燃氣中央熱水供應系統的設計計算和應用

張 佳, 沈 威

(深圳市燃氣集團股份有限公司, 廣東 深圳 18049)

1 概述

隨著智慧城市建設的推進和智能型商業綜合體的興起,燃氣中央熱水供應系統已逐漸成為生活中必不可少的一部分。與分布式小型快速熱水器相比,燃氣中央熱水供應系統具有節約能源的優勢,是更加智能、安全、節能且能全天候供應熱水的中央熱水供應系統(簡稱中央熱水系統)[1]。如今用戶對熱水的要求越來越高,在水溫、水壓、水流量、安全性能、節能環保等方面都需要滿足最佳的用水體驗,這給燃氣中央熱水系統的發展提供了更多空間。

燃氣中央熱水系統應用場景豐富,有酒店、醫院、學校、公寓等多種應用場景,根據項目規模,可以通過多機并聯的形式滿足熱水需求。目前,研究較多的是太陽能中央熱水系統[2-4]以及空氣源熱泵中央熱水系統[5],而燃氣中央熱水系統少有文獻報道。

本文考察了5家相似酒店的平均熱水流量,進行分段擬合,得出一天內的熱水流量曲線,結合積分關系,計算了目標酒店設計小時熱水量,據此設計了適用于目標酒店的儲水式燃氣中央熱水系統。

2 燃氣中央熱水系統

2.1 分類

燃氣中央熱水系統有3種形式:即熱式、儲水式、復合式。即熱式燃氣中央熱水系統適用于用水總量不大且用水范圍較集中或安裝場地較小甚至無法安裝貯熱水箱的場景。儲水式燃氣中央熱水系統適用于用水總量較大、用水范圍較分散、可以安裝貯熱水箱的場景。復合式燃氣中央熱水系統中,燃氣可與多種能源組合使用。即熱式燃氣中央熱水系統見圖1,儲水式燃氣中央熱水系統見圖2,復合式燃氣中央熱水系統見圖3。

圖1 即熱式燃氣中央熱水系統

圖2 儲水式燃氣中央熱水系統

圖3 復合式燃氣中央熱水系統

本文主要分析儲水式燃氣中央熱水系統,該系統不僅節能,而且能夠滿足熱水用量大、熱水用量隨時間波動性強的情況。

2.2 儲水式燃氣中央熱水系統工作原理

儲水式燃氣中央熱水系統是由燃氣熱水器、內循環泵、貯熱水箱、外循環泵、管道等組成。儲水式燃氣中央熱水系統三維模型見圖4。工作原理為:貯熱水箱內的溫度傳感器時刻測量熱水的溫度,當熱水溫度低于60 ℃時,內循環泵啟動,同時燃氣熱水器啟動,回水經燃氣熱水器加熱至設定溫度輸送至貯熱水箱,直至貯熱水箱內的水溫達到60 ℃,停止加熱。貯熱水箱的水從熱水總管流出,流經用戶端的熱水分管供給用戶或者循環。熱水分管內熱水一直保持在一定溫度(例如45 ℃),當熱水分管的水溫低于40 ℃時,系統自動開啟外循環泵,回水輸送回貯熱水箱。當回水溫度傳感器測得的回水溫度高于45 ℃時,外循環泵自動關閉。當貯熱水箱水位低于設定值時,補水電磁閥自動開啟,冷水從冷水總管進入燃氣熱水器進行加熱后進入貯熱水箱,達到貯熱水箱設定水位后停止補水。

圖4 儲水式燃氣中央熱水系統三維模型

2.3 系統優勢

相較于太陽能系統受光照以及場地影響、空氣源熱泵系統受環境溫度影響,燃氣中央熱水系統幾乎不受任何環境因素的干擾。燃氣中央熱水系統可以應對用水高峰期、冬季、雨季、夜間熱水供應不足的問題,以及等待熱水時間較長而水溫、水量、水壓不穩定的問題,避免了熱源設備的熱效率逐年遞減的問題,同時可以降低投資和運維成本。

2.4 供熱熱源設備

供熱熱源設備采用燃氣熱水器,出水溫度可在40～85 ℃范圍內調節。

3 耗熱量和熱水量計算

依據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》第6.4.1條,設計小時耗熱量計算式為:

(1)

式中Φ——設計小時耗熱量,kW

Kh——小時變化系數

m——用水人員數量,人

qr——熱水用水定額,L/(人·d)

c——水的比熱容,kJ/(kg·K),取4.187 kJ/(kg·K)

θr——熱水溫度,℃

θL——冷水溫度,℃

ρr——熱水密度,kg/L

td——每日使用時間,h

Cr——熱水供應系統的熱損失系數,取1.10～1.15

設計日熱水量即最大日熱水量計算式為:

qd=mqr

(2)

式中qd——設計日熱水量,L/d

對24 h供熱水情況小時變化系數計算式為:

(3)

式中qh——設計小時熱水量,L/h

4 項目方案設計

4.1 項目概況

深圳市某酒店有客房150間,滿員入住容納300人,建筑高8層。根據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》,熱水用水定額qr為120～160 L/(人·d),本文取120 L/(人·d),m取300 人。根據式(2)計算得出目標酒店設計日熱水量為36 000 L/d。為了分析該目標酒店一天內熱水流量隨時間變化的關系,考察并實測了5家相似酒店的熱水流量,這5家酒店平均熱水流量見圖5,考察酒店平均熱水流量曲線呈M形,早晚是用水高峰,白天為谷,夜晚到凌晨用水最少。

圖5 5家酒店平均熱水流量曲線

常規設計中,認為每小時內熱水流量恒定,即一天有24個熱水流量。本文考慮到實際情況,每小時內熱水流量是變化的,即一天內有許多個熱水流量。

4.2 數據處理

對圖5曲線進行分段擬合,用Excel軟件自帶的曲線擬合工具進行擬合。在0～7 h范圍內,擬合曲線R2為0.982 6,表示擬合效果良好。0～7 h考察酒店平均熱水流量擬合曲線(記為曲線1)見圖6。平均熱水流量擬合關系式為:

圖6 0～7 h平均熱水流量擬合曲線

q=3.886 9t2-9.434 5t+97.375, 0≤t≤7

(4)

式中q——0～7 h平均熱水流量,L/h

t——時間,h

在7～20 h范圍內,擬合曲線R2為0.920 1,表示擬合效果良好。7～20 h平均熱水流量擬合曲線(記為曲線2)見圖7。平均熱水流量擬合關系式為:

圖7 7～20 h平均熱水流量擬合曲線

q=0.878 4t2-24.896t+345.15, 7≤t≤20

(5)

在20～24 h范圍內,擬合曲線R2為0.981 0,表示擬合效果良好。20～24 h平均熱水流量擬合曲線(記為曲線3)見圖8。平均熱水流量擬合關系式為:

圖8 20～24 h平均熱水流量擬合曲線

q=-2.428 6t2+80.257t-431.17, 20≤t≤24

(6)

計算可得曲線1與曲線2交點、曲線2與曲線3交點的橫坐標分別為6.862 3、20.168 8,計算中將曲線適當外延。由于目標酒店和考察酒店用熱水情況相似,因此認為目標酒店的熱水流量曲線和5家酒店平均熱水流量曲線是相似形。因此,目標酒店熱水流量qa可以表示為考察酒店平均熱水流量q的β倍,見式(7):

(7)

對式(7)積分可得目標酒店全天熱水使用量表達關系式,見式(8):

(8)

式中V0——目標酒店全天熱水使用量,L

目標酒店全天熱水使用量為36 000 L,令式(8)中V0=36 000 L,可求出β為9.3。

將β代入式(7),得到目標酒店熱水流量計算式為:

(9)

目標酒店瞬時熱水流量曲線見圖9。

圖9 目標酒店瞬時熱水流量

下面計算最大小時熱水量,小時熱水量是指在時間間隔1 h內所供應熱水的平均流量。由圖9,可觀察到,最大小時熱水使用量發生在6.862 3 h或20.168 8 h左右,記上午最大小時熱水量發生的時間區間為[a,b],那么6.862 3∈[a,b],上午最大小時熱水使用量的計算式為:

(10)

式中V1——上午最大小時熱水使用量,L

a——上午最大小時熱水量發生區間的左端點,h

b——上午最大小時熱水量發生區間的右端點,h

限制條件為式(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)變形為:

(16)

將式(11)代入式(16),整理得:

(17)

式(17)整理得到關于a的表達式:

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

(18)

求導:

(19)

同理可得,下午最大小時熱水使用量為1 836 L,發生在時間區間[19.55,20.55] h。因此。設計小時熱水量qh取上午最大小時熱水量相應的流量,即1 961 L/h。

4.3 系統設計

根據上述數據,酒店的高峰用熱水時間段為6:38—7:38,設計小時熱水量Vh為1 961 L/h。酒店設計日熱水量為36 000 L/d。根據式(3)計算得出小時變化系數Kh為1.31,小于GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》的規定值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)可得出設計小時耗熱量Φ為114.9 kW。

本項目熱源設備采用3臺額定熱負荷為62.3 kW的燃氣熱水器,2臺工作,1臺備用。設計小時熱水量Vh為1 961 L/h,選擇2 m3貯熱水箱。

4.4 熱水供應系統

熱水供應系統見圖10,包括3臺燃氣熱水器、1臺容積為2 m3的貯熱水箱以及電控系統、溫感系統。

圖10 熱水供應系統

5 結論

① 考察5家相似酒店的平均熱水流量,早晚是用水高峰,白天為谷,夜晚到凌晨熱水流量最小。進行分段擬合,得到了目標酒店熱水流量曲線呈M形。

② 考慮到設計小時熱水量不一定發生在整小時內,根據熱水流量曲線,結合積分關系,得到設計小時熱水量,其涉及的時間范圍可能跨整小時,提高了熱水供應系統的保障能力。

③ 根據計算得出的設計小時熱水量對目標酒店的熱水供應系統進行了設計,證明儲水式燃氣中央熱水系統在商業領域具有一定的推廣應用價值。