燃气中央热水供应系统的设计计算和应用

张 佳, 沈 威

(深圳市燃气集团股份有限公司, 广东 深圳 18049)

1 概述

随着智慧城市建设的推进和智能型商业综合体的兴起,燃气中央热水供应系统已逐渐成为生活中必不可少的一部分。与分布式小型快速热水器相比,燃气中央热水供应系统具有节约能源的优势,是更加智能、安全、节能且能全天候供应热水的中央热水供应系统(简称中央热水系统)[1]。如今用户对热水的要求越来越高,在水温、水压、水流量、安全性能、节能环保等方面都需要满足最佳的用水体验,这给燃气中央热水系统的发展提供了更多空间。

燃气中央热水系统应用场景丰富,有酒店、医院、学校、公寓等多种应用场景,根据项目规模,可以通过多机并联的形式满足热水需求。目前,研究较多的是太阳能中央热水系统[2-4]以及空气源热泵中央热水系统[5],而燃气中央热水系统少有文献报道。

本文考察了5家相似酒店的平均热水流量,进行分段拟合,得出一天内的热水流量曲线,结合积分关系,计算了目标酒店设计小时热水量,据此设计了适用于目标酒店的储水式燃气中央热水系统。

2 燃气中央热水系统

2.1 分类

燃气中央热水系统有3种形式:即热式、储水式、复合式。即热式燃气中央热水系统适用于用水总量不大且用水范围较集中或安装场地较小甚至无法安装贮热水箱的场景。储水式燃气中央热水系统适用于用水总量较大、用水范围较分散、可以安装贮热水箱的场景。复合式燃气中央热水系统中,燃气可与多种能源组合使用。即热式燃气中央热水系统见图1,储水式燃气中央热水系统见图2,复合式燃气中央热水系统见图3。

图1 即热式燃气中央热水系统

图2 储水式燃气中央热水系统

图3 复合式燃气中央热水系统

本文主要分析储水式燃气中央热水系统,该系统不仅节能,而且能够满足热水用量大、热水用量随时间波动性强的情况。

2.2 储水式燃气中央热水系统工作原理

储水式燃气中央热水系统是由燃气热水器、内循环泵、贮热水箱、外循环泵、管道等组成。储水式燃气中央热水系统三维模型见图4。工作原理为:贮热水箱内的温度传感器时刻测量热水的温度,当热水温度低于60 ℃时,内循环泵启动,同时燃气热水器启动,回水经燃气热水器加热至设定温度输送至贮热水箱,直至贮热水箱内的水温达到60 ℃,停止加热。贮热水箱的水从热水总管流出,流经用户端的热水分管供给用户或者循环。热水分管内热水一直保持在一定温度(例如45 ℃),当热水分管的水温低于40 ℃时,系统自动开启外循环泵,回水输送回贮热水箱。当回水温度传感器测得的回水温度高于45 ℃时,外循环泵自动关闭。当贮热水箱水位低于设定值时,补水电磁阀自动开启,冷水从冷水总管进入燃气热水器进行加热后进入贮热水箱,达到贮热水箱设定水位后停止补水。

图4 储水式燃气中央热水系统三维模型

2.3 系统优势

相较于太阳能系统受光照以及场地影响、空气源热泵系统受环境温度影响,燃气中央热水系统几乎不受任何环境因素的干扰。燃气中央热水系统可以应对用水高峰期、冬季、雨季、夜间热水供应不足的问题,以及等待热水时间较长而水温、水量、水压不稳定的问题,避免了热源设备的热效率逐年递减的问题,同时可以降低投资和运维成本。

2.4 供热热源设备

供热热源设备采用燃气热水器,出水温度可在40～85 ℃范围内调节。

3 耗热量和热水量计算

依据GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》第6.4.1条,设计小时耗热量计算式为:

(1)

式中Φ——设计小时耗热量,kW

Kh——小时变化系数

m——用水人员数量,人

qr——热水用水定额,L/(人·d)

c——水的比热容,kJ/(kg·K),取4.187 kJ/(kg·K)

θr——热水温度,℃

θL——冷水温度,℃

ρr——热水密度,kg/L

td——每日使用时间,h

Cr——热水供应系统的热损失系数,取1.10～1.15

设计日热水量即最大日热水量计算式为:

qd=mqr

(2)

式中qd——设计日热水量,L/d

对24 h供热水情况小时变化系数计算式为:

(3)

式中qh——设计小时热水量,L/h

4 项目方案设计

4.1 项目概况

深圳市某酒店有客房150间,满员入住容纳300人,建筑高8层。根据GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》,热水用水定额qr为120～160 L/(人·d),本文取120 L/(人·d),m取300 人。根据式(2)计算得出目标酒店设计日热水量为36 000 L/d。为了分析该目标酒店一天内热水流量随时间变化的关系,考察并实测了5家相似酒店的热水流量,这5家酒店平均热水流量见图5,考察酒店平均热水流量曲线呈M形,早晚是用水高峰,白天为谷,夜晚到凌晨用水最少。

图5 5家酒店平均热水流量曲线

常规设计中,认为每小时内热水流量恒定,即一天有24个热水流量。本文考虑到实际情况,每小时内热水流量是变化的,即一天内有许多个热水流量。

4.2 数据处理

对图5曲线进行分段拟合,用Excel软件自带的曲线拟合工具进行拟合。在0～7 h范围内,拟合曲线R2为0.982 6,表示拟合效果良好。0～7 h考察酒店平均热水流量拟合曲线(记为曲线1)见图6。平均热水流量拟合关系式为:

图6 0～7 h平均热水流量拟合曲线

q=3.886 9t2-9.434 5t+97.375, 0≤t≤7

(4)

式中q——0～7 h平均热水流量,L/h

t——时间,h

在7～20 h范围内,拟合曲线R2为0.920 1,表示拟合效果良好。7～20 h平均热水流量拟合曲线(记为曲线2)见图7。平均热水流量拟合关系式为:

图7 7～20 h平均热水流量拟合曲线

q=0.878 4t2-24.896t+345.15, 7≤t≤20

(5)

在20～24 h范围内,拟合曲线R2为0.981 0,表示拟合效果良好。20～24 h平均热水流量拟合曲线(记为曲线3)见图8。平均热水流量拟合关系式为:

图8 20～24 h平均热水流量拟合曲线

q=-2.428 6t2+80.257t-431.17, 20≤t≤24

(6)

计算可得曲线1与曲线2交点、曲线2与曲线3交点的横坐标分别为6.862 3、20.168 8,计算中将曲线适当外延。由于目标酒店和考察酒店用热水情况相似,因此认为目标酒店的热水流量曲线和5家酒店平均热水流量曲线是相似形。因此,目标酒店热水流量qa可以表示为考察酒店平均热水流量q的β倍,见式(7):

(7)

对式(7)积分可得目标酒店全天热水使用量表达关系式,见式(8):

(8)

式中V0——目标酒店全天热水使用量,L

目标酒店全天热水使用量为36 000 L,令式(8)中V0=36 000 L,可求出β为9.3。

将β代入式(7),得到目标酒店热水流量计算式为:

(9)

目标酒店瞬时热水流量曲线见图9。

图9 目标酒店瞬时热水流量

下面计算最大小时热水量,小时热水量是指在时间间隔1 h内所供应热水的平均流量。由图9,可观察到,最大小时热水使用量发生在6.862 3 h或20.168 8 h左右,记上午最大小时热水量发生的时间区间为[a,b],那么6.862 3∈[a,b],上午最大小时热水使用量的计算式为:

(10)

式中V1——上午最大小时热水使用量,L

a——上午最大小时热水量发生区间的左端点,h

b——上午最大小时热水量发生区间的右端点,h

限制条件为式(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)变形为:

(16)

将式(11)代入式(16),整理得:

(17)

式(17)整理得到关于a的表达式:

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

(18)

求导:

(19)

同理可得,下午最大小时热水使用量为1 836 L,发生在时间区间[19.55,20.55] h。因此。设计小时热水量qh取上午最大小时热水量相应的流量,即1 961 L/h。

4.3 系统设计

根据上述数据,酒店的高峰用热水时间段为6:38—7:38,设计小时热水量Vh为1 961 L/h。酒店设计日热水量为36 000 L/d。根据式(3)计算得出小时变化系数Kh为1.31,小于GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》的规定值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)可得出设计小时耗热量Φ为114.9 kW。

本项目热源设备采用3台额定热负荷为62.3 kW的燃气热水器,2台工作,1台备用。设计小时热水量Vh为1 961 L/h,选择2 m3贮热水箱。

4.4 热水供应系统

热水供应系统见图10,包括3台燃气热水器、1台容积为2 m3的贮热水箱以及电控系统、温感系统。

图10 热水供应系统

5 结论

① 考察5家相似酒店的平均热水流量,早晚是用水高峰,白天为谷,夜晚到凌晨热水流量最小。进行分段拟合,得到了目标酒店热水流量曲线呈M形。

② 考虑到设计小时热水量不一定发生在整小时内,根据热水流量曲线,结合积分关系,得到设计小时热水量,其涉及的时间范围可能跨整小时,提高了热水供应系统的保障能力。

③ 根据计算得出的设计小时热水量对目标酒店的热水供应系统进行了设计,证明储水式燃气中央热水系统在商业领域具有一定的推广应用价值。