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摘要：介绍了空气源热泵热水机组在设计宿舍工程中的应用。指出热泵热水机组在建筑给排水设计中的选型计算，以及对热泵热水机组应用中存在的问题进行探讨。
关键词：空气源, 热泵,建筑给排水设计,宿舍建筑,热水计算
Abstract: The paper introduces the air source heat pump water heater units in the application of engineering design. Points out that the heat pump water heater units in the selection of building drainage design calculation, and the heat pump water heater units problem in application are discussed.
Key Words: air source heat pump, construction drainage design, dormitory building, hot water is calculated
中图分类号： S276 文献标识码：A文章编号：
什么是热泵？
热泵现在逐渐成为大家讨论的热点话题，节能，环保，绿色是它的代名词。那么热泵到底是什么呢？热泵简单的定义是从低温热源吸热送往高温热源的循环设备。是以消耗一部分低品位能源（机械能、电能或高温热能）为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。其实质是借助降低一定量的功的品位，提供品位较低而数量更多的能量。由于热泵能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有效利用率，因此是回收低温余热、利用环境介质（地下水、地表水、土壤和室外空气等）中储存的能量的重要途径。
热泵的原理及类型
热泵的原理其实很简单。通常情况下，水是从重力势能高的地方流向低的地方，热能也一样是从高温热源向低温热源移动。但是我们利用水泵就能通过电能将水由低洼处提升至高处，热泵就和水泵一样，是将热能从低温热源向高温热源传动，聚集热量，从而提高电能产生热能的利用效率，这比传统的直接采用电加热的热效率高60%~80%。
目前市面上热泵按热源种类分为空气源热泵，水源热泵和地源热泵三种。水源热泵是利用一定温度的水源(20℃以上)作为热源以制冷剂为媒介，将水源中的热量吸收后经压缩机压缩制热，通过热交换器与冷水交换热量以达到取暖和制取热水的目的,水源热泵必须有一定温度和流量的水源，能够保证全年的热水供应，受场地限制较大。地源热泵是利用循环的水经过地下土壤或地下水进行热交换，将大地土壤或者地下水的热能收集以供应热水。地源热泵施工难度比较大，且对地下水有一定热污染影响。空气源热泵以水源热泵类似方法从空气获得热量来加热水，对场地的要求比较小。但是对空气年平均气温有所要求，新版2009年版的建筑给排水设计规范中就提到：最冷月平均气温不小于10℃的地区，可不设辅助热源；最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃时，宜设置辅助热源。因此，空气源热泵在南方地区得到广泛的应用。
空气源热泵在建筑给排水工程中的应用
热泵在建筑给排水工程中的实践例子很多，热泵热水机组的系统组成主要包括：热泵热水机组，保温热水箱，以及补水管，热水给水、回水管道以及管道循环泵等设备。系统组成原理图如下：
图1：空气源热泵热水系统原理图
从图上不难看出：空气源热泵有三台泵构成两个循环。
第一个循环是空气源热泵热水机组与保温热水箱直接的循环，通过热泵将热水箱中的水加热到用户所需的温度。
第二个循环是保温热水箱出水接至住户，然后再由住户返回保温热水箱。增压水泵的设置是在水压不够的情况下设置，回水泵克服管道内的水头损失，将管路中的热回水回流至保温热水箱重复利用。当保温热水箱的水位降至设定位置时，进水管处电磁阀开启，给热水箱补充冷水。
建筑给水排水设计规范（GB50015-2003，2009年版）中对空气源热泵的设计计算有了详细的规定。
空气源热泵的供热量按下式计算：
其中：Qg——水源热泵设计小时供热量（kJ/h）
qr——热水用水定额（L/人·d或L/床·d），按热水定额表中的下限取值。
m——用水计算单位数（人数或床数）；
tr——热水温度，tr=60（℃）；此温度下热水密度为0.9833kg/L；
tl——冷水温度，按四川取7℃；
T1——热泵机组设计工作时间（h/d），取12h~20h；
k1——安全系数，取1.05~1.10。
空气源热泵水加热贮热设备的有效容积，其总贮热水容积为：全日制集中热水供应系统贮热水箱总容积，应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定。当其因素不确定时宜按下式计算：
其中：Qh——设计小时耗热量（kJ/h）；
Qg——设计小时供热量（kJ/h）；
Vr——贮热水箱（罐）总容积（L）；
T——设计小时耗热量持续时间（h），T=2h~4h；
η——有效貯热容积系数，贮热水箱、卧式贮热水罐η=0.80~0.85。立式贮热水罐，η=0.85~0.90；
k2——安全系数，k2=1.10~1.20。
而Qh通过规范5.3条里的公式进行计算。
宿舍热水工程实例
一学生宿舍楼，应甲方要求，每间宿舍设置卫生间，并供应淋浴热水。采用热泵热水机组。每栋楼单独一套热泵热水机组，空气源热泵热水机组及贮热水箱设置在每栋楼的屋面上。宿舍共6层，最大一栋宿舍间数为184户。每间宿舍设计学生床位为6床，并设单独卫生间，供应淋浴热水。
规范中对宿舍分类按《宿舍建筑设计规范》JGJ36-2005进行分类：
Ⅰ类——博士研究生，教师和企业科技人员，每居室1人，有单独卫生间；
Ⅱ类——高等院校的硕士研究生，每居室2人，有单独卫生间；
Ⅲ类——高等院校的本、专科学生，每居室3人~4人，有相对集中卫生间；
Ⅳ类——中等院校的学生和工厂企业的职工，每居室6人~8人，集中盥洗卫生间。
根据规范，该工程每间宿舍人数为6人，单并未设置集中盥洗室，而设置的单独卫生间，因此按“相对集中卫生间”来考虑，应该属于Ⅲ类宿舍。
按Ⅲ类宿舍计算，该建筑设计小时耗热量为：
式中：Qh——设计小时耗热量（kJ/h）；
qh——卫生器具小时用水定额（L/h），学生宿舍淋浴带淋浴小间的为210~300L/h 取中间值250L/h；
C——水的比热，C=4.187（kJ/kg·℃）；
tr——热水温度，宿舍淋浴tr=37~40（℃）；取40℃。
tl——冷水温度，按四川取7℃；
ρr——热水密度，40℃下热水密度为0.9922kg/L；
n0——器具数量。每间宿舍一个淋浴，则最大为184具。
b——卫生器具同时使用百分数；这个查表3.6.6-1得宿舍Ⅲ、Ⅳ类淋浴的同时使用百分数为5~80%。这个取值的区间范围很大，对计算结果的误差影响也相当大。鉴于本工程设计每间宿舍居住的学生数量为6人，大于Ⅲ类宿舍规定的3~4人，因此取较大值60%来考虑计算。
经计算得经计算得：Qh=3783926kj/h =1051.1KW
设计小时热水量：Qrh=3783926/0.99224（40-7）*4.187=27.6m3/h
再根据规范中热泵的计算公式：
由公式可以看出，热泵的供热量与用水计算单位数（人数）有很大关系。取热水用水定额为70L/人·天，每间宿舍按6人考虑：
Qg=1.10*1104*70*4.187*（40-7）*0.99224/16=728405KJ/h=202kw
甲方指定热泵厂家提供的设备参数为热泵热水机组DE-92W/DY 型，制热量为39KW/h产热水量（按55℃热水考虑）为825L/h 采用5台并联使用，制热量为195KW/h=702000KJ/h
再根据规范公式二进行热水贮水箱的计算：
=49M3
因此选用50m3热水贮水箱。
全日制供应热水系统的热水循环流量：
Qs——配水管道的热损失，可按单体建筑：3%~5%Qh；小区：4%~6%Qh考虑。本工程取4%。
——配水管道的热水温度差，按系统大小确定。可按单体建筑5℃~10℃；小区6℃~12℃。本工程取6℃。
因此=6.07m3/h
通过计算配水管道及回水管道的水头损失得循环水泵的扬程为8m。
采用热泵系统需要注意的问题
从以上计算可以看出，热泵系统的设计及计算并不困难，但是需要注意以下几点：
空气源热泵的使用条件。规范中对空气源热泵的使用环境温度有要求：最冷月平均气温不小于10℃的地区，可不设辅助热源。最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃时，宜设置辅助热源。设置辅助热源应就地获取，经过经济技术比较，选用投资省、低能耗热源。
空气源热泵热水机组不得布置在通风条件差、环境噪声控制严及人员密集场所。机组进风面距遮挡物宜大于1.5m，控制面距墙宜大于1.2m，顶部出风的机组，其上部净空宜大于4.5m。机组进风面相对布置时，其间距宜大于3.0m。
在热水管道上应设置自动排气阀，金属波纹管等以保护管道热胀冷缩时的對管道造成的损害。
结论。遗留问题，展望未来热泵的发展，为今后空气源热泵的改进提出的意见与建议。
热泵技术已经在工程实践中不断走向成熟，成为环保，节能的标志出现在人们的视野中。虽然目前市面上的热泵厂家良莠不齐，设备使用寿命、衰减量、还不够确定、噪音因素等，加之受各种其他条件因素限制，使热泵技术不能在任何工程中都得到良好的发挥。有些工程依然不得不采用传统的热水制备方式，对能源的浪费将随着时间的推移逐渐凸显。热泵的经济效益也要随着时间才能显现，希望热泵的生产制造商们能够继续研发，使得热泵能够更适应所有的建筑，从而得到更好的认可和利用，为创造一个绿色的明天而努力。
参考文献：
建筑给水排水设计手册 第二版（上册） 中国建筑工业出版社
建筑给水排水设计规范（2009年版）中国计划出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：空气源, 热泵,建筑给排水设计,宿舍建筑,热水计算
Abstract: The paper introduces the air source heat pump water heater units in the application of engineering design. Points out that the heat pump water heater units in the selection of building drainage design calculation, and the heat pump water heater units problem in application are discussed.
Key Words: air source heat pump, construction drainage design, dormitory building, hot water is calculated
中图分类号： S276 文献标识码：A文章编号：
什么是热泵？
热泵现在逐渐成为大家讨论的热点话题，节能，环保，绿色是它的代名词。那么热泵到底是什么呢？热泵简单的定义是从低温热源吸热送往高温热源的循环设备。是以消耗一部分低品位能源（机械能、电能或高温热能）为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。其实质是借助降低一定量的功的品位，提供品位较低而数量更多的能量。由于热泵能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有效利用率，因此是回收低温余热、利用环境介质（地下水、地表水、土壤和室外空气等）中储存的能量的重要途径。
热泵的原理及类型
热泵的原理其实很简单。通常情况下，水是从重力势能高的地方流向低的地方，热能也一样是从高温热源向低温热源移动。但是我们利用水泵就能通过电能将水由低洼处提升至高处，热泵就和水泵一样，是将热能从低温热源向高温热源传动，聚集热量，从而提高电能产生热能的利用效率，这比传统的直接采用电加热的热效率高60%~80%。
目前市面上热泵按热源种类分为空气源热泵，水源热泵和地源热泵三种。水源热泵是利用一定温度的水源(20℃以上)作为热源以制冷剂为媒介，将水源中的热量吸收后经压缩机压缩制热，通过热交换器与冷水交换热量以达到取暖和制取热水的目的,水源热泵必须有一定温度和流量的水源，能够保证全年的热水供应，受场地限制较大。地源热泵是利用循环的水经过地下土壤或地下水进行热交换，将大地土壤或者地下水的热能收集以供应热水。地源热泵施工难度比较大，且对地下水有一定热污染影响。空气源热泵以水源热泵类似方法从空气获得热量来加热水，对场地的要求比较小。但是对空气年平均气温有所要求，新版2009年版的建筑给排水设计规范中就提到：最冷月平均气温不小于10℃的地区，可不设辅助热源；最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃时，宜设置辅助热源。因此，空气源热泵在南方地区得到广泛的应用。
空气源热泵在建筑给排水工程中的应用
热泵在建筑给排水工程中的实践例子很多，热泵热水机组的系统组成主要包括：热泵热水机组，保温热水箱，以及补水管，热水给水、回水管道以及管道循环泵等设备。系统组成原理图如下：
图1：空气源热泵热水系统原理图
从图上不难看出：空气源热泵有三台泵构成两个循环。
第一个循环是空气源热泵热水机组与保温热水箱直接的循环，通过热泵将热水箱中的水加热到用户所需的温度。
第二个循环是保温热水箱出水接至住户，然后再由住户返回保温热水箱。增压水泵的设置是在水压不够的情况下设置，回水泵克服管道内的水头损失，将管路中的热回水回流至保温热水箱重复利用。当保温热水箱的水位降至设定位置时，进水管处电磁阀开启，给热水箱补充冷水。
建筑给水排水设计规范（GB50015-2003，2009年版）中对空气源热泵的设计计算有了详细的规定。
空气源热泵的供热量按下式计算：
其中：Qg——水源热泵设计小时供热量（kJ/h）
qr——热水用水定额（L/人·d或L/床·d），按热水定额表中的下限取值。
m——用水计算单位数（人数或床数）；
tr——热水温度，tr=60（℃）；此温度下热水密度为0.9833kg/L；
tl——冷水温度，按四川取7℃；
T1——热泵机组设计工作时间（h/d），取12h~20h；
k1——安全系数，取1.05~1.10。
空气源热泵水加热贮热设备的有效容积，其总贮热水容积为：全日制集中热水供应系统贮热水箱总容积，应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定。当其因素不确定时宜按下式计算：
其中：Qh——设计小时耗热量（kJ/h）；
Qg——设计小时供热量（kJ/h）；
Vr——贮热水箱（罐）总容积（L）；
T——设计小时耗热量持续时间（h），T=2h~4h；
η——有效貯热容积系数，贮热水箱、卧式贮热水罐η=0.80~0.85。立式贮热水罐，η=0.85~0.90；
k2——安全系数，k2=1.10~1.20。
而Qh通过规范5.3条里的公式进行计算。
宿舍热水工程实例
一学生宿舍楼，应甲方要求，每间宿舍设置卫生间，并供应淋浴热水。采用热泵热水机组。每栋楼单独一套热泵热水机组，空气源热泵热水机组及贮热水箱设置在每栋楼的屋面上。宿舍共6层，最大一栋宿舍间数为184户。每间宿舍设计学生床位为6床，并设单独卫生间，供应淋浴热水。
规范中对宿舍分类按《宿舍建筑设计规范》JGJ36-2005进行分类：
Ⅰ类——博士研究生，教师和企业科技人员，每居室1人，有单独卫生间；
Ⅱ类——高等院校的硕士研究生，每居室2人，有单独卫生间；
Ⅲ类——高等院校的本、专科学生，每居室3人~4人，有相对集中卫生间；
Ⅳ类——中等院校的学生和工厂企业的职工，每居室6人~8人，集中盥洗卫生间。
根据规范，该工程每间宿舍人数为6人，单并未设置集中盥洗室，而设置的单独卫生间，因此按“相对集中卫生间”来考虑，应该属于Ⅲ类宿舍。
按Ⅲ类宿舍计算，该建筑设计小时耗热量为：
式中：Qh——设计小时耗热量（kJ/h）；
qh——卫生器具小时用水定额（L/h），学生宿舍淋浴带淋浴小间的为210~300L/h 取中间值250L/h；
C——水的比热，C=4.187（kJ/kg·℃）；
tr——热水温度，宿舍淋浴tr=37~40（℃）；取40℃。
tl——冷水温度，按四川取7℃；
ρr——热水密度，40℃下热水密度为0.9922kg/L；
n0——器具数量。每间宿舍一个淋浴，则最大为184具。
b——卫生器具同时使用百分数；这个查表3.6.6-1得宿舍Ⅲ、Ⅳ类淋浴的同时使用百分数为5~80%。这个取值的区间范围很大，对计算结果的误差影响也相当大。鉴于本工程设计每间宿舍居住的学生数量为6人，大于Ⅲ类宿舍规定的3~4人，因此取较大值60%来考虑计算。
经计算得经计算得：Qh=3783926kj/h =1051.1KW
设计小时热水量：Qrh=3783926/0.99224（40-7）*4.187=27.6m3/h
再根据规范中热泵的计算公式：
由公式可以看出，热泵的供热量与用水计算单位数（人数）有很大关系。取热水用水定额为70L/人·天，每间宿舍按6人考虑：
Qg=1.10*1104*70*4.187*（40-7）*0.99224/16=728405KJ/h=202kw
甲方指定热泵厂家提供的设备参数为热泵热水机组DE-92W/DY 型，制热量为39KW/h产热水量（按55℃热水考虑）为825L/h 采用5台并联使用，制热量为195KW/h=702000KJ/h
再根据规范公式二进行热水贮水箱的计算：
=49M3
因此选用50m3热水贮水箱。
全日制供应热水系统的热水循环流量：
Qs——配水管道的热损失，可按单体建筑：3%~5%Qh；小区：4%~6%Qh考虑。本工程取4%。
——配水管道的热水温度差，按系统大小确定。可按单体建筑5℃~10℃；小区6℃~12℃。本工程取6℃。
因此=6.07m3/h
通过计算配水管道及回水管道的水头损失得循环水泵的扬程为8m。
采用热泵系统需要注意的问题
从以上计算可以看出，热泵系统的设计及计算并不困难，但是需要注意以下几点：
空气源热泵的使用条件。规范中对空气源热泵的使用环境温度有要求：最冷月平均气温不小于10℃的地区，可不设辅助热源。最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃时，宜设置辅助热源。设置辅助热源应就地获取，经过经济技术比较，选用投资省、低能耗热源。
空气源热泵热水机组不得布置在通风条件差、环境噪声控制严及人员密集场所。机组进风面距遮挡物宜大于1.5m，控制面距墙宜大于1.2m，顶部出风的机组，其上部净空宜大于4.5m。机组进风面相对布置时，其间距宜大于3.0m。
在热水管道上应设置自动排气阀，金属波纹管等以保护管道热胀冷缩时的對管道造成的损害。
结论。遗留问题，展望未来热泵的发展，为今后空气源热泵的改进提出的意见与建议。
热泵技术已经在工程实践中不断走向成熟，成为环保，节能的标志出现在人们的视野中。虽然目前市面上的热泵厂家良莠不齐，设备使用寿命、衰减量、还不够确定、噪音因素等，加之受各种其他条件因素限制，使热泵技术不能在任何工程中都得到良好的发挥。有些工程依然不得不采用传统的热水制备方式，对能源的浪费将随着时间的推移逐渐凸显。热泵的经济效益也要随着时间才能显现，希望热泵的生产制造商们能够继续研发，使得热泵能够更适应所有的建筑，从而得到更好的认可和利用，为创造一个绿色的明天而努力。
参考文献：
建筑给水排水设计手册 第二版（上册） 中国建筑工业出版社
建筑给水排水设计规范（2009年版）中国计划出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。