熱量是多少千瓦的熱泵,這里面要注意兩個修正,千萬不要用主機的額定制熱量去選機組。比如說,項目在合肥和北京,室外溫度是不一樣,而主機的額定制熱量是相同的,如果不做修正的話肯定不合適。

  空氣源熱泵機組的冬季制熱量會受到室外空氣溫度、濕度和機組本身的融霜性能的影響,在設計工況下的制熱量通常采用下面公式計算:

  Q=q*k1*K2

  式中:Q——機組設計工況下的制熱量,KW;q——產(chǎn)品標準工況下的制熱量(標準工況:室外空氣干球溫度7℃,濕球溫度6℃),KW;K1——使用點取室外空調計算干球濕度修正系數(shù),按產(chǎn)品樣本選取;K2——機組融霜修正系數(shù),應根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)修正,當無數(shù)據(jù)時,可按每小時融霜一次去0.9,兩次取0.8。

  請注意:

  《暖規(guī)》所述空氣源熱泵標準工況(標準工況:室外空氣干球溫度7℃,濕球溫度6℃)實際上是目前我們所稱的“常溫空氣源熱泵”,或者說更接近我們說的“風冷熱泵”。當我們選擇低溫熱泵的時候,其名義工況應為:室外空氣干球溫度-12℃,濕球溫度-14℃(依據(jù):GBT25127.2-2010低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組第2部分:戶用及類似用途的熱泵(冷水)機組)。

  無論是常規(guī)空氣源熱泵還是低溫空氣源熱泵,我們應注意其樣本額定參數(shù)的的標準工況或名義工況,在此基礎上進行修正

         表5:某品牌70KW主機在其它工況下性能一覽

出水溫度55℃

環(huán)境溫度

制熱量

輸入功率

COP

—20℃

35.84W

20.21W

1.77

—15℃

40.62W

20.75W

1.96

—10℃

46.24W

21.31W

2.17

—5℃

52.66W

21.90W

2.4

0℃

59.80W

22.49W

2.66

  有的廠家樣本比較好,給出了室外不同溫度下的實際制熱量,我們可以直接查樣本。比如說表5,供水溫度是55℃,額定制熱量是70KW,而項目當?shù)貙嶋H工況是—10℃,那么我們就可以直接查樣本—10℃環(huán)境溫度下機組的制熱量,即46.24KW。如果樣本查不到,也可以向廠家進行咨詢,這樣是最準確的。

  這里說的是基本耗熱量,忽略了一些修正的耗熱量,比如說冷風附加率、風力附加率、層高附加率、朝向附加率等。