某賓館熱水系統(tǒng)改造方案經(jīng)濟(jì)性對比分析

朱海明

(約克(中國)商貿(mào)有限公司廣州分公司,廣東廣州510067)

引言

節(jié)約能源是我國的基本國策。根據(jù)2010年7月1日起實(shí)施的 《廣東省節(jié)約能源條例》第四十條第一款規(guī)定,鼓勵(lì)推廣余熱、余氣、沼氣、余壓、垃圾、生物質(zhì)能、煤矸石、油母頁巖等資源綜合利用發(fā)電技術(shù)。酒店的熱回收和熱泵應(yīng)用日趨廣泛,相對于鍋爐、電加熱等傳統(tǒng)方式,熱泵或熱回收能夠極大地節(jié)約能源。目前使用空調(diào)原理來制取生活熱水主要包括如下幾種方式:1)空氣源熱泵直接制取生活熱水[1]。2)水源熱泵在制冷的同時(shí)制取生活熱水[2]。3)空調(diào)冷水機(jī)組的顯熱熱回收[3]。4)空調(diào)冷水機(jī)組的全熱熱回收或部分熱回收[4]。5)空調(diào)冷卻水熱回收[5]。

1 項(xiàng)目概述

某賓館作為廣東省監(jiān)管商貿(mào)酒店重點(diǎn)用能單位,十二五期間需要完成18%的節(jié)能指標(biāo)。目前該賓館使用5臺(tái)冷水機(jī)組制冷,其中包括2臺(tái)600RT水冷離心式冷水機(jī)組,1臺(tái)550RT水冷螺桿式冷水機(jī)組以及2臺(tái)450RT溴化鋰吸收式冷水機(jī)組。其中冷水機(jī)組使用年限均已經(jīng)超過20年,機(jī)組所使用的制冷劑已經(jīng)停產(chǎn),日常維護(hù)費(fèi)用較高。賓館生活熱水由市政蒸汽加熱制取,為了減少蒸汽耗量,計(jì)劃通過更換一臺(tái)制冷量為600RT熱水空調(diào)機(jī)組的方式,采用熱回收或熱泵運(yùn)行方式來制取賓館用的生活熱水。目前賓館的高峰日生活熱水用量為120m3。由于工程限制,天面僅允許增加50m3的生活熱水水箱,當(dāng)熱水量供應(yīng)不足時(shí),采用蒸汽補(bǔ)充加熱熱水方式進(jìn)行生活熱水的制取。本方案通過對顯熱熱回收、全熱熱回收、熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行綜合對比分析,從經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能型方面進(jìn)行綜合論述。這里方案1指的是顯熱熱回收制取生活熱水方案,方案2指的是全熱熱回收制取生活熱水方案,方案3指的是空氣源熱泵制取生活熱水方案。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)給排水設(shè)計(jì)規(guī)范[6],高峰日用水量計(jì)算如下:

式中:

Vh—高峰小時(shí)用水量,L;

Kh—高峰小時(shí)用水量系數(shù),根據(jù)規(guī)范取4.58;

Vt—全天總熱水用量,L;

n—熱水使用時(shí)間,小時(shí)

計(jì)算得到高峰小時(shí)用水量為22.9L,這里為了保守計(jì)算,假設(shè)全天用水集中在19∶00～22∶00四個(gè)小時(shí)內(nèi)用完,那么每個(gè)小時(shí)耗水量為30m3。

2.1 熱回收計(jì)算

顯熱熱回收的計(jì)算根據(jù)某廠家的數(shù)據(jù),按照13%冷凝熱的顯熱回收量進(jìn)行計(jì)算,由于熱回收的熱量與空調(diào)負(fù)荷有關(guān),這里根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范給出空調(diào)設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷的分布曲線如圖1所示,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況按照最熱月開啟2臺(tái)600RT離心機(jī)組作為設(shè)計(jì)負(fù)荷,為簡化計(jì)算模型,在75%,50%,25%負(fù)荷率時(shí)空調(diào)負(fù)荷根據(jù)設(shè)計(jì)日負(fù)荷成等比例變化,空調(diào)運(yùn)行天數(shù)按照ARI標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算系數(shù)分布如表1所示。

圖1 設(shè)計(jì)日空調(diào)全天逐時(shí)負(fù)荷分布圖

表1 空調(diào)全年運(yùn)行天數(shù)分布

熱回收熱量按照式 (2)進(jìn)行計(jì)算:

Qh=Qc×η×3.516×(1+1/COP)(2)

式中:

Qh—熱回收熱量,kW;

Qc—冷負(fù)荷,RT,由于僅1臺(tái)進(jìn)行熱回收,

當(dāng)Qc＞600時(shí),取Qc=600進(jìn)行計(jì)算;

η—熱回收比率,這里顯熱熱回收 COP為0.13,全熱回收為1;

COP—制冷量與功率之比。這里顯熱熱回收的COP為5.12,全熱熱回收為3.86。

小時(shí)熱回收熱水量按照式 (3)進(jìn)行計(jì)算:

式中:

V—小時(shí)熱回收熱水量,L;

Qh—熱回收熱量,kW;

△t—水從常溫加熱到生活熱水溫度的溫差,這里按照15℃加熱到55℃,溫差為40℃。

顯熱熱回收和全熱熱回收計(jì)算結(jié)果如圖2及圖3所示,這里選取100%負(fù)荷率時(shí)制取的生活熱水量進(jìn)行對比,其他負(fù)荷率時(shí)計(jì)算分析相同。

從圖2可以看到,在使用顯熱熱回收制取生活熱水時(shí),由于制取量較少,到晚上開始大量使用生活熱水時(shí),生活熱水水箱中已經(jīng)儲(chǔ)滿50m3熱水,在高峰用水時(shí),由于小時(shí)補(bǔ)充水量較少,38m3熱水均需要蒸汽補(bǔ)充加熱。

從圖3可以看到,在使用全熱熱回收制取生活熱水時(shí),由于制取量較多,僅需在1小時(shí)內(nèi)即可制取50m生活熱水充滿水箱,在高峰期不需要補(bǔ)充蒸汽生產(chǎn)的熱水。由于全熱回收時(shí)熱水溫度的升高,使得機(jī)組效率降低,這里根據(jù)廠家數(shù)據(jù)3.86計(jì)算全熱回收需要增加的電費(fèi)。

最終兩種熱回收方案運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果如表2所示,其中1噸蒸汽可以生產(chǎn)的55℃熱水量可以按照式 (4)、(5)計(jì)算。蒸汽采用蒸汽換熱器進(jìn)行換熱加熱生活熱水,蒸汽價(jià)格為200元/噸,電價(jià)為1元/kWh。顯熱熱回收全年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省22.73萬元,而全熱熱回收全年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省31.82萬元。

式中:

M—生產(chǎn)1kg的熱水所耗用蒸汽量,噸;

ht1—194℃市政飽和蒸汽的焓值,2788kJ/kg;

ht2—市政蒸汽加熱熱水凝結(jié)后凝結(jié)水的焓值,這里凝結(jié)水的溫度為60℃,251kJ/kg;

ht3—15℃自來水焓值,69kJ/kg;

ht4—55℃生活熱水焓值,235kJ/kg

表2 顯熱回收和全熱回收全年運(yùn)行費(fèi)用分析

圖4 空氣源熱泵熱水機(jī)組全年運(yùn)行分析

2.2 空氣源熱泵制取生活熱水計(jì)算

當(dāng)采用空氣源熱泵制取生活熱水時(shí),其控制目標(biāo)為水箱中的水位和水溫,與空調(diào)冷負(fù)荷無關(guān),因此,在選取機(jī)組時(shí),僅與熱水需求有關(guān)。機(jī)組產(chǎn)水率的大小可以根據(jù)負(fù)荷需求情況進(jìn)行迭代計(jì)算,計(jì)算目標(biāo)以無需蒸汽補(bǔ)充加熱為依據(jù),為方便日后將熱泵用于夜間 (23∶00～6∶00)供冷需求,這里將熱泵制取熱水的運(yùn)行時(shí)間定為9小時(shí)。其中機(jī)組產(chǎn)水率為10m3/h,機(jī)組的制熱量為465kW,熱泵機(jī)組COP根據(jù)廠家數(shù)據(jù)選取為3.2。最終計(jì)算結(jié)果如圖4所示,由于水箱大小的限制,在高峰期仍需要蒸汽補(bǔ)充加熱熱水共30m3。

熱泵熱水機(jī)組的全年運(yùn)行分析如表3所示,可以看到如采用熱泵熱水機(jī)組制取熱水,雖然可以節(jié)省蒸汽用量但是并未節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,這是由于空氣源COP較低造成的,這里采用冬季制熱水工況機(jī)組COP進(jìn)行計(jì)算,在一定程度上增加了機(jī)組的運(yùn)行電費(fèi)。

表3 空氣源熱泵熱水機(jī)組全年制取熱水

3 綜合分析

根據(jù)上述3個(gè)方案的分析,對其經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組投資分析如表4所示,可以看到,采用顯熱熱回收方式投資回收期為5.4年,采用全熱回收方式其投資回收期為4.0年,而采用熱泵熱水機(jī)組+單冷冷水機(jī)組方式增加了年運(yùn)行費(fèi)用。在本方案中,由于水箱容量及熱回收機(jī)組臺(tái)數(shù)的限制,使得其在高峰期減少了蒸汽補(bǔ)充量。因而優(yōu)勢較為明顯,從節(jié)能角度來看,本項(xiàng)目中推薦使用全熱回收。由于蒸汽價(jià)格在一定時(shí)期內(nèi)是變化的,這里對不同蒸汽價(jià)格時(shí)的空氣源熱泵相對于蒸汽加熱熱水的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較,如表5所示,可見,僅當(dāng)蒸汽價(jià)格為320元/噸時(shí),其節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用與顯熱熱回收相當(dāng),當(dāng)蒸汽價(jià)格為360元/噸時(shí),其節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用與全熱回收相當(dāng)。而單從空氣源熱泵與蒸汽加熱熱水進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比時(shí),只有當(dāng)蒸汽價(jià)格為240元/噸時(shí),空氣源熱泵在運(yùn)行費(fèi)用上的經(jīng)濟(jì)性才能得到體現(xiàn)。

表4 3種熱水方案綜合投資回收分析

表5 不同蒸汽價(jià)格下空氣源熱泵與蒸汽全年運(yùn)行費(fèi)用對比

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析,可以得到如下結(jié)論:

(1)采用單臺(tái)600RT螺桿式冷水機(jī)組顯熱熱回收可以減少運(yùn)行費(fèi)用22.7萬元,其初投資為122萬元,投資回收期為5.4年;采用單臺(tái)600RT螺桿式冷水機(jī)組全熱熱回收可以減少運(yùn)行費(fèi)用31.8萬元,初投資為128萬元,投資回收期為4年;采用單臺(tái)120RT空氣源熱泵熱水機(jī)組+500RT離心式冷水機(jī)組增加了運(yùn)行費(fèi)用,初投資為177萬元。

(2)顯熱熱回收可以在不影響主機(jī)制冷性能的情況下進(jìn)行熱回收,其熱回收量在本方案可以滿足大部分的熱水需求,在有備用輔助熱源或可實(shí)施多臺(tái)顯熱回收的情況下,可建議酒店使用顯熱熱回收。

(3)全熱熱回收可以較大程度回收空調(diào)冷凝熱,在本方案中,由于水箱容量及熱回收機(jī)組臺(tái)數(shù)的限制,使得其在高峰期減少了蒸汽補(bǔ)充量。因而優(yōu)勢較為明顯,從節(jié)能角度來看,本項(xiàng)目中推薦使用全熱回收。

(4)當(dāng)蒸汽價(jià)格為200元/噸時(shí),相對于使用蒸汽加熱生活熱水,采用空氣源熱泵熱水機(jī)組來制取熱水并不能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。在本項(xiàng)目中不推薦使用。只有當(dāng)蒸汽價(jià)格為240元/噸時(shí),空氣源熱泵在運(yùn)行費(fèi)用上的經(jīng)濟(jì)性才能得到體現(xiàn)。

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[6]GB 50015—2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].