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1、农业工程学院毕 业 论 文浅层地热能在热水系统中的利用初探及其工程设计姓 名 院（系） 机电工程学院专业班级 热能与动力工程042班学 号 指导教师 职 称 副教授论文答辩日期 2008年 5 月 28 日农业工程学院教务处制学生承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师的悉心指导下独立进行研究所得的成果。除了文中已用特别标志加以标记的引述内容之外，本论文不含有任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果。对本文研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中的致谢部分里面以明确的方式标明。本人完全可对本论文研究的真实性负责。 签名： 日期：摘 要随着生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高
2、，集中生活热水系统在许多)公共建筑中越来越普及。集中生活热水系统作为公共住宅建筑的能耗大户，方案的选择与设计对建筑节能尤为重要。本着“节能、经济、舒适、环保”的原则，本文初步探讨了浅层地热能在集中生活热水系统中应用的技术可行性和节能效果，并以农业工程学院白云新校区学生公寓A栋为对象，完成其地源热泵集中生活热水系统工程设计。本设计的内容主要包括：热水量与耗热量的计算，热水系统整体方案研究和设计，室内热水供、配水子系统设计计算，室外吸热子系统设计，主要设备计算与选型，系统能耗分析，简单控制方案。通过在新校区学生公寓的设计计算，理论上验证其在集中热水系统中是一种可行的节能的方案。充分显示了它在节能方
3、面的优势，能耗系数达到3.3左右，是建筑降耗的重要方式之一。关键词：浅层地热能 地源热泵 热泵热水 集中生活热水系统 目 录1 浅层地热能在集中生活热水系统应用探讨11.1 引言11.2 浅层地热能介绍11.2.1 浅层地热利用原理11.2.2 浅层地热热水系统的特点21.2.3 地热能采集方式的分类31.2.4 地源热泵存在的问题与对策41.2.5 国内地源热泵的应用与发展52 工程概况及方案的确定52.1 学生公寓工程概况52.2 学生公寓热水系统方案的确定63 生活热水设计标准与相关参数计算63.1 广州高校学生公寓热水系统使用特点63.2 生活热水设计标准73.2.1 热水用水定额73
4、.2.2 热水水温的确定73.2.3 热水水质73.3 热水量、耗热量的计算73.3.1 热水供应时间方案的确定73.3.2 热水量的计算83.3.3 耗热量的计算84 集中热水系统方案设计94.1 热水贮存方案的选择94.1.1 热水贮存方式的分类94.1.2 热水贮存方案的确定104.2 热水循环方式的选择104.2.1 热水循环方式的分类114.2.2 热水循环方案的确定114.3 热水配水系统给水方式的选择114.4 整体方案示意图及工作原理125 室内热水供、配水子系统设计计算145.1 室内管网分区方案145.2 室内管网布置敷设与保温145.2.1 管网布置与敷设要点145.2.
5、2 系统保温155.3 室内管网的水力计算165.3.1 室内管网布置方案与读图说明165.3.2 水力计算步骤175.3.3 配水管网和循环管网布置图175.3.4 配水管网的水力计算185.3.5 配水管网水力计算结果汇总215.3.6 循环管网水力计算225.3.7 循环管网水力计算结果汇总236 室内系统设备选型246.1 地源热泵主机246.1.1 地源热泵主机运行参数246.1.2 地源热泵主机选型256.1.3 主机实际运行时间计算2662 蓄热水箱选型2663 水处理器选型2664 水泵选型设计276.4.1 补水动力设计276.4.2 供水泵选型276.4.3 配水动力设计2
6、96.4.4 循环动力设计307 室外吸热子系统设计307.1 室外地下吸热系统负荷计算307.2 地下热交换器设计317.2.1 选择埋管形式317.2.2 地下埋管系统环路方式327.2.3 确定竖井埋管深度337.2.4 选择管材和确定管径337.2.5 确定换热器管间距347.2.6 确定竖井数目347.2.7 室外地下埋地管网布置357.3 地下管网水力计算357.3.1 地下管网沿程阻力损失357.3.2 地下管网承压能力校核377.4 地下管网敷设与竖井灌浆388 室外系统设备选型388.1 水处理器选型398.2 埋地管循环水泵选型399 控制方案与计费409.1 运行控制40
7、9.2 计费系统409.3 能耗分析与水费409.3.1 系统用电功率统计419.3.2 耗能计算与经济性分析419.3.3 能耗系数计算与能效比分析419.3.3 其它制热方案费用4210 总结4211 设计说明书43111 工程概况43112 设计依据43113 设计参数43114 室内热水系统设计44115 系统分区与管道布置44116 室内主要设备的选型44117 室外埋地管系统设计45118 室外系统主要设备选型45119 简单运行与控制451110 能耗分析451111 主要设备选型参数45参 考 文 献47Abstract48附录49致 谢50农业工程学院毕业论文(设计)成绩评定
8、表511 浅层地热能在集中生活热水系统应用探讨1.1 引言随着生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高，集中生活热水系统在许多高档小区和公共建筑中越来越普及了。为适应新形势的发展要求，许多新建的高校学生公寓都提供集中热水供应。在集中热水系统普及的同时，合理选择系统方案显得越来越重要，因为生活热水供应是建筑的能耗大户之一，根据估算，为满足全国城镇居民生活热水供应(日人均耗用热水2535升/日)，一年约要耗用相当于1750亿到2450亿度电的能量1。而集中热水系统设计运行年限都很长，一旦方案确定，其能耗都比较稳定了，系统方案对建筑能耗的影响就更大了。因此，学生公寓如果在规划建设前期合理地选择系
9、统方案，不但能减轻学校的投入，也能减轻学生的负担。目前，集中生活热水系统的热源主要有：太阳能供热、锅炉供热、电热供热、热泵供热和热电联供。广东地区日照较少，在我国属太阳总辐射照度较少的地区之一，年日照百分率只有35502。尤其在需热量较大的冬季，太阳能反而偏低，需要其它热源补充热量，不适合广东高校。而锅炉供热、电热供热的能效比不高，一般低于1，热电联供则需要有电厂而限制了其应用。利用浅层地热能的地源热泵供应热水的集中生活热水系统方案，是不是一个合理的方案？本设计将从节能、经济、环保、适用等原则出发，以新校区学生公寓为工程实例，结合广东气候特点、综合投资收益、能源利用效益、收费方案等方面分析考虑
10、，初步探讨浅层地热能在集中热水系统的利用。1.2 浅层地热能介绍1.2.1 浅层地热利用原理浅层地热能是地球在接受了太阳的辐射后，在地球浅层蕴藏着一定的热能。浅层地热能是地球热能的重要组成部分，是目前地热能利用的主要形式。浅层地热能的温度略高于当地平均气温353，全年温度相对比较稳定，波动性小，一般为10254。据参考文献5介绍，广州市年平均气温21.8，极端最低气温0，极端最高气温38.7。地下4米深处，土壤温度最高25左右，最低l7左右；地下7米深处，土壤温度最高23左右，最低21左右；地下lO米深处，全年土壤温度基本稳定在22左右，温度变化不超过05。热泵浅层地热能的利用，主要是通过热泵
11、技术的热交换方式，将赋存于地层中的低位热源转化为可以利用的高位热源，既可以供热，又可以制冷。其原理是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位电能，利用埋藏于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部进行热交换，实现低品位热能向高品位转移，从而达到制冷或供热的目的。根据地热能交换形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统2。1.2.2 浅层地热热水系统的特点地源热泵由于节能、环保、经济的特点引起了人们的关注，越来越多的暖通工程都采用了地源热泵技术。目前，地源热泵在空调系统的工程应用比较成熟，应用于生活热水系统中在国内比较少，但其潜
12、力是非常大的。相对于传统供热方式，浅层地热能在供热方面主要有以下特点：1、高效节能。目前，传统热水系统的热源主要有：煤、电力、煤气、天然气、和燃油等，用这些能源直接加热冷水，这些热源设备热效率都不高，一般是投入的能量多，而产出的热量少一些，它们的热效率都恒少于1，即使是电加热，其热效率也只能达到95%98%。而地源热泵由于利用浅层地热能温度的稳定性，通过输入少量的高品位电能实现低品位热能向高品位转移，使得地源热泵的制热性能系数较高，约为22326。热水系统的热效率越高，说明其越能以尽可能少的有用功来利用环境的低品位热能，这样就越节能，对于当前一个处于能源危机的世界来说，节能的意义重大。2、经济
13、。衡量一个热水系统方案是否经济，由多方面因素来决定，浅层地热能热水系统作为经济的集中供热方式，其经济性主要体现在以下几个方面：运行费用低。不同热源运用费用比较如表1所示。表1 不同热源运行费用7 热源名参数 参数值电天然气地源热泵热值效率9065%30%实际热值单价运行费用（元）31141472934备注：假设以1000kg15的冷水加热至55的热水，需要168192KJ的热量为例。实际热值=热值热效率从表1我们可以看出，地源热泵的运行费用远低于其它热源，如果地源热泵热水系统再利用低价谷电，其平均运行费用就更少了。运行附加费用低。地源热泵不仅运行费用低，其运行附加费用有很多优势。首先，地源热泵
14、由于不需要燃料作为热源，也就不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等。其次，检修周期长，地源热泵系统的运动部件少，磨损也少，平时无需任何检修，这将会为运作省下费用。此外，地源热泵系统的控制方便，自动化程度高，管理人员与劳动强度均可减少，节省工资开支。节省空间。由于地源热泵供热系统的管路系统多数都铺设在室外的地面以下，隐藏安装，室内的设备相对较少，这就减少了室内面积和有效空间的占用，从而节省费用。总投资省。由于地源热泵系统需要在室外地面铺设管网，增加了较多的费用，其初投资较其它供热方式多。但是根据对美国七个不同地区2184台热泵系统的调查表明8，热泵系统设备的寿命期从1年到24年不等，平均寿命在
15、184年左右，较燃气（油）热水器寿命长，这就大大提高了初投资的利用率。同时，由于地源热泵系统的节能，对环境污染少等优势，许多国家政府都加大了地源热泵系统开发利用的扶持力度，出台了许多优惠补助政策和技术指导，产业化规模的不断加大，生产厂家和集成商的逐渐增多，市场竞争逐渐加剧，地源热泵系统的初投资还会进一步降低。总之，综合考虑各种因素的影响，尽管地源热泵系统初投资相对较多，但综合考虑各个方面，它在经济性还是非常有优势的，是一种经济省钱的供热方式。3、环保1。由于地源热泵系统中热源仅用少量的电能和环境中的热量，根本不用燃油、燃气、燃煤或液化石油气等矿物燃料，工作过程中没有燃烧生成物，没有任何有毒气体
16、、温室气体和酸雨气体排放，没有废热污染，也没有燃气热水器一氧化碳中毒等安全隐患。其制冷剂采用环保工质，不含氟里昂，对臭氧层零污染，对地球的温室效应无任何影响，热泵机组的运行也没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，不会破坏周围环境的生态，具有良好的社会环保效益。此外，利用浅层地热作为热源的热水系统还有安全性高，可靠性高等优点。是非常不错的供热方式。1.2.3 地热能采集方式的分类地热能采集方式共有以下三种形式9：1、土壤热交换器地源热泵。土壤热交换器地源热泵包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热
17、交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑物内的水环路相连接。水等工作液体在封闭的土壤耦合地热交换器管内循环流动，通过管壁与管外土壤进行热量交换。2、地下水地源热泵。地下水地源热泵系统分为两种，一种通常被称为开式系统，另一种则为闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到每台热泵机组换热器，吸（放）热之后将井水回灌。在闭式地下水地源热泵系统中，地下水和建筑内循环水之间是用板式换热器分开并进行换热的。3、地表水地源热泵。地表水地源热泵由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地表水热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中，不同之处是管内循环工作液体与管外地
18、表水通过管壁进行热量交换；也有用江、湖、海等地表水代替地下水，形式类似于地下水地源热泵的。1.2.4 地源热泵存在的问题与对策地源热泵技术和浅层地热能的开发利用，虽然在我国取得了明显成效，但由于发展时间短，总体上还处于起步阶段，地区发展很不平衡，存在的一些问题也日益显现，需要我们认真研究和解决，否则将直接影响着浅层地热资源的科学开发和持续利用。问题主要表现在这几方面：首先，技术研发水平不高。浅层地热能利用涉及土壤学、传热传质学、建筑材料学、钻井技术、热泵技术等多个学科，影响因素众多。其中的关键技术是地下换热器的优化设计、土壤热性能研究、回填材料的研发和热泵系统的合理配置。我国在这方面的研发技术
19、还没有达到成熟，适合我国特点并满足不同要求的地源热泵系列产品有待积极开发。在技术研发方面我们还需努力。其次，室外管网施工技术不够成熟。地源热泵的室外管网施工比较复杂，需要对施工现场的地质，水文等多方面勘查才能动工。目前，专业的施工队伍还是比较少的，打井技术没有外国成熟，因为室外管网施工是地源热泵初投资大的主要因素，如果室外管网施工技术能够提高，这将大大减少初投资，非常有利于地源热泵的发展。再次，地源热泵产品技术水平偏低。由于地源热泵技术在我国起步较晚，设备研究和开发能力与国外相比还是有一定的差距。近年来，随着地源热泵应用的增多，相关的研发中心也开始成立，生产厂家也与研究所或技术中心密切联系，设
20、备的性能有了较大的进步，生产水平也有了提高，但产品研发和生产商还需要继续努力，生产出质高价优的产品。最后，国家及各级政府缺少必要的扶持政策及制定相关的技术标准、规范。地源热泵是一项节能环保的技术，有着很好的社会效益。但国家及各级政府扶持力度跟不上，使得这项技术发展得缓慢。同时，相关技术标准、规范也不够完善，不利于提高地源热泵开发利用水平。针对以上问题，为促进浅层地热能资源的合理开发利用，政府和科研部门需要在制定相关的技术标准和规范、出台相关优惠政策、激励浅层地热能资源的开发利用等方面努力，推动示范工程的建设，促进地源热泵技术的推广。产品生产商需提高热泵产品的生产水平，提供质高价优的产品。工程设
21、计和施工人员也需提高自身水平，设计和施工出合格的工程。总之，地源热泵技术的发展，需要社会各方面的人员花共同努力。1.2.5 国内地源热泵的应用与发展我国对地源热泵的研究和应用较晚，20世纪50年代，天津大学的热能研究所最早开展了热泵方面的研究工作，并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机组。而对土壤源热泵的研究始于20世纪80年代，国内的科研工作者相继展开地源热泵的研究和试验工作，各种试验研究工作主要由各大学进行。尽管起步较晚，但地源热泵的发展势头很好，地源热泵发展已列入国家新能源和可再生能源产业发展十五规划。目前，我国已建成的大型地源热泵工程实例有：被美国商业周刊评选为2006年中国十
22、大新建筑奇迹之一的北京万国城MOMA，该项目空调系统垂直埋管的土壤换热器数量为635个，孔深1OO米，土壤换热器全部布置在建筑物地下二层车库的下面10。此项目不仅为国内土壤换热器埋置在建筑物下面的地源热泵系统的设计与施工开创了先河，而且在国际上也具有领先优势。还有北京嘉和园国际公寓、宁波服装厂厂房楼、广州松田学院教学主楼三处示范性工程，在全国各地还有许多建成或在建的工程，特别是在游泳池、温泉、企事业单位集体宿舍生活热水等领域，地源热泵越来越受欢迎。它们的成功应用和推广很好地证明了其节能、安全、环保的优点。2 工程概况及方案的确定2.1 学生公寓工程概况新校区A栋学生公寓，位于广州市白云区，总建
23、筑面积约为18710m2，高19.8m。公寓共六层，首层作为饭堂、商店、副食店、书店等功能使用，并预留有较多空间，可以供设备机房用，首层不需要提供生活热水。二至六层作为学生宿舍使用，共有390间宿舍房间，每个房间设计4人入住，每个房间面积为约37m2，且配有独立的卫生间、浴室、阳台。学生宿舍要求实现全年供生活热水的要求，热水系统向淋浴器供热水。新校区A栋学生公寓由两栋“凹”字形的宿舍组成，两栋宿舍由西边的空中的走廊联接。在两栋独立宿舍的中间，有一块长为75.6，宽为23.6约为1784 m2的空地，此地面土壤层厚且地下水源丰富，车流、人流很少，地面载荷小，大多数地方是预留绿化用地，很适合埋设地
24、耦换热器的用地。2.2 学生公寓热水系统方案的确定通过以上对地源热泵的相关介绍，地源热泵在节能、经济、环保方面都有很大的优势，再结合广东地下土壤层厚、地下水资源丰富的地理气候特点、综合投资收益、能源利用效益、收费方案等方面进行综合的分析考虑，新校区学生公寓位于广州市郊，土地利用率不需很高，第一期学生公寓为多层建筑设计，楼层周围有较开阔的轻载绿化用地，利用浅层地热能的地源热泵热水系统非常合适。因此，本工程设计中将采用地源热泵集中热水供应系统方案。由于本工程设计的建筑中及附近没有地表水，所以本设计中将不会采用地表水地源热泵。而地下水地源热泵系统则由于国内对其回灌堵塞问题没有得到根本解决，实际运行过
25、程中，有的工程不能100的回灌，为了地下水的可持续利用，保持含水层水头压力，防止地面下沉，设计中不考虑采用这个方案。以土壤为冷热源的大地耦合热泵系统，被称为是21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的暖通技术，而且这项技术比较成熟，所以，本设计将采用土壤热交换器地源热泵系统方案。3 生活热水设计标准与相关参数计算3.1 广州高校学生公寓热水系统使用特点广州地区夏季时间长、气候潮湿酷热，冬季温暖。目前新校区学生公寓A栋每个房间约37m2，内住4名学生。根据对广州大学城暨南大学学生宿舍的用热水调查11，学校生活区的用热水最大负荷时段为6h(17：3023：30)，高峰负荷出现在20：302
26、3：30。可见，学生公寓居住人群较密集，热水供应时间集中且供热需求量大。由于学生公寓热水使用人数基本不会发生大的变化，因此每天热水总量变化不大，但小时热水量变化就较大。此外，学生公寓热水系统使用具有明显的季节性、昼夜周期性。在夏季绝大部分时间，热水系统很少使用，甚至不使用；在寒冷的冬季，热水系统就会投入使用。根据以上使用特点，设计将采用定时供应全蓄热热水系统方案。3.2 生活热水设计标准热水系统设计标准有如下几项指标：热水用水定额、热水水温、热水水质。3.2.1 热水用水定额12热水用水定额根据建筑使用性质、热水水温、卫生设备完善程度、热水供应时间、生活习惯等情况确定。学生宿舍的热水定额值每人
27、每天在4060L，广州地区夏季时间长，冬季温暖，在夏季气温高时，冷水的温度也比设计温度高，热水用量也少，在冬季最冷的时候是假期，大多数同学都不在学校，总体来说学生用热水量是比较少的，因此，设计中热水定额值每人每天取下限值40L就能满足使用要求。3.2.2 热水水温的确定热水水温包括热水供应温度和冷水计算温度。热水供应温度是指热水供应设备的出口温度。最低供水温度应保证最不利配水点水温不低于使用要求，最高供水温度应考虑热泵的制热能力和效率，使用的方便，管网与设备的热损失、腐蚀等可能性。一般生活使用的供水温度控制在4060为宜13。冷水计算温度应以当地最冷月平均水温资料确定，广东地区可以按1015计
28、算13。白云校区学生公寓在设计中，根据热泵机组的工作特性，热水水温选取50（热水设备出口水温），以使机组有较高的能效比，冷水温度选取10。3.2.3 热水水质14集中热水系统的原水水处理，应根据水质、水量、水加热设备的构造、使用要求等因素，经技术经济比较确定。热水水质主要是水质硬度问题，原水总硬度（以碳酸钙计算）大于300mg/L时，宜进行水质软化处理，经软化后的水质总硬度宜为：洗衣房用水：50100mg/L；其他水：75150mg/L13。我校学生公寓生活用水来自市政自来水供水系统，生活热水水质可满足要求，最主要的指标应该是热水用水定额与水温。3.3 热水量、耗热量的计算3.3.1 热水供应
29、时间方案的确定由3.1.1节可知，学生公寓用水时间集中，用水最大负荷时段为6h(17：3023：30)，高峰负荷出现在20：3023：30，说明大部分学生习惯在17：3023：30这个时间段洗澡。考虑到学校的作息时间安排规定23：00后学生公寓要求关灯，19：3022：00期间会有部分学生要上课，参照各大高校的热水系统方案，设计将采用定时供热水系统方案，在17：0019：00和21：3022：30两个时间段集中供热水，供水时间为3小时，这样既可以满足学生的热水需求也方便学校的管理。由于学生公寓学生集中，而且用水时间集中，为满足用水要求，地源热泵机组设计运行小时初定为16小时，运行时间内地源热泵
30、机组制热，并将热水放在蓄热水箱中存放，在供水时间里保证足够的热水供应。3.3.2 热水量的计算由于本设计中采用的是全蓄热的供水方案，学生宿舍的人数是比较稳定，每天需要的热水量也是比较稳定，不稳定因素少，因此热水量的计算可以不采用设计小时热水量，而是直接用日最高热水用量计算，这样计算的结果既能满足使用要求，又能合理利用设备，做到经济节能。日最高热水用量的计算方法为： 13 （1）式中：最高日热水用量，L/d； m用水单位数，人或床位数等，取1560人； 最高日生活热水定额，L/（人d），取40L/（人d）；最高日热水用量为：=156040=62400 L/d3.3.3 耗热量的计算由于计算的热水
31、量是日最高热水用量，此时可以直接计算集中热水供应系统的每天耗热量，每天耗热量应根据设计小时热水量和冷、热水温差按下式计算：13 （2）式中 每天热水耗热量，KJ； 每天热水量，L/h； 水的比热，C=4.187J/kg.；热水温度，；冷水计算温度，；取1013 热水密度，kg/L；取50状态的热水密度每天的耗热量为： 4.187（5010）0.9866240010304441KJ热水系统设计小时耗热量，应根据定时供应热水量，机组定时运行时间，冷热水温差等计算，主机运行16小时平均每小时耗热量：10304441/（163600）179KW4 集中热水系统方案设计4.1 热水贮存方案的选择4.1.
32、1 热水贮存方式的分类热水系统常用的配置方式可以简单地分为：循环加热式，双水箱定温出水式，单水箱定温出水方式。循环加热式热水系统配置如图1。补水直接补到保温水箱中，通过循环泵把冷水输送到热泵机组进行加热，到达要求的热水（50）进入水箱存储起来。热泵设备蓄热水箱补水电磁阀循环水泵Y型过滤图1 热泵热水系统简图（循环加热式）出水至用水末端双水箱定温出水系统配置如图2。系统采用了一个容积较小的辅热水箱来保证热泵设备的高效运转：当辅热水箱中水温较低、热泵出口管路中水温没有达到设定温度时，三通阀A向导通，确保辅热水箱中的水被循环加热；当辅热水箱中水温较高、热泵出口管路中水温达到设定温度时，三通阀B向导通
33、，热泵出来的水直接进入蓄热水箱。这样循环工作，直到蓄热水箱中的水达到设定水位为止。BA热泵设备循环水泵 Y型过滤 补水阀图2 热泵热水系统简图（双箱定温制热水）辅热水箱电动三通阀出水至用水末端蓄热水箱单水箱定温出水方式配置如图3。采用生活用水直接补水至地源热泵热水机组主机，满足客户使用要求的高温水(默认出水50)从主机排向保温水箱储存备用，补水的控制由补水电磁阀控制，以保证补水在合理的范围内，得到预设的机组出水温度。热泵设备蓄热水箱补水电磁阀循环水泵Y型过滤图3 热泵热水系统简图（单水箱定温式）出水至用水末端4.1.2 热水贮存方案的确定比较上述几种热泵热水供应系统配置方式。热泵循环制热水系统
34、配置方式存在着很多不足的地方，水箱温度波动大，影响使用舒适性，出现水温不高、热效率降低、等问题。定温方式的热泵系统可以有效弥补循环加热系统的不足，鉴于双水箱系统增加了辅助热水箱，而且控制系统较复杂，增加了初投资，我校学生公寓热水系统设计采用单水箱定温系统比较经济合理，也能满足用水要求，管理方便。4.2 热水循环方式的选择4.2.1 热水循环方式的分类热水管网的循环方式可分为全循环、无循环、半循环三种13。全循环供水方式，是指所有配水干管、立管和分支管都设有相应回水管道，可以保证配水管网任意点的水温。该方式循环管道布置复杂，水泵的流量和扬程都要大，初投资也会大，但配水管网任意点的水温都能达到设计
35、供水温度，无需等待，舒适性高。适用于要求能随时获得设计温度热水的高标准建筑中，如高级宾馆、饭店、高级住宅等。无循环供水方式，是指在热水管网中不设任何循环管道。不设循环管道由于少了循环管道和循环泵等配套设备，可以减少初投资，但用户拧开热水龙头后需先排出给水管道内的冷水才能使用，会导致水资源的浪费和影响使用的舒适性。对于热水供应系统较小，使用要求不高的定时供应系统，如公共浴室、洗衣房等可采用此方式。半循环是介于全循环和无循环的供水方式，它又有立管循环和干管循环之分。立管循环热水供水方式是指热水干管和热水立管内均保持有热水循环，打开配水龙头时只需放掉热水支管中少量的存水，就能获得规定水温的热水。该方
36、式多用于设有全日供应热水的建筑和设有定时供应热水的高层建筑中。干管循环热水供水方式是指仅保持热水干管内的热水循环，多用于采用定时供应热水的建筑中。在热水供应前，先有循环泵把干管中已冷却的存水循环加热，当打开配水龙头时只需放掉立管和支管内的冷水就可流出符合要求的热水。4.2.2 热水循环方案的确定根据热水管网的循环方式的分类，虽然新校区学生公寓并不属于高层建筑，但学生公寓作为较高档的学生宿舍，对热水水温的要求较高，结合学生公寓学生热水使用特点，并考虑工程完成后，学生打开龙头就能很快有热水，这样计费系统的设置将会更简单合理，半循环供水方式中的立管循环比较适合本设计，所以本设计中将采用立管循环方式。
37、4.3 热水配水系统给水方式的选择由于采用土壤热交换器地源热泵系统方案，地下敷设了有许多管网，这些管网通过集管进入建筑物内的水环路相连接，与地源热泵交换热量。为不增加这部分管网的压力，设计中将会把主机等配套设备都设置在学生公寓首层，并且尽量接近埋地管部分。由于主机设置在首层，主机的补水可以直接利用公寓屋顶生活给水箱补水。如果公寓给水压力和水流量都能满足设计要求，则不用设置补水泵，否则需要设置补水泵，校核在后面章节有详细过程。蓄热水箱的布置和配水管网给水方式的选择有以下两种合理组合：第一种方案是蓄热水箱设置在首层机房内，热水通过配水泵下行上给供热水至每间宿舍。第二种方案是蓄热水箱设置在公寓的屋顶
38、，热水在重力作用下上行下给供热水至每间宿舍。第一种方案将蓄热水箱设置在首层机房内，所有设备都集中在一个机房，可以方便地管理和维护，主机与蓄热水箱的连接管道较短，可以有效地减少热量在输送过程损失。但是此方案由于各个配水点的水压是由配水泵来保证的，在供水时间内，无论是用户用水量多少，只要有人用热水配水泵都要工作。如果选择了定功率的配水泵，那在用水时间配水泵都是在根据最大用水量计算出的设计最大功率下运行，这就会增加运行费用。如果选用变频的配水泵，运行费用较高这个问题可以解决，但变频的配水泵较普通泵贵，这就会增加初投资。第二种方案将蓄热水箱设置在公寓的屋顶，有效地利用地屋顶的空间，可以省下首层的用房，
39、但管理和维护的方便性就有所减少，同时，主机与蓄热水箱的连接管道较长，热量在输送过程损失也就大了，这部分管道还需要保温，增加保温的费用。由于蓄热水箱设置在公寓的屋顶，热水在重力作用下上行下给供热水至每间宿舍，不用增设配水泵，只需要在主机运行时间内将热水送到蓄热水箱内，没有第一种方案中由于配水泵产生的费用，配水泵产生的初投资还是运行费用都会比方案一少。通过对两种方案的对比分析，考虑到地源热泵系统的日常管理和维护是很少的，并且将蓄热水箱设置在公寓的屋顶供水的可靠性比较高，节能，且供水泵可选择定频、定水量运行，效率高。再结合学生公寓的热水使用特点和建筑特点等多方面因素考虑，第二种方案是比较合适的，本设
40、计将采用方案二。方案二需要供水泵提供压力将主机制出的热水提升到蓄热水箱。供水泵设置在主机机房内，完成热水的提升。4.4 整体方案示意图及工作原理综合以上各点，该集中热水系统方案的简单示意图如图4所示：图4集中热水系统方案示意图室内管网主要由补水管网、供水管网、配水管网和循环管网四个环路组成。补水管网是公寓屋顶生活给水箱补水管至地源热泵主机负责地源热泵主机运行期间所需的补充水的供给的管网。供水管网是主机至屋顶蓄热水箱完成热泵主机运行期间制出的热水送至屋顶蓄热水箱工作的管网。配水管网是蓄热水箱至各个用户点在定时供水工况时，将满足要求的热水送至各个用水点的管路。循环管网是在热水配水前，补充配水管网热
41、量损失，保证配水点淋浴器的水温，循环水所经过的管网。室外管网则由地埋管组成。系统运行方式是：在热泵机组运行时间凌晨1:0017:00共16小时期间，系统冷水由外接公寓屋顶生活给水箱直接接入热泵机组吸热，由于机房设在首层，公寓屋顶生活给水箱压力和流量足可以保证水压(后面水力计算将会校核)，补水不需要补水泵提供动力。冷水在地源热泵机组通过埋地管吸收大地中的热量，温度提高到设定温度后经供水泵和供水管输送并存放在公寓屋顶蓄热水箱，在供热水时间段时，蓄热水箱内热水通过重力作用将热水配送到各个用水点。热水循环方式是在热水配水管网立管的未端（在二层用户端后）用循环管连接起来，在供水时间前半个小时将干管和立管
42、的冷水送至热泵主机中再加热，在循环期间，热泵主机与供水泵还在设计运行时间内运行，不存在循环时需要单独开热泵主机与供水泵。经加热后达到设定温度的冷水再由供水泵提升至屋顶蓄热水箱中存放。5 室内热水供、配水子系统设计计算5.1 室内管网分区方案六层的学生公寓是多层建筑，可以不用考虑竖向分区。考虑到建筑物特有的形状以及建筑结构，可以对建筑进行横向分解，具体的分区如图5所示，分为A、B两个区，各个区各自设置独立的室内热水系统，每区使用独立的蓄热水箱和热泵主机，但机房内的主机在配水泵后机房内的总供水管，通过管道和阀门连接互为备用，当其中一个区的热水系统出现问题时，阀门打开则两个区共用一套供水机器设备。室
43、外埋地管网则是两个区共用。为了便于管理，减少噪声的产生，2个区域共用一个机房，热泵机组、及其配套附件等都集中设置在机房里，每个区的蓄热水箱则安装在各自的屋顶上。由于B区的学生宿舍房间数较A区多，用水量相应地也会比较多，为了减少输送过程中的水力损失，机房将设置在B区接近埋地管端的首层里。 图5室内管网分区方案图5.2 室内管网布置敷设与保温5.2.1 管网布置与敷设要点热水供应系统规模较大，为确保系统运行时的良好工况，进行管网的布置与敷设时，应注意以下几点：（1）我校学生公寓热水系统规模不是太大，分区范围为5层，为使各配水点随时得到设计要求的水温，应采用全循环或立管循环方式采用立管循环系统13。
44、（2）为防止循环流量在系统中流动时出现短流，影响部分配水点的出水温度，应在回水管上设置调节阀，通过调节阀们的开度，来平衡各循环管路的水头损失与循环流量。在各立管上分别设置调节阀，通过调节阀们达到水力平衡的目的，能保证宿舍用热水器具提供满足要求的热水。（3）热水管网的敷设，除了满足配水点的水温的要求外，还应注意由于水温高带来的体积膨胀、管道伸缩补偿、排气等问题。（4）学校公寓热水横干管在顶层敷设，逆水流方向保证不少于0.003的坡度，供水管越走越高，回水管沿水流方向下降，越走越低。横干管这样敷设利于管道内的气体向高点聚集，供水管高处设置专门的自动排气阀，排除管道内的不凝性气体，回水管低处设置阀门，用于泄水与排污。为了解决水体积膨胀及水管的防护问题，干管上设置波纹管补偿器，而且立管穿楼板时加上套管，套管内径比通过的热水管外径大2号，中间间隙填上密封防水填料，这样可以防止管道膨胀伸缩移动造成管外壁四周出现缝隙，而引起的上下层漏水问题。5.2.2 系统保温热水供应系统中的蓄热水箱、热水供水干管和立管，回水干管与立管等可能产生热损失的地方均采用保温措施，其主要目的在于减少介质传送过程中的无效热损失。热水供应系统的保温材料应符合导热系数小、吸湿系数小、具有一定强度、重量轻、没有腐蚀性、易于成型及施工方便等要求。保温层的厚度可以按以下公式13计算：
