空气源热泵卫生热水设备设计方案.docx
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空气源热泵卫生热水设备设计方案
空气源热泵卫生热水设备设计方案
第一章、工程方案设计的简介
一、工程方案设计的主要内容
工程方案设计包括初步方案和施工方案；对于正在洽谈的项目属于售前服务，此时称为初步方案，一般包括文字说明和简易系统原理图；对于成功签定合同的项目属于售中服务，包括施工说明和详细施工图纸、主要设备及材料清单、详细系统原理图等
二、工程方案设计的主要目的
初步工程方案设计的目的是让客户了解产品特点、服务能力及水平、在本工程应用的可行性份分析及能为用户带来怎么样的价值，解决了用户怎么样疑虑；施工方案则是解决初步方案设计思想的实施过程中提供怎么样的依据来确保设计思路的正确实施。
三、工程方案设计的几个要素
工程方案设计要做得有针对性及具有可信度，包括但不限于以下几个要素：
1、用户对卫生热水系统的用水需求及水温需求，也就是说要达到怎么样的效果。
2、项目的使用电源形式（单相或三相）及使用频率。
3、项目所在地极端低温环境温度及水文资料（水质）。
4、项目所用市政自来水压大小（MPa）。
5、项目允许热水设备安装地点。
6、项目使用热水的单位及有无特殊用水定额需求（期望值超过国家一般标准）。
7、项目允许热水设备安装地点。
8、项目投资方可以接受的最高初投资价格。
四、工程方案设计中常见的几个名词解释
1、用水定额—指用水单位在一天中平均所需要使用的某个温度及某种水质下的用水量，这个定额是国家通过长期对相关对象观测后总结的具有高可信度和实用性的用水量（定期根据人民生活水平的提高而进行调整），该定额具有普遍性但不具有绝对性。
2、初水温度—指冷水进水温度，即热泵机组对冷水进行加热时的水温。
3、终水温度—指热泵机组停止加热时的水温，一般指设定温度。
4、平均功率—指热泵机组从初水温度加热到终水温度输入功率总和的小时平均值（热泵机组工作特性随着水温不断增高而输入功率不断变大）
5、最大功率—指热泵机组加热到终水温度时瞬间的输入功率。
五、工程方案设计中常用的能量单位及换算关系
1、单位换算
1kw=1000w=860kcal
1kw=1000w=860kcal
1kcal=4.184kj
2、能量单位（kcal）的定义：
在一个标准大气压下，在水温为4℃时一升的水每升高（或降低）一摄氏度所吸收（或放出）的热量为1kcal
六、工程方案设计中常用系统形式
1、定时供水：
系统结构为热泵机组+加热循环泵+蓄热水箱+外循环增压泵+用水终端管网
系统的特点为蓄满全天的热水用量，以供在供水时段的热水供应，所需水箱容积较大，可供加热的时间较长，控制相对简单，因而初投资也相对较低。
2、不定时供水：
系统结构为热泵机组+加热循环泵+加热水箱+放水电磁阀、恒温泵+蓄热水箱+外循环增压泵+用水终端管网。
系统的特点为蓄水箱只需满足高峰期热水用量，所需水箱容积相对小，加热的时间短而频繁，使用的自控元件多，控制相对复杂，因而初投资也相对较高。
第二章、设备选型
按热水用途可分为生活热水和生产工艺用水。
第一节热水使用定额及用水温度
生活热水的用水量按使用的水温、气候条件、使用情况来确定。
用户可根据使用情况按下列表3-1至表3-3中符合自己特点的情况确定用水定额及用水温度。
表3-1热水集中供应时热水用水定额
序号
建筑物名称
单位
各温度时最高日用水定额（L）
55℃
60℃
1
住宅（每户设淋浴器）
每人每日
60～100
40～70
住宅（每户设带淋浴的浴盘）
每人每日
96～144
66～100
2
集体宿舍
有盥洗室
每人每日
30～42
25～40
有盥洗室和集中浴室
每人每日
42～60
38～55
3
普通旅馆、招待所
有公用盥洗室
每床每日
28～45
25～40
有盥洗室和集中浴室
每床每日
45～70
40～60
设单独卫生间
每床每日
70～120
60～100
4
宾馆客房：
旅客
员工
每床每日
135～180
120～160
每人每日
45-56
40-50
5
医院、疗养院、休养所
有盥洗室
每病床每日
36～72
33～65
有盥洗室和集中浴室
每病床每日
72～144
65～131
设有浴盆的客房
每病床每日
180～240
164～218
6
门诊部、诊疗所
每病人每次
6～10
5～9
7
公共浴室（淋浴）
每顾客每次
60～120
55～109
8
理发室
每顾客每次
6～14
5～13
9
洗衣房
每千克干衣
18～30
16～27
10
公共食堂
营业食堂
每顾客每次
5～7
4～7
工厂、机关、学校、居民食堂
每顾客每次
4～6
3～5
11
幼儿园、托儿所
有住宿
每儿童每日
18～36
16～33
无住宿
每儿童每日
10～18
9～16
12
体育场（运动员淋浴）
每人每次
30
27
表3-2卫生器具每次、每小时用水量
序号
卫生器具名称
每次用水量（L）
每小时用水良（L）
水温（°C）
1
住宅、旅馆
带淋浴的浴盘
150
300
40
不带淋浴的浴盘
125
250
40
淋浴器
70-100
140-200
37-40
洗脸盆、盥洗槽水龙头
3
30
30
洗涤盆
8-10
180
60
妇女卫生盆
10-15
120-180
30
家用洗衣机
40-60
150-360
30-60
2
集体宿舍
淋浴器、有淋浴小间
70-100
210-360
37-40
无淋浴小间
-
450-540
37-40
洗脸盆、盥洗槽水龙头
3-5
50-80
30
妇女卫生盆
10-15
60-90
30
家用洗衣机
40-60
150-360
30-60
3
公共食堂
洗涤盆
-
250
60
洗脸盆：
工作人员用
3
60
30
洗脸盆：
顾客用
3
120
30
淋浴器
40
400
37-40
表3-3卫生器具的给水定额、当量、支管管径和流出水头
序号
卫生器具给水配件名称
额定流量（L/S）
当量
支管管径
流出水头（kPa）
1
住宅、厨房洗涤盆（池）水龙头
一个阀开
0.14
0.7
15
40
二个阀开
0.2
1.0
15
15
普通水龙头
0.2
1.0
15
15
充气水龙头
0.07
0.35
15
按产品要求
2
住宅、厨房洗涤盆（池）水龙头
一个阀开
0.24
1.2
15
20
二个阀开
0.32
1.6
15
20
普通水龙头
0.44
2.2
20
40
3
住宅集中给水龙头
0.3
1.5
20
20
4
洗脸盆（无塞）或洗手池
普通水龙头
0.1
0.5
15
20
充气水龙头
0.07
0.35
15
按产品要求
5
洗脸盆有塞或盥洗槽水龙头
一个阀开
0.16
0.8
15
15
二个阀开
0.2
1.0
15
15
普通水龙头
0.2
1.0
15
15
充气水龙头
0.07
0.35
15
按产品要求
6
浴盆水龙头
一个阀开
0.2
1.0
15
20
二个阀开
0.3
1.5
15
20
一个阀开
0.2
1.0
20
15
二个阀开
0.3
1.5
20
15
7
淋浴器
一个阀开
0.1
0.5
15
25-40
二个阀开
0.15
0.75
15
25-40
单管供水
0.15
0.75
15
25-40
8
家用洗衣机给水龙头
0.24
1.2
15
20
生产用水量和小时变化数由生产工艺确定。
第二节：
热水用量计算
热水用量应按使用人数、卫生器具数及用水定额和使用水温来确定。
1、根据人数及床位数和其热水用水水量定额计算
Qm=m×qr（式3.1）
式中：
Qm——设计日热水用水量（L）；
qr——热水用水定额（见表）；
m——用水计算单位数（人）；
2、根据单位时间每个卫生器具用水定额计算
Qm=Σm×qt×T（式3.2）
式中：
Qm——设计日热水用水量（L）；
qt——热水用水定额（见表3-2，表3-3）；
m——设计使用的卫生器具数量；
T——各卫生器具每日的使用时间。
由于用户在使用热水时对温度的要求不一样，在根据表3-1至表3-3确定了热水用量及使用温度后，如使用温度低于55°C（或60°C）应换算为55°C（或60°C）的热水用量。
Qr=Qm（tm-tl）/（tr-tl）（式3.3）
其中Qr、Qm、tm、tl、tr分别表示55°C（或60°C）的热水用量、使用温度下的热水用量、使用热水的温度、用户当地冬天地表水或地下水温度（见表3-4），配水点热水的温度（通常是55°C或60°C）。
Qr即为设计设备每日的产水量
第三节：
热泵热水机组的产热能力计算及机组的选型
1、确定热泵机组每天的运行时间
传统制热设备（锅炉设备）是有规范可依的，而热泵热水器作为一种新兴制热水产品，其与锅炉设备的制热方式是完全不同的，机组的产热量不能按照锅炉设备那样按小时产热量需满足每小时最大用水量的热量来确定，如果热泵也按照每小时最大用水量来确定机型，选择的机型太大，势必增加了初投资。
就好比如今，市场上的电热水器，有蓄水式和快热式的，蓄水式的需要一个水箱，体积稍大，快热式非常小巧，但它需要非常大的电功率，不仅加大了电网容量，也带来了一些不安全因素，而且设备也很昂贵。
所以，热泵热水设备的选型需根据设计运行时长，用日用水量除上运行时长，就是热
泵每小时要产生的热水量。
设计日产热水量QC=日热水用量Qt/热泵运行时间（式3.4）
热泵每天最佳的运行时长为12小时，但不同的建筑物、不同的系统，热泵设计运行时长不同，
如下表：
表3-4热泵机组每天的运行时间
序号
建筑物名称
热泵机组每天的运行时间（h/天）
备注
1
宾馆客房
三星级以上
≤8
含三星级
三星级以下
＜10，＞8
不含三星级
2
一般旅馆
＜12，≥8
3
住宅
≥10
4
学校（工厂宿舍）
≥12
5
医院
≤12，≥8
2、确定热泵机组产热量
以产水量确定热泵机组产热量。
A.管网存在的热损失
管道的热损失与管径、管道长度、保温情况、环境与热水的的温差有关。
Qg=Σ（1-η）ΔQL（式3.5）
Qg—管网的热损失。
η—保温系数，未保温时η=0，简单保温η=0.6，保温良好η=0.8。
ΔQ—未保温热水管段的热损失，W/m。
L—管道的长度
表3-5管道环境气温
管道周边环境
Tk
采暖房间明管敷设
18-20
采暖房间暗管敷设
30
未采暖房间吊顶敷设
当地室外平均气温
未采暖房间地下室内敷设
5-10
室内地下管沟敷设
35
表3-6未保温钢管管段热损失（W/m）
温差（mm）
配水管径（mm）
DN15
DN20
DN25
DN32
DN40
DN50
DN65
DN80
DN100
30
23.9
30.0
37.8
47.5
54.2
67.5
85.0
99.7
128.3
32
25.6
32.2
40.3
50.8
57.8
71.9
90.6
106.4
136.9
34
27.2
34.2
42.8
53.9
61.4
76.4
96.4
113.1
145.6
36
28.6
36.1
45.3
57.2
65
81.1
101.9
119.4
153.9
38
30.3
38.1
47.8
60.3
68.6
85.6
107.8
126.1
162.5
40
31.9
40.3
50.3
63.6
72.2
90.0
113.3
132.8
171.1
42
33.6
42.2
52.8
66.7
75.8
94.4
118.9
139.4
179.7
44
35.0
44.2
55.3
70.0
79.4
99.2
124.7
146.1
188.3
46
36.7
46.1
57.8
73.1
83.1
103.6
130.3
152.8
196.7
48
38.3
48.3
60.3
76.1
86.7
108.1
136.1
159.4
205.3
50
40.0
50.3
62.8
79.4
90.3
112.5
113.9
166.1
213.9
注：
温差为管段的平均水温与管道的环境气温之差
B.计算机组在额定的工况下总的产热量：
热泵产热原理及特性决定了在不同进水温度和不同环境条件下其制热能力下是不同的。
Qe=QC/（3.6C（t2-t1））+Qg（式3.6）
Qe-在额定的工况下机组总的产热量，kW。
QC-设计日产热水量，按（式3.4）
C-水的比热，C=4.1868KJ/（kg.°C）
t2-额定工况下热水终止加热的温度，t2=55°C
t1-额定工况下初始进水的温度，t1=按用户当地常年最低水温
Qg-管网的热损失，W，见式3.5
C、热泵热水产热量的修正
根据热泵产热原理及特性，它的小时产热量是随工况变化而变化的，室外湿球温度越低，产热量越低，而地域不同，室外湿球温度不同。
所以在选型时要对产热量进行修正。
选型时应以最恶劣工况下的产热量选择机型。
a）Qj=KQj（式3.7）
Qj-最后选定的机组总的产热量，kW。
K-各湿球温度下制热量修正系数，见表3-5或表3-6。
Qe-在额定的工况下机组总的产热量，kW，见式3.6。
然后查产品样本资料上的制热能力选择合适的机型，热水系统供热量大于20KW的宜选择2台或2台以上。
一台检修时，其余各台的总供热量不得小于设计产热量的50%。
各湿球温度的修正值如下表：
表3-5根据室外环境湿球温度主机制热量及输入功率修正系数
序号
室外湿球温度℃
制热量修正系数
主机输入功率修正系数
1
-7
0.465
0.592
2
-6
0.495
0.6
3
-5
0.52
0.61
4
-4
0.545
0.62
5
-3
0.57
0.63
6
-2
0.595
0.64
7
-1
0.62
0.65
8
0
0.648
0.669
9
1
0.673
0.7
10
2
0.698
0.733
11
3
0.723
0.765
12
4
0.748
0.7976
13
5
0.773
0.83
14
6
0.799
0.862
15
7
0.822
0.878
16
8
0.845
0.8955
17
9
0.868
0.912
18
10
0.891
0.929
19
11
0.912
0.943
20
12
0.934
0.957
21
13
0.956
0.971
22
14
0.978
0.985
23
15.5
1
1
24
18.5
1.059
1.059
表3-5常见地区产热量修正值
序号
城市
室外湿球温度℃
制热量修正系数
1
广州、南宁
1.3
0.69
2
海口
5.6
0.79
3
湛江
3.1
0.725
4
香港、深圳
4.6
0.77
5
福州
2.4
0.7
6
厦门
3.9
0.747
7
南昌
-2
0.595
8
合肥
-5.5
0.5
9
长沙
-5.4
0.5
表3-6冷水计算温度
冷水计算温度,应以当地最冷月平均水温资料确定,当无水温资料时,按下表采用
序号
地区
地表水温度
（℃）
地下水温度
（℃）
1
黑龙江、吉林、内蒙古全部,辽宁大部分,河北、山西、陕西偏北部分,宁夏偏东部分
4
6-10
2
北京、天津、山东全部、河北、山西、陕西
大部分，河北北部，甘肃、宁夏、辽宁的南部，青海偏东和江苏偏北一小部分
4
10～15
3
上海、浙江全部，江西、安徽、江苏的大部分，福建北部，湖南、湖北东部，河南南部
5
15～20
4
广东、台湾全部，广西大部分，福建、云南的南部
10～15
20
5
重庆、贵州全部，四川、云南的大部分，湖南、湖北西部，陕西和甘肃秦岭以南地区，广西偏北一小部分
7
15～20
第四节：
水箱容积的确定及选型
一、水箱容积的计算
由于单位时间的用水水量的不确定特性，确定水箱容积是没有精确的计算公式的，但水箱容积的确定是非常重要的环节，是热水系统是否节能、初投资是否合理的决定因素之一，须结合主机选型、系统形式、用水方式来综合确定。
在下一章详细介绍了系统形式。
1.1.蓄热直接循环系统（不定时供水）
水箱容积=日总用水量-恶劣工况机组产水量×4h
1.2蓄热直接循环系统（定时供水）
A、定时时间在4小时以上（用水时间段内机组运行）
水箱容积=日总用水量-恶劣工况机组产水量×定时时长
B、定时时间在4小时以下（用水时间段内机组不运行）
水箱容积=日总用水量
注：
4小时是连续用水时间
1.3加热与蓄热分离系统
A、加热箱的容积：
小于机组小时产热水量，大于机组30分钟产热水量
B、蓄热箱的容积=日总用水量-恶劣工况机组产水量×4h-加热箱容积
二、水箱的型式及选择
1、水箱的形式
1.1水箱的形状：
常用水箱形状有圆形、方形、矩形、和球形，特殊情况下，也可根据具体条件设计成其它任意形状。
1.1.1圆形水箱结构合理，节省材料，造价比较低，但有时布置不方便，占地较大。
1.1.2方形和矩形水箱布置方便，占地面积小，但大型水箱结构较复杂，材料耗量较大，造价比较高，钢板水箱把加强肋放在水箱内部，则清洗困难，不利于防腐，而且加工也不方便。
1.1.3、球形水箱造形美观大方，目前已成功地生产1-100m³容量的球形玻璃钢水箱。
2、水箱材料：
2.1金属材料：
大小水箱均可使用，重量较轻，施工安装方便。
但易锈蚀，维护工作量较大，造价较高。
一般采用碳素钢板焊接而成。
2.2碳钢水箱内表示必须进行防腐处理，对于生活用水箱，防腐材料不得有碍卫生要求。
在有条件时，采用不锈钢、铜、铝等材料或复合材料较为理想。
2.3钢筋混凝土材料：
适用大型水箱，经久耐用，维护简单，造价低。
但重量大，与管道连接处理不好，易漏水。
2.4其它材料：
一些新兴材料，如塑料、玻璃饮等到均可用作水箱材料，具有很多优点，如耐腐蚀、重量轻、安装维护简单便等。
但造价比较高。
注：
蓄热水箱是由内胆和外板二层钢板制作，中间夹50mm聚胺脂发泡保温材料，内胆为全不锈钢板制作，外板均可用不锈钢、彩钢板、铝板及镀锌板，但只有外板为不锈钢才能整体发泡（保温材料）。
外板也可以用混凝土代替。
水箱根据形状不同可分为圆形和方形，一般20m3以上为卧式，12m3以下为立式，在价格上立式比卧式便宜150元每立方米容量。
3.承压式水箱和自由液面水箱
3.1承压式水箱，利用密闭水箱具有一定容积和水箱内空气的可压缩性，从而实现蓄水和可按进水管网压力供给热水，水箱的容量为一定，不能调节。
通过进水管网的压力供给热水，不需要供水循环泵。
目前承压水箱的承压设计为≤0.7MPa。
型式多为圆柱型并使用不锈钢做材料。
3.2自由液面水箱，水箱顶部有通气管与大气连通，可通过浮球阀调节其存水量。
需通过水箱与配水点的高度差或加压循环泵给水。
二、水箱的选择
1.日用水量在15m3以内，建筑物较低，配水点较少的用户可选择承压式水箱。
其水系统为加热箱和蓄热箱合一，无须循环供水泵，系统简单可靠。
运行成本低。
2.日用水量在15m3以上的用户可选择自由液面水箱，工程成本、安装场地允许的情况下应尽量选择不锈钢做材料的圆柱型水箱。
其结构合理，节省材料，造价比较低。
3.大型水箱可用钢筋混凝土作材料，但要注意保温设计和防渗漏处理。
第五节水泵、管材选型管材
一、循环泵的确定
热水给水系统中外循环水泵的选择，是根据计算后所确定的水泵流量和相应于该流量下所需的压力二个参数确定。
一般选用离心式管道热水泵。
1、加热循环水泵
1.1、水量：
查表2—1上的额定水流量。
1.2、扬程：
查表2—1机组的水侧阻力，再加上管道的阻力。
设计时，内循环管道总长最好不超过6m,所以可以估算内循环水泵扬程，一般取8-12m。
2、外循环水泵
2.1、加压水泵
2.1.1、计算秒流量（可查《建筑给水排水设计手则》得到）：
Qg=α·0.2
＋KNg式4-5-1
式中Qg——计算管段的热水设计秒流量（L/S）；
Ng——计算管段的热水给水配件的当量总数（查《建筑给水排水设计手则》）；
α、K——根据建筑物用途而定的系数。
2.1.2、确定扬程：
沿程阻力计算公式：
hf=
式4-5-2
局部阻力计算公式：
式4-5-3
式中：
——管长；d——管径；
v——断面平均流速；g——重力加速度；
λ——沿程阻力系数（可查表得到）；
——局部阻力系数（可查表得到）。
总水头损失（水泵只需克服最不利点的最不利环路阻力）：
H=h1＋h2＋h3＋h4
h1——出水龙头的压出水头（一般按2m计）；
h2——沿程阻力（可按100m水管按5-8m扬程估算）；
h3——局部阻力（可按沿程阻力的25-30%估算，最不利环路较短时按沿程阻力的40-60%估算）；
h4——水泵到最高用水点的几何高度（闭式系统和靠水重力供水的系统不计几何高度）；
表4-1镀锌钢管内水流量和单位长度阻力损失
钢管公称直径（mm）
流量m3/h
沿程阻力（kPa/100m）
15
0-0.05
0-60
20
0.45-1.2
10-60
25
0-2
0-43
32
2-4
11-40
40
3-5
10-40
50
5-10
10-40
65
8-16
10-40
80
15-30
10-40
100
30-60
10-40
2.2、回水泵
回水泵的作用是管网的恒温，主要是从系统节能角度考虑而设计；一般给水增压泵的输入功率都比较大，而热水系统管网在用水量少或不用时，管网存水水温会下降，此时如果用给水增压泵作回水恒温作用，运行费用就会大增；而回水泵所需流量小，低杨程，所以输入功率小，相应运行费用就会少。
2.2.1、流量
系统确定了回水管道的管径后，得到回水管的流速，再计算出系统管网内的可存水体积，然后可根据公式Q=V·m
Q——流量；V——流速；m——管道的截面积。
2.2.2、扬程
计算回水管网的局部阻力和沿程阻
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