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設(shè)計(jì)院高工教你嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算建筑熱負(fù)荷及空氣源熱泵主機(jī)選型
對于熱泵主機(jī)選型,絕大部分人都是憑經(jīng)驗(yàn),或者通過簡單的估算。這樣做其實(shí)有很大的運(yùn)氣成分,一不小心就可能滿盤皆輸。熱泵商學(xué)院金牌講師安建新老師說,對做工程的經(jīng)銷商來說,經(jīng)驗(yàn)固然重要,但也要有一定的專業(yè)知識積累。接下來,我們來聽聽安老師是如何教大家選主機(jī)的。
如何計(jì)算基本耗熱量
在進(jìn)行鍋爐改造、廠房改造都需要進(jìn)行設(shè)備選型。大家都是怎么選主機(jī)的?我想用的最多的應(yīng)該是熱指標(biāo)法,就是用熱指標(biāo)乘以面積得到需要的熱負(fù)荷,然后根據(jù)熱負(fù)荷選主機(jī)。
這種方法用的很廣,今天我還要講一個(gè)簡單計(jì)算方法。即:
基本耗熱量=傳熱系數(shù)*傳熱面積*室內(nèi)外溫差
大家不要見到公式就發(fā)懵,其實(shí)很簡單。比如說你算窗戶的耗熱量,就用窗戶的傳熱系數(shù)乘以窗戶的面積,再乘以室內(nèi)外溫差。同理,如果是外墻,就用墻體的傳熱系數(shù),乘以外墻面積,再乘以溫差。同樣也可以算出屋頂?shù)暮臒崃。也就是說,你要計(jì)算哪一部分的耗熱量,就用哪一部分的傳熱系數(shù)乘以面積再乘以溫差就可以了。
表1:常用維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K(W/㎡·℃)
名稱
K
名稱
K
外磚墻(內(nèi)抹灰)一磚
2.08
實(shí)體木外門二層
2.33
外磚墻(內(nèi)抹灰)一磚半
1.56
帶玻璃的陽臺(tái)門一層
5.82
外磚墻(內(nèi)抹灰)二磚
1.27
帶玻璃的陽臺(tái)門二層
2.67
內(nèi)磚墻半磚
2.30
外窗及天窗一層木框
5.82
內(nèi)磚墻一磚
1.72
外窗及天窗二層木框
2.67
實(shí)體木外門一層
4.65
外窗及天窗二層金屬框
3.26
注:表中磚指實(shí)心粘土磚
表1就是一些常用的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù),比如說外磚墻,一磚也就是我們說的24墻,傳熱系數(shù)是2.08,而一磚半就是37墻,傳熱系數(shù)是1.56。從傳熱系數(shù),我們就可以很清楚地看出24墻和37墻的耗熱量上的差別有多大。一些常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),比如說外墻、中空玻璃等等,我們查了一次后可以記下來,下次要用到的時(shí)候就可以很方便、快捷地計(jì)算。
以北京某辦公室為例教你計(jì)算
下面我們看一個(gè)例題:
例:北京某辦公室只有一面370外墻和一面雙層玻璃的外窗。房間開間4米,進(jìn)深5米,層高4米。窗戶寬2米,高2米。用以上兩種方法試求采暖熱負(fù)荷。
我們可以從傳熱系數(shù)表查到37墻傳熱系數(shù)是1.56,雙層中空玻璃的傳熱系數(shù)這里按斷橋鋁材質(zhì)取2.4(材質(zhì)不同區(qū)別很大,比如說塑鋼的、斷橋鋁的、玻璃材質(zhì)的等)。房間的面積是4米*5米=20平米;窗戶的面積是2米*2米=4平米;外墻的面積是4米*4米=16平米,再減去窗戶的面積,就是12平米。北京的室外溫度參數(shù)是-7.6℃(查自《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012),室內(nèi)溫度取20℃,室內(nèi)外溫差為27.6℃。
把這些數(shù)據(jù)代入公式,可知:
外窗耗熱量=2.4*4*27.6=265W
外墻耗熱量=1.56*12*27.6=517W
基本耗熱量=265+517=782W
這里要指出一下,這樣算的基本耗熱量是不包括冷風(fēng)耗熱量的,我們在取負(fù)荷值時(shí),還要計(jì)算冷風(fēng)耗熱量,一般按基本耗熱量的30%計(jì)算,這是簡易的算法。這樣我們就可以得出:
房間的熱負(fù)荷=基本耗熱量×1.3=783*1.3=1017W
因?yàn)槲覀兪怯?jì)算主機(jī)選型,只需計(jì)算外圍護(hù)的耗熱量,內(nèi)墻部分,由于是緊挨著的,不需計(jì)算。另外,要注意的是,這里計(jì)算是按連續(xù)24小時(shí)采暖來計(jì)算的,如果是間歇性采暖,則需要進(jìn)行折算。方法為:24小時(shí)×連續(xù)熱負(fù)荷/供暖小時(shí)數(shù)。
還是以剛才的例子來說明。北京20平米的房間,計(jì)算出來的熱負(fù)荷是1017W,這是24小時(shí)連續(xù)供暖的負(fù)荷,如果只是白天12小時(shí)供暖,則負(fù)荷就不夠了,這時(shí)候需要除以供暖時(shí)長,即:24*1017/12=2034W。
還要注意的是,我們在計(jì)算時(shí)忽略了一些修正參數(shù),比如說房間的朝向修正、風(fēng)力附加修正等等。
剛才我們算的是一個(gè)標(biāo)間,就一面外墻和窗戶,如果是一棟樓呢?如下圖:
兩個(gè)外門,我們把它簡化成窗戶,那是不是就是36個(gè)標(biāo)間?我們只要算出一個(gè)標(biāo)間的熱負(fù)荷,再乘以數(shù)量,是不是這面墻的熱負(fù)荷就算出來了?當(dāng)然,我們也可以按整面墻的面積減去所有窗戶面積,像前面計(jì)算的那樣代入到公式,也是可以的,計(jì)算出來的結(jié)果是一樣的。這一面算出來了,另外幾面也可以算出來,把各個(gè)面的熱負(fù)荷加起來,就是這棟樓的總熱負(fù)荷。
我們剛才用的就是簡單計(jì)算的方法,接下來我們用大家經(jīng)常用的估算方法來算下,即:熱負(fù)荷=面積*熱指標(biāo)。
還是以北京20平米的房間為例,熱指標(biāo)按煤改電政府要求的80W/㎡,則:熱負(fù)荷=80*20=1600W
從計(jì)算結(jié)果可以看出,這種估算的方式和之前計(jì)算出來的1017W(煤改電農(nóng)戶都是連續(xù)供暖,因此這里也以連續(xù)供暖數(shù)據(jù)來對比)結(jié)果還是有很大的差別的。一個(gè)20平的小房間都是如此,大型供暖項(xiàng)目就差的更離譜了。
影響熱負(fù)荷的因素有哪些?
從上面的計(jì)算的公式,我們也可以得出影響采暖熱負(fù)荷的一些因素,跟建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、所在地區(qū)、建筑用途、體量等有很大關(guān)系。
表2:我國各主要城市的“供暖室外計(jì)算溫度”(單位:℃)
城市 |
北京 |
石家莊 |
唐山 |
太原 |
南昌 |
蘭州 |
南寧 |
溫度 |
—7.6 |
—6.2 |
—9.2 |
—10.1 |
0.7 |
—9 |
7.6 |
城市 |
上海 |
南京 |
杭州 |
合肥 |
濟(jì)南 |
鄭州 |
武漢 |
溫度 |
—0.3 |
—1.8 |
0 |
—1.7 |
—5.3 |
—3.8 |
—0.3 |
城市 |
廣州 |
成都 |
拉薩 |
西安 |
重慶 |
長沙 |
嘉興 |
溫度 |
8 |
2.7 |
—5.2 |
—3.4 |
4.1 |
0.3 |
—0.7 |
注:《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736—2012,附錄A
舉個(gè)例子,同樣用途的建筑,圍護(hù)結(jié)構(gòu)等基本情況都差不多,分別位于北京和合肥,在計(jì)算時(shí)室外溫度采暖計(jì)算參數(shù)就有很大區(qū)別,北京是—7.6℃,合肥是—1.7℃,差不多相差6℃,在室內(nèi)溫度要求相同的情況下,溫差就有6℃的區(qū)別,計(jì)算出來的熱負(fù)荷,合肥差不多只有北京的30%。這個(gè)是工程所在地不同,不同氣溫的差異。
此外,不同體量,也就是建筑物的面積、層數(shù)、高度等不同,能耗也是不一樣的,出入可能很大。比如說,一個(gè)小區(qū),有6層,也有20層的,一般來說,20層的熱指標(biāo)要比6層的要小一點(diǎn)。
即使是同一個(gè)建筑,不同的使用功能也可能相差很多。比如某個(gè)商業(yè)綜合體,燒烤餐廳冷指標(biāo)可能在300W/㎡,而商用辦公區(qū)域可能只要100W/㎡就夠了,相差達(dá)到了3倍。
不同的建筑用途,一般來說,同年代的建筑、公共建筑,比如說辦公樓、寫字樓,熱負(fù)荷要比居住建筑大一些。比如說,辦公樓熱指標(biāo)可能在50W/㎡,但居住建筑可能只要30W/㎡左右。
上面這些都是影響熱負(fù)荷的一些因素,用途、外保溫情況、當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁、建筑面積、層高等等。另外,間歇采暖也對熱指標(biāo)有影響。
熱指標(biāo)的出處是《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ34—2010,最初用來計(jì)算管網(wǎng)還有熱源。要注意的是,這本規(guī)范是應(yīng)用在城鎮(zhèn)集中供熱的,而且是適用于“三北地區(qū)”,即東北、西北、華北這三個(gè)地區(qū),并不是所有地區(qū)都合適。它的特點(diǎn)是連續(xù)供暖,24小時(shí)不間斷供暖,而熱泵改造項(xiàng)目常常不具備這些條件,像辦公樓、學(xué)校、工廠等,很多都是間歇供暖,這個(gè)是需要進(jìn)行折算的。
表3:各類建筑類型采暖熱指標(biāo)推薦值
建筑物類型 |
采暖熱指標(biāo)推薦值(W/㎡) |
|
未采取節(jié)能措施 |
采取節(jié)能措施 |
|
住宅 |
58~64 |
40~45 |
綜合居住區(qū) |
60~68 |
45~55 |
學(xué)校、辦公 |
60~80 |
50~70 |
醫(yī)院、托幼 |
65~80 |
55~70 |
旅館 |
60~70 |
50~60 |
商店 |
65~80 |
55~70 |
食堂、餐廳 |
115~165 |
100~150 |
影劇院、展覽館 |
95~115 |
80~105 |
大禮堂、體育館 |
115~165 |
100~150 |
表3就是《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ34—2010給出的熱指標(biāo),這是連續(xù)供暖時(shí)的熱指標(biāo)。從這個(gè)表也可以得出一些結(jié)論:非節(jié)能建筑熱指標(biāo)要高于節(jié)能節(jié)能,公共建筑熱指標(biāo)要高于居住建筑。像學(xué)校、辦公樓、醫(yī)院、旅館、商店等,這些場所的熱指標(biāo)要大一些,而食堂、展館、大禮堂之類的,很多都是單層建筑,熱指標(biāo)要更高。
間歇采暖的,因此在計(jì)算負(fù)荷的時(shí)候,要根據(jù)供暖小時(shí)數(shù)進(jìn)行折算:
間歇熱指標(biāo):24小時(shí)*連續(xù)供熱指標(biāo)/供暖小時(shí)數(shù)
表4:各類建筑類型連續(xù)供暖、間歇供暖熱指標(biāo)推薦值
建筑物類型 |
采暖熱指標(biāo)推薦值(W/㎡) |
|||||
未采取節(jié)能措施 |
采取節(jié)能措施 |
|||||
連續(xù)供暖 |
采暖12h |
采暖18h |
連續(xù)供暖 |
采暖12h |
采暖18h |
|
住宅 |
58~64 |
116~128 |
77~85 |
40~45 |
80~90 |
53~60 |
綜合居住區(qū) |
60~68 |
120~138 |
80~91 |
45~55 |
90~110 |
60~73 |
學(xué)校、辦公 |
60~80 |
120~160 |
80~107 |
50~70 |
100~140 |
67~93 |
醫(yī)院、托幼 |
65~80 |
130~160 |
87~107 |
55~70 |
110~140 |
73~93 |
旅館 |
60~70 |
120~140 |
80~93 |
50~60 |
100~120 |
67~80 |
商店 |
65~80 |
130~160 |
87~107 |
55~70 |
110~440 |
73~93 |
表4就是根據(jù)之前的熱指標(biāo)數(shù)據(jù),在間歇供暖12小時(shí)、18小時(shí)時(shí)的熱指標(biāo)。我們看到,間歇供暖的時(shí)候,根據(jù)實(shí)際供暖的時(shí)長的不同,供暖熱指標(biāo)也是不同的。當(dāng)然,不管是《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ34—2010給出來的熱指標(biāo),還是折算出來的,都只是一個(gè)參考的數(shù)據(jù),只要知道熱指標(biāo)的出處,還有間歇供暖的折算,另外還有不同建筑、功能等情況下熱指標(biāo)有大有小,在我們做工程主機(jī)選型有很大幫助,多了解這些東西,可以讓我們少走很多彎路。
主機(jī)選型要注意溫度和融霜修正
下面說一下主機(jī)選型。
原來制熱功率是多少千瓦的鍋爐,等量換成制熱量是多少千瓦的熱泵,這里面要注意兩個(gè)修正,千萬不要用主機(jī)的額定制熱量去選機(jī)組。比如說,項(xiàng)目在合肥和北京,室外溫度是不一樣,而主機(jī)的額定制熱量是相同的,如果不做修正的話肯定不合適。
空氣源熱泵機(jī)組的冬季制熱量會(huì)受到室外空氣溫度、濕度和機(jī)組本身的融霜性能的影響,在設(shè)計(jì)工況下的制熱量通常采用下面公式計(jì)算:
Q=q*k1*K2
式中:Q——機(jī)組設(shè)計(jì)工況下的制熱量,KW;q——產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工況下的制熱量(標(biāo)準(zhǔn)工況:室外空氣干球溫度7℃,濕球溫度6℃),KW;K1——使用點(diǎn)取室外空調(diào)計(jì)算干球濕度修正系數(shù),按產(chǎn)品樣本選取;K2——機(jī)組融霜修正系數(shù),應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)修正,當(dāng)無數(shù)據(jù)時(shí),可按每小時(shí)融霜一次去0.9,兩次取0.8。
請注意:
《暖規(guī)》所述空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)工況(標(biāo)準(zhǔn)工況:室外空氣干球溫度7℃,濕球溫度6℃)實(shí)際上是目前我們所稱的“常溫空氣源熱泵”,或者說更接近我們說的“風(fēng)冷熱泵”。當(dāng)我們選擇低溫?zé)岜玫臅r(shí)候,其名義工況應(yīng)為:室外空氣干球溫度-12℃,濕球溫度-14℃(依據(jù):GBT25127.2-2010低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機(jī)組第2部分:戶用及類似用途的熱泵(冷水)機(jī)組)。
無論是常規(guī)空氣源熱泵還是低溫空氣源熱泵,我們應(yīng)注意其樣本額定參數(shù)的的標(biāo)準(zhǔn)工況或名義工況,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正
表5:某品牌70KW主機(jī)在其它工況下性能一覽
出水溫度55℃ |
|||
環(huán)境溫度 |
制熱量 |
輸入功率 |
COP |
—20℃ |
35.84W |
20.21W |
1.77 |
—15℃ |
40.62W |
20.75W |
1.96 |
—10℃ |
46.24W |
21.31W |
2.17 |
—5℃ |
52.66W |
21.90W |
2.4 |
0℃ |
59.80W |
22.49W |
2.66 |
有的廠家樣本比較好,給出了室外不同溫度下的實(shí)際制熱量,我們可以直接查樣本。比如說表5,供水溫度是55℃,額定制熱量是70KW,而項(xiàng)目當(dāng)?shù)貙?shí)際工況是—10℃,那么我們就可以直接查樣本—10℃環(huán)境溫度下機(jī)組的制熱量,即46.24KW。如果樣本查不到,也可以向廠家進(jìn)行咨詢,這樣是最準(zhǔn)確的。
這里說的是基本耗熱量,忽略了一些修正的耗熱量,比如說冷風(fēng)附加率、風(fēng)力附加率、層高附加率、朝向附加率等。