广东某职工宿舍太阳能热水系统设计

摘要：介绍了广东某职工宿舍采用的太阳能与空气源热泵相结合的全日制生活热水系统，分析了该太阳能热水系统的设计计算、设计要点、重要参数取值、空气源热泵的设计计算等主要问题。

关键词：生活热水系统；太阳能；空气源热泵当下，能源紧张、传统能源匮乏是建筑设计领域需要慎重考虑的问题，挖掘可再生能源的应用成为建筑节能的主要举措。为加强建筑节能管理，提高能源利用效率，国家及各地方政府陆续颁布了一系列的相关法令及规定。其中《建筑节能与可再生能源利用通用规范》5.2.1条规定新建建筑应安装太阳能系统，采用太阳能制备生活热水，是有效利用太阳能最简便易行的方法。针对职工宿舍热水需求量高、用水量较均匀等特点，故本工程设计采用太阳能与空气源热泵相结合的生活热水系统，能够有效利用自然资源，以实现节能减排和方便快捷的良好效果，充分体现绿色建筑的核心品质追求［1］。热泵系统在国内已经推广多年，然而工程实际应用还存在较多问题。首先是设备的质量难以满足实际工程需求，其次热水系统多由设备厂家包揽，缺少专业建筑给排水人员参与。本文针对热泵系统的理论计算提出自己的观点，希望对建筑给水排水设计提供借鉴。

1项目概况

广东某职工宿舍项目，位于广东省肇庆市广宁县，宿舍建筑面积4 300 m2，建筑高度20.7 m，地上2～5层为宿舍，共计55个床位，一层为职工食堂及餐厅。本工程热水采用全日制集中供应方式，在屋顶设太阳能集热板、热水箱及空气源热泵等设备，见图1。

2太阳能热水系统计算

2.1平均日耗热量计算

根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019，以下简称“建水标”）6.6.3条计算平均日耗热量（见表1）。

职工宿舍居室内设有卫生间，平均日热水定额取55 L。职工食堂按一日三餐供应，每顾客每次平均日热水定额取10 L，则平均日热水定额取30 L。同日使用率b1按实际情况取值，本项目为职工宿舍，住宿及就餐人员固定，按1取值；年平均冷水温度tmL取值，按“建水标”6.6.3要求：可参照城市当地自来水厂年平均水温值计算。实际设计中，此温度数值很难获得，且相关设计资料也无温度取值参考。本项目水源采用地表水，结合其他城市已设计工程项目经验，建议年平均冷水温度按年平均室外气温减2 ℃取值，tmL取20 ℃。年平均室外气温可参考《建筑给水排水设计手册》（以下简称“手册”）取值。经计算，平均日耗热量Qmd总计为769 815.12 kJ/d，按此数值计算太阳能集热器面积。

2.2集热器面积计算

本项目选择直接太阳能热水系统，根据“建水标”6.6.2条计算集热器总面积：Ajz=Qmd·fbj·Jt·ηj（1-η1）（1）公式（1）中太阳能保证率f，根据“建水标”6.6.3条取值为40%～50%，无法准确计算。建议按“手册”中广州市的参数取值，f取40%。集热器面积补偿系数bj，本项目按水平面布置太阳能集热板，按《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》（GB 50364—2018，以下简称“热水标”）取补偿系数为0.98。平均日太阳能辐照量Jt，按“热水标”取值为12 110 kJ/（m2·d）。年平均集热效率ηj，本项目为集中集热系统，按“建水标”6.6.3条取30%～45%，建议按“建水标”6.6.3条文解释，广州市取0.36。集热系统的热损失η1，按“建水标”6.6.3条取20%。经计算，集热器总面积为90.09 m2，每块集热器面积为2 m2，本项目选45块集热板即可满足要求。

2.3热水箱总有效容积计算

本项目集热水箱和供热水箱合并设置，集热水箱有效容积按“建水标”6.6.5条计算，集热器单位轮廓面积平均日产60 ℃热水量需要根据当地太阳能辐照量、集热面积大小等综合考虑，本项目所在地太阳能属于资源一般地区，按50 L/（m2·d）取值，则集热水箱有效容积为4.5 m3。供热水箱有效容积按“建水标”6.5.11条计算，建议取90 min Qh。设计小时耗热量Qh计算（见表2、3）。

最高日用水定额建议与空气源热泵系统保持一致按下限取值。宿舍Qh1按“建水标”6.4.12计算，食堂内设有洗涤盆3个，食堂Qh2按“建水标”6.4.13计算，宿舍和食堂用水高峰重叠计算设计小时耗热量。Qh总计为235 031.45 kJ/h。供热水箱有效容积按公式（2）计算：Vg=1.5·Qh（tr2-t1）Cρr（2）太阳能供热水箱温度tr2按50 ℃设计，热水温度按50 ℃时取值计算，供热水箱有效容积为2.13 m3，热水箱总有效容积为6.63 m3。

3空气源热泵系统计算

3.1设计小时供热量计算

根据“建水标”6.6.7条计算空气源热泵设计小时供热量（见表4）。

热水定额取最高日用水定额下限值，热泵机组设计工作时间按不设辅助热源取值为12 h。设计小时供热量总计为103 774.09 kJ/h，即空气源热泵制热量为28.8 kW，需核对空气源热泵的额定出水温度，选择合适机型。

3.2空气源热泵贮热水箱计算

根据“建水标”6.6.7条计算贮热水箱有效容积按公式（3）计算：Vr=k1·（Qh-Qg）T1（tr2-t1）Cρr（3）贮热水箱温度按tr2=50 ℃设计，用水均匀性的安全系数k1取1.5，设计小时耗热量持续时间T1取4 h，Qh为235 031.45 kJ/h，Qg为103 774.09 kJ/h，贮热水箱有效容积为4.8 m3。空气源热泵和太阳能共用一座水箱，则水箱总有效容积取大值6.63 m3。

4结论

以上计算过程中所用公式为笔者根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）整体理解并结合其他文献推导出的计算公式，与理论比较吻合。

以上结论仅为个人观点，可供建筑给水排水设计师计算中使用，如有误差，最终以《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）编制组解释为准。

参考文献：

［1］中国建筑设计研究院有限公司.建筑给水排水设计手册（第三版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2018.