空气源热泵热水机组在洗浴中心的选择应用

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【摘 要】介绍了空气源热泵的原理及其发展，通过详细的使用数据和分析向人们展示了空气源热泵技术在生活及生产中的应用和发展。同时展现了热泵技术的优势、优点以及使用和选型。

一、引言

空气源热泵热水机组是以制冷剂为媒介，运用逆卡诺原理通过压缩机做功使制冷剂发生物理相变（气态----液态----气态）不断吸热与放热，经过热交换装置及热水循环管网来制取热水的。这是当今世界上开拓利用较好的制热技术之一，它可以替代传统的锅炉蒸汽加热、燃油燃气、电加热、太阳能热水器等制取热水的设施，具有效能高，使用方便，安全节能、清洁环保等优点，使用前景广阔。其工作原理示意图如下：

二、公司洗浴中心概况

我公司本部现有主要生产车间三个（乳化、雷管、水胶），实行两班制生产，每天洗浴人数在660人次左右，在热泵机组使用前一直采用传统的燃煤锅炉产生蒸汽，利用管网（输送蒸汽）制取热水，屋面设有50m3的保温水箱可以淋浴（男澡堂还有20m3的水池），每天用水量大约150 m3。

春、夏、秋季职工洗浴没有问题，但冬季职工有时往往洗不上澡，怨声载道，这主要由以下几个原因造成的：1、冬季气温低，冷水加热成洗浴水比其它季节相对需用更多的热能，2、车间为确保正常生产，部分设备需要保温，用气量明显增加，3、动力车间3台10吨锅炉产气量不足，加上供气管网保温不良，跑、冒、漏气及回气盒冻堵等现象时有发生，4、生活、办公取暖、食堂用气（蒸馍）与生产用气的管网没有完全分开，高峰时段造成系统气压小，有时影响生产。

针对上述问题，公司采取了一定的措施，如生产单位与辅助（办公、生活）用气管网分开，分时段供气，加强管网的维护保养等办法，但收效甚微，有时因为气压小食堂无法保证用气不能按时开饭，加上洗澡问题无法从根本上达到职工满意，职工情绪大给安全生产带来一定的隐患。为此公司决定组织有关人员进行调研，上马节能、环保的热水制取技术。

三、空气源热泵热水机组的选用

1、选择应用的原则

技术先进、安全可靠、安装方便、维护简单、留有余地。

2、选择应用的依据

依据有关安全技术标准，参照GB/T18713-7002《热水系统设计、安装及验收技术规范》，结合洗浴中心的实际情况，以冬季每天最大用水量，并充分考虑早、中班洗浴时间段班（早11：00—14：30/280人次）、（中17：00—22：30/380人次），每人次按100L/55℃的洗浴量计算，每天需要的热水量为：m=n×q=（280+380）×100=66000L=66m3，式中m—全天热水总用量吨，n—全天（早、中班）洗浴人次，q—用水定额L/人

3、热泵机组的热负荷计算

a、每天洗浴用水需要的总耗热量

如果冬季进水温度按5℃、洗浴温度按55℃考虑（水温升高50℃），则Q=c×m×t=c×m×（t2-t1）=4.2×103×66×10汉仪书宋一简×（55-5）=1.386×1010J焦=1.386×107KJ千焦，式中Q—日耗总热量千焦，c—水比热容4200J/kg℃（焦/千克每度），m—洗浴用水的质量kg千克，t—进出水的温度变化℃（升高），t2—出水洗浴温度55℃，t1-—进水温度5℃.

b、热泵机组的制热量确定

机组的工作时间：中班结束至次日早班洗澡开始24：00-22：30+0：00-11：00为十二个半小时，早班结束至中班开始洗浴 17：00-14：30为两个半小时，机组加热时间可以按15h小时考虑。每小时需要的加热量是Qh=Q/15=1.386×107KJ/15h=9.24×105KJ/h， 换算为制热功率qh=Qh//Jw=9.24×105（KJ/h）/3600（KJ/kw）=256.7kw/h，其中Jw热功当量3600千焦/千瓦，如果选择6台热泵机组，则每台每小时需要的制热功率至少为qe=qh////6=256.7 kw/h/6=42.8kw/h.* 台

C、机组参数的选择

根据有关资料初步选择菲尼克兹PASHW—130S—B热泵机组，其主要技术参数为：制热功率45kw/h.大于42.8kw/h.，机组配套循环泵一台550w，循环水量3.77L/h，配套风机4台，功率4×250W，最大输入功率10.4kw，运行工作电流18.6A （最大22.3A），机组在冬季-15℃时仍能正常工作。

d、校核机组制热、水循环能否满足实际要求：

66吨水温度升高25℃，需要的热量是Q=c×m×t= 4.2×103×66×103×25=6.93×109J焦=6.93×106KJ，设计加热时间为15/2=7.5小时，根据机组参数7.5小时6台热泵的制热量是Q7.5=45×6×3600×7.5=7.29×106KJ>6.93×106KJ，可靠系数7.29/6.93=1.05满足实际要求；水循环量3.77×6=22.62吨，就是说3个小时可以把66吨水循环一遍，可以满足实际需要。

4、其它配套设施的选择

a、保温水箱的增设

考虑原有50吨水箱可以利用，本次增加一个容量16吨的新水箱与原水箱联通，冷水进入50吨水箱，由管道泵循环（流量30吨/小时大于3.77×6=22.62吨）作为6台机组（并联）的总进水，经过机组各自工作制取热水输出（并联）由回流管道回到16吨保温水箱，管网设有水软化处理器、压力表、单向阀、进出水温度传感器，手动截止阀等，具体见管网原理图

b、机组管道循环泵参数的选择

泵的流量按机组总额度流量的1.3倍即1.3×3.77×6吨=29.38吨，可以选择Q=30m3/h的管道泵，其扬程H由下式确定：H≥K×（H+α×L+β×N）+γ×hs=1.1×（3+0.05×30+0.1×26）+ 0.1×80=15.81（m），式中K—-安全系数取1.1，H—进出水管的最大高差m，α—管道每米沿程损失常数0.05，L—循环管道安装长度m，β—常数0.1m/个，N—弯头个数，γ—常数0.1m/kpa hs—机组的进出水压差，由此可选择流量Q=30m/h，扬程H≥15.81米的管道泵选用。

c、进出水主要管道的选择

在选择主干管道时，流速是一个重要参数，依据有关规范、标准、不同规格钢管的允许最大流速如下：φ15./0.3m/s，φ20/0.65m/s，φ25/0.8m/s，φ32/1.0m/s， φ40/1.2m/s，大于φ50/1.5m/s，由Q=Qg=π×（D/2）2×V=（π/4）×D2×V，知D==0.084m=84mm，可选内径φ100mm的镀锌钢管，每台机组的管道内径按不小于=0.0366m=36.6mm选择，故可选φ50mm，式中Q—管道泵的流量m3/h Qg—管道的流量m3/s，D—道的公称直径mm，V—管道的最大允许流速m/s。

d、洗浴卡的应用

为彻底解决职工洗澡问题，必须硬件（设施技术保障）、软件（规章制度落实）一起抓。刷卡洗浴，每分钟按0.2元计算，每人每月按50元补助，节约年底兑现，由于洗浴与自己的利益挂钩，极大调动了职工的节约意识，达到了预期效果。

四、经济效益分析

1、年节水量及其效益

改前、后的用水量分别是150/60吨左右，每天节水90吨，月按25天，年节水90×25×12=27000吨，水价2.37元/吨计，直接效益是Fs=2.37×27000=63990元

2、燃煤锅炉蒸汽制取洗浴水的耗能估算

（1）、锅炉热平衡要遵守能量守恒定律：输入锅炉的热量=锅炉利用的热量+设计工况下的各项热量损失之和。即Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q4+Q6，，其中，Qr-煤燃烧输入锅炉的总热量（千焦/千克，以下单位相同），Q1-锅炉利用的热量，Q2-烟气带走的热量，Q3-气体没有完全反应损失的热量、Q4-固体没有完全反应损失的热量，Q4-锅炉向空气中散发的热量，Q6-燃煤杂质及灰分损失的热量。一般情况下锅炉的热量利用率按80%设计，其它热量损失20%左右，实际运行中蒸汽管道沿途热量损失占10%～20%，如按15%考虑，原煤燃烧热量最大利用率不超过80%×（1-15%）=.68%=0.68

（2） 改前加热150吨洗浴水需要的原煤数量

A 冬季洗浴需要的原煤M1

冬季进水t1=5℃、洗浴t2=55℃考虑，则每天洗浴水需要的热量是Q1=c×m×（t2-t1）=4.2×103×150×103×（55-5）=3.15×107KJ千焦，原煤m1=Q1/（5000×0.68×4.186）=3.15×107//（3400×4.186）=2213.2kg=2.213吨，式中5000—原煤平均低位发热量，千卡/千克，0.68热量最大利用率，热当量4.186=3600/860，千焦/千卡，冬季按84天计算，至少耗煤M1=2.213×84=185.9吨。

B春、秋季洗浴需要的原煤M2

春、秋按进t1=15℃、洗浴t2=55℃考虑，则每天洗浴水需要的热量是：Q2=c×m×（t2-t1）=4.2×103×150×103×（55-15）=2.52×107 KJ千焦，需原煤是m2=Q2/（5000×0.68×4.186）=2.52×107//（3400×4.186）=1770kg=1.77吨，春、秋按168天计算，至少耗煤M2=m2×150=1.77×168=265.5吨

C夏季洗浴需要的原煤M3

按夏t1=25℃、洗浴t2=50℃考虑，则每天洗浴水需要的热量是： Q3=c×m×（t2-t1）=4.2×103×150×103×（50-25）=1.575×107KJ千焦 ，需要原煤m3=1.575×107//（3400×4.186）=1.11吨，以70天计，至少耗煤M3=m3×70=77.7吨。

D洗浴中心年至少耗煤

M=M1+M2+M3=185.9+265.5+77.7=529.1吨每吨原煤按900元，年需资金Fm=900×529.1=476190元

3、投入热泵机组的能耗情况（每天需要洗浴水66吨）

（1）冬季洗浴需要耗电量W1

冬季进水温度按5℃、洗浴温度按55℃考虑（水温升高50℃.） ，则66吨洗浴水需要的热量是Q1=c×m×t=c×m×（t2-t1）=4.2×103×66×103×（55-5）=1.386×1010J焦=1.386×107KJ千焦，换算成制热功率是q1=Q1/3600=1.386×107//3600=3850KW，式中3600—热功当量值千焦/千瓦，6台机组需要的工作时间是h1=q1//（6×45）=3850/270=14.2小时，冬季按84天计，耗电量W1=10.4×6×14.2×84=74430.7kwh ，式中45kw、10.4kw分别是每台机组制热功率和最 大输入功率（以下同）。

（2）春、秋季洗浴需要耗电量W2

春、秋按冬季进水温度按15℃、洗浴温度按55℃考虑（水温升高40℃.），需要的热量是Q2=c×m×t=c×m×（t2-t1）=4.2×103×66×103×（55-15）=1.1088×1010J焦=1.1088×107KJ千焦，等量热功率是q2=Q2/3600=1.1088×107//3600=3080KW，机组需要的工作时间是h2=W2/（6×45）=3080/270=11.4小时，春秋按168天计算，耗电量W2=10.4×6×11.4×150=106704kwh。

（3）夏季洗浴需要耗电量W3

按夏进水25℃、洗浴50℃考虑（水温升高25℃.），每天洗浴水需要的热量是Q3=c×m×t=c×m×（t2-t1）=4.2×103×66×103×（50-25）=6.93×109J焦=6.93×106KJ千焦，换算成制热功率q3=Q3/3600=6.93×106//3600=1925kw，机组工作时间是h3=q3//（6×45）=1925/270=7.12小时，夏按70天计算，W3=10.4×7.12×70==5183.4 kwh

（4）洗浴中心洗澡年耗电量W

W=W1+W2+W3=74430.7+106704+5183.4=186318.1kwh

每度电按综合电价0.85元，年需资金Fd=0.85×186318.1=158370.4元

4、年减少开支费用

F=Fm+Fs-Fd=476190+63990-158370.4.2=381809.6元

五、结束语

新技术的推广应用实实在在的为公司节约了大量资金、人员；同时也减轻职工的劳动强度、提高了员工的工作效率；最重要的是通过新技术的推广应用提高了员工的节能降耗意识。通过计算，热泵技术的应用和推广每年为公司节约人民币38.18万元。

参考文献

[1]章运鹏，周南星.实用电工手册.北京：中国水利出版社，2008.

[2]施振球.动力管道设计手册.中国青年出版社，2008.

[3]蒋柱武，黄天寅.给排水管道工程.同济大学出版社，2011.

[4]化工厂蒸汽系统设计规范.（GB/T 50655-2011）