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設計院高工教你嚴謹計算建筑熱負荷及空氣源熱泵主機選型
對于熱泵主機選型，絕大部分人都是憑經驗，或者通過簡單的估算。這樣做其實有很大的運氣成分，一不小心就可能滿盤皆輸。熱泵商學院金牌講師安建新老師說，對做工程的經銷商來說，經驗固然重要，但也要有一定的專業知識積累。接下來，我們來聽聽安老師是如何教大家選主機的。
如何計算基本耗熱量
在進行鍋爐改造、廠房改造都需要進行設備選型。大家都是怎么選主機的?我想用的最多的應該是熱指標法，就是用熱指標乘以面積得到需要的熱負荷，然后根據熱負荷選主機。
這種方法用的很廣，今天我還要講一個簡單計算方法。即：
基本耗熱量=傳熱系數*傳熱面積*室內外溫差
大家不要見到公式就發懵，其實很簡單。比如說你算窗戶的耗熱量，就用窗戶的傳熱系數乘以窗戶的面積，再乘以室內外溫差。同理，如果是外墻，就用墻體的傳熱系數，乘以外墻面積，再乘以溫差。同樣也可以算出屋頂的耗熱量。也就是說，你要計算哪一部分的耗熱量，就用哪一部分的傳熱系數乘以面積再乘以溫差就可以了。
表1：常用維護結構傳熱系數K(W/㎡·℃)
名稱
K
名稱
K
外磚墻（內抹灰）一磚
2.08
實體木外門二層
2.33
外磚墻（內抹灰）一磚半
1.56
帶玻璃的陽臺門一層
5.82
外磚墻（內抹灰）二磚
1.27
帶玻璃的陽臺門二層
2.67
內磚墻半磚
2.30
外窗及天窗一層木框
5.82
內磚墻一磚
1.72
外窗及天窗二層木框
2.67
實體木外門一層
4.65
外窗及天窗二層金屬框
3.26
注：表中磚指實心粘土磚
表1就是一些常用的傳熱系數數據，比如說外磚墻，一磚也就是我們說的24墻，傳熱系數是2.08，而一磚半就是37墻，傳熱系數是1.56。從傳熱系數，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。一些常用的圍護結構傳熱系數，比如說外墻、中空玻璃等等，我們查了一次后可以記下來，下次要用到的時候就可以很方便、快捷地計算。
以北京某辦公室為例教你計算
下面我們看一個例題：
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荷。
我們可以從傳熱系數表查到37墻傳熱系數是1.56，雙層中空玻璃的傳熱系數這里按斷橋鋁材質取2.4(材質不同區別很大，比如說塑鋼的、斷橋鋁的、玻璃材質的等)。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是-7.6℃(查自《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012)，室內溫度取20℃，室內外溫差為27.6℃。
把這些數據代入公式，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耗熱量的，我們在取負荷值時，還要計算冷風耗熱量，一般按基本耗熱量的30%計算，這是簡易的算法。這樣我們就可以得出：
房間的熱負荷=基本耗熱量×1.3=783*1.3=1017W
因為我們是計算主機選型，只需計算外圍護的耗熱量，內墻部分，由于是緊挨著的，不需計算。另外，要注意的是，這里計算是按連續24小時采暖來計算的，如果是間歇性采暖，則需要進行折算。方法為：24小時×連續熱負荷/供暖小時數。
還是以剛才的例子來說明。北京20平米的房間，計算出來的熱負荷是1017W，這是24小時連續供暖的負荷，如果只是白天12小時供暖，則負荷就不夠了，這時候需要除以供暖時長，即：24*1017/12=2034W。
還要注意的是，我們在計算時忽略了一些修正參數，比如說房間的朝向修正、風力附加修正等等。
剛才我們算的是一個標間，就一面外墻和窗戶，如果是一棟樓呢?如下圖：
兩個外門，我們把它簡化成窗戶，那是不是就是36個標間?我們只要算出一個標間的熱負荷，再乘以數量，是不是這面墻的熱負荷就算出來了?當然，我們也可以按整面墻的面積減去所有窗戶面積，像前面計算的那樣代入到公式，也是可以的，計算出來的結果是一樣的。這一面算出來了，另外幾面也可以算出來，把各個面的熱負荷加起來，就是這棟樓的總熱負荷。
我們剛才用的就是簡單計算的方法，接下來我們用大家經常用的估算方法來算下，即：熱負荷=面積*熱指標。
還是以北京20平米的房間為例，熱指標按煤改電政府要求的80W/㎡，則：熱負荷=80*20=1600W
從計算結果可以看出，這種估算的方式和之前計算出來的1017W(煤改電農戶都是連續供暖，因此這里也以連續供暖數據來對比)結果還是有很大的差別的。一個20平的小房間都是如此，大型供暖項目就差的更離譜了。
影響熱負荷的因素有哪些?
從上面的計算的公式，我們也可以得出影響采暖熱負荷的一些因素，跟建筑的圍護結構、所在地區、建筑用途、體量等有很大關系。
表2：我國各主要城市的“供暖室外計算溫度”（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：《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736—2012，附錄A
舉個例子，同樣用途的建筑，圍護結構等基本情況都差不多，分別位于北京和合肥，在計算時室外溫度采暖計算參數就有很大區別，北京是—7.6℃，合肥是—1.7℃，差不多相差6℃，在室內溫度要求相同的情況下，溫差就有6℃的區別，計算出來的熱負荷，合肥差不多只有北京的30%。這個是工程所在地不同，不同氣溫的差異。
此外，不同體量，也就是建筑物的面積、層數、高度等不同，能耗也是不一樣的，出入可能很大。比如說，一個小區，有6層，也有20層的，一般來說，20層的熱指標要比6層的要小一點。
即使是同一個建筑，不同的使用功能也可能相差很多。比如某個商業綜合體，燒烤餐廳冷指標可能在300W/㎡，而商用辦公區域可能只要100W/㎡就夠了，相差達到了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，熱負荷要比居住建筑大一些。比如說，辦公樓熱指標可能在50W/㎡，但居住建筑可能只要30W/㎡左右。
上面這些都是影響熱負荷的一些因素，用途、外保溫情況、當地室外氣溫、建筑面積、層高等等。另外，間歇采暖也對熱指標有影響。
熱指標的出處是《城鎮供熱管網設計規范》CJJ34—2010，最初用來計算管網還有熱源。要注意的是，這本規范是應用在城鎮集中供熱的，而且是適用于“三北地區”，即東北、西北、華北這三個地區，并不是所有地區都合適。它的特點是連續供暖，24小時不間斷供暖，而熱泵改造項目常常不具備這些條件，像辦公樓、學校、工廠等，很多都是間歇供暖，這個是需要進行折算的。
表3：各類建筑類型采暖熱指標推薦值
|
建筑物類型 |
采暖熱指標推薦值（W/㎡） |
|
|
未采取節能措施 |
采取節能措施 |
|
|
住宅 |
58～64 |
40～45 |
|
綜合居住區 |
60～68 |
45～55 |
|
學校、辦公 |
60～80 |
50～70 |
|
醫院、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《城鎮供熱管網設計規范》CJJ34—2010給出的熱指標，這是連續供暖時的熱指標。從這個表也可以得出一些結論：非節能建筑熱指標要高于節能節能，公共建筑熱指標要高于居住建筑。像學校、辦公樓、醫院、旅館、商店等，這些場所的熱指標要大一些，而食堂、展館、大禮堂之類的，很多都是單層建筑，熱指標要更高。
間歇采暖的，因此在計算負荷的時候，要根據供暖小時數進行折算：
間歇熱指標：24小時*連續供熱指標/供暖小時數
表4：各類建筑類型連續供暖、間歇供暖熱指標推薦值
|
建筑物類型 |
采暖熱指標推薦值（W/㎡） |
|||||
|
未采取節能措施 |
采取節能措施 |
|||||
|
連續供暖 |
采暖12h |
采暖18h |
連續供暖 |
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 |
60～68 |
120～138 |
80～91 |
45～55 |
90～110 |
60～73 |
|
學校、辦公 |
60～80 |
120～160 |
80～107 |
50～70 |
100～140 |
67～93 |
|
醫院、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就是根據之前的熱指標數據，在間歇供暖12小時、18小時時的熱指標。我們看到，間歇供暖的時候，根據實際供暖的時長的不同，供暖熱指標也是不同的。當然，不管是《城鎮供熱管網設計規范》CJJ34—2010給出來的熱指標，還是折算出來的，都只是一個參考的數據，只要知道熱指標的出處，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有大有小，在我們做工程主機選型有很大幫助，多了解這些東西，可以讓我們少走很多彎路。
主機選型要注意溫度和融霜修正
下面說一下主機選型。
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，這里面要注意兩個修正，千萬不要用主機的額定制熱量去選機組。比如說，項目在合肥和北京，室外溫度是不一樣，而主機的額定制熱量是相同的，如果不做修正的話肯定不合適。
空氣源熱泵機組的冬季制熱量會受到室外空氣溫度、濕度和機組本身的融霜性能的影響，在設計工況下的制熱量通常采用下面公式計算：
Q=q*k1*K2
式中：Q——機組設計工況下的制熱量，KW;q——產品標準工況下的制熱量(標準工況：室外空氣干球溫度7℃，濕球溫度6℃)，KW;K1——使用點取室外空調計算干球濕度修正系數，按產品樣本選取;K2——機組融霜修正系數，應根據生產廠家提供的數據修正，當無數據時，可按每小時融霜一次去0.9，兩次取0.8。
請注意：
《暖規》所述空氣源熱泵標準工況(標準工況：室外空氣干球溫度7℃，濕球溫度6℃)實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“風冷熱泵”。當我們選擇低溫熱泵的時候，其名義工況應為：室外空氣干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃(依據：GBT25127.2-2010低環境溫度空氣源熱泵(冷水)機組第2部分：戶用及類似用途的熱泵(冷水)機組)。
無論是常規空氣源熱泵還是低溫空氣源熱泵，我們應注意其樣本額定參數的的標準工況或名義工況，在此基礎上進行修正
表5：某品牌70KW主機在其它工況下性能一覽
|
出水溫度55℃ |
|||
|
環境溫度 |
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，而項目當地實際工況是—10℃，那么我們就可以直接查樣本—10℃環境溫度下機組的制熱量，即46.24KW。如果樣本查不到，也可以向廠家進行咨詢，這樣是最準確的。
這里說的是基本耗熱量，忽略了一些修正的耗熱量，比如說冷風附加率、風力附加率、層高附加率、朝向附加率等。