熱泵熱回收結(jié)合高熱供給酒店生活熱水的探討

顧 軍

(艾奕康咨詢(深圳)有限公司上海分公司，上海 200040)

熱泵熱回收結(jié)合高熱供給酒店生活熱水的探討

顧 軍

(艾奕康咨詢(深圳)有限公司上海分公司，上海 200040)

針對(duì)某酒店管理公司關(guān)于空調(diào)制冷系統(tǒng)須設(shè)有最少一臺(tái)熱回收型冷水機(jī)組作為生活熱水的預(yù)熱用途的要求，詳細(xì)介紹了采用全熱回收型風(fēng)冷熱泵并結(jié)合電蓄熱鍋爐作為酒店生活熱水系統(tǒng)熱源的方案選擇情況，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組選型計(jì)算了電蓄熱鍋爐容量，并與傳統(tǒng)生活熱水熱源做了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，結(jié)果表明采用全熱回收風(fēng)冷熱泵結(jié)合電蓄熱鍋爐作為生活熱水熱源有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

酒店，全熱回收風(fēng)冷熱泵，電蓄熱鍋爐，經(jīng)濟(jì)

酒店項(xiàng)目在制冷季節(jié)中央空調(diào)系統(tǒng)向建筑室內(nèi)提供冷氣的同時(shí)，會(huì)排出大量的冷凝熱，冷凝熱通常通過冷卻塔或風(fēng)冷冷凝器排放到大氣中，冷凝熱可達(dá)制冷量的1.18倍～1.3倍[1]，對(duì)于冷水機(jī)組排放的冷凝熱予以回收用于預(yù)熱生活熱水，是一種高效、節(jié)能并具有顯著經(jīng)濟(jì)性的節(jié)能途徑。以下結(jié)合某酒店項(xiàng)目實(shí)例，根據(jù)風(fēng)冷熱泵作為酒店中央空調(diào)冷、熱源情況下，確定將空調(diào)冷凝熱用于酒店生活熱水系統(tǒng)的預(yù)熱并與承壓電蓄熱鍋爐聯(lián)合供熱的生活熱水供熱方案，且與常規(guī)的生活熱水熱源進(jìn)行比較，分析和探討空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)的給排水設(shè)計(jì)系統(tǒng)特點(diǎn)。

1 工程概況

本項(xiàng)目酒店位于華東地區(qū)，地處長(zhǎng)江以南，夏季空調(diào)冷負(fù)荷大、供冷時(shí)間較長(zhǎng)(本項(xiàng)目為5個(gè)月)，冬季平均氣溫基本在0 ℃～10 ℃，較為適宜采用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源。

本酒店由2棟建筑物組成，其中一棟6層高的建筑物為歷史保護(hù)建筑，改造后功能為中餐廳、宴會(huì)廳/多功能廳、會(huì)所、水療及酒廊等，屋頂為酒吧及空中花園；一棟24層高的建筑物改造后功能為酒店大堂、后勤用房、游泳池、機(jī)電用房、酒店客房、特色餐廳及空中酒吧。本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)冷熱源為風(fēng)冷熱泵，總共設(shè)置5臺(tái)200RT的風(fēng)冷熱泵，其中兩臺(tái)為全熱回收型。

2 生活熱水系統(tǒng)耗熱量計(jì)算

酒店冬季生活熱水用水量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 酒店冬季生活熱水用水量計(jì)算結(jié)果

酒店生活熱水供應(yīng)范圍為洗浴、洗滌、洗衣房等功能(不含洗衣房)。為便于計(jì)算，本文按酒店月平均出租率保持不變，各季節(jié)酒店每日生活熱水使用量恒定，耗熱量波動(dòng)僅與冷水補(bǔ)水溫度有關(guān)。

3 生活熱水耗熱量與空調(diào)風(fēng)冷熱泵運(yùn)行工況分析

酒店空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷熱泵作為冷熱源，全年運(yùn)行主要分為3種工況:制冷季節(jié)：兩臺(tái)全熱回收型熱泵及三臺(tái)普通風(fēng)冷熱泵均為制冷模式。過渡季節(jié)：當(dāng)需要制冷時(shí)，優(yōu)先采用全熱回收型熱泵以制冷模式運(yùn)行，其余普通風(fēng)冷熱泵備用；當(dāng)需要制熱時(shí)，普通風(fēng)冷熱泵則以制熱模式運(yùn)行，兩臺(tái)全熱回收型熱泵備用。制熱季節(jié)：三臺(tái)普通風(fēng)冷熱泵為制熱模式，一臺(tái)全熱回收型熱泵為制冷模式，一臺(tái)全熱回收型熱泵備用。酒店是具有多種使用功能的綜合性建筑，其使用時(shí)段及規(guī)模逐時(shí)變化差異很大，夜間負(fù)荷很低，6:00～7:00，12:00～13:00，19:00～22:00均為用水高峰，其中以晚上用水峰值最高。且全年冷水補(bǔ)水水溫波動(dòng)也較大，對(duì)于耗熱量有較大影響。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況，并結(jié)合相應(yīng)季節(jié)酒店生活熱水耗熱量，對(duì)采用全熱回收風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為生活熱水熱源的可行性進(jìn)行分析。

制冷季節(jié)：將夏季生活熱水耗熱量與暖通專業(yè)提供制冷季節(jié)下設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷凝熱回收量(供回水溫度為50 ℃/45 ℃)做對(duì)比(詳見圖1)，可以看出：夏季設(shè)計(jì)制冷工況下，生活熱水平均小時(shí)耗熱量?jī)H占空調(diào)冷凝熱產(chǎn)生量的6.5%左右。可見，制冷季節(jié)空調(diào)冷凝熱作為生活熱水的預(yù)熱是可行的。

過渡季節(jié)：在過渡季節(jié)，制冷工況下優(yōu)先運(yùn)行全熱回收型機(jī)組，回收空調(diào)冷凝熱作為生活熱水的預(yù)熱。若不需要制冷，則全熱回收機(jī)組按制熱模式運(yùn)行，作為生活熱水的預(yù)熱。對(duì)比過渡季節(jié)生活熱水最高日耗熱量與單臺(tái)全熱回收型風(fēng)冷熱泵的制熱能力(詳見圖2)(風(fēng)冷熱泵制熱能力按日平均溫度15 ℃，供回水溫度為50 ℃/45 ℃計(jì))[2]，可見過渡季單臺(tái)風(fēng)冷熱泵的制熱能力可以滿足此工況下生活熱水耗熱量需求。

制熱季節(jié)：取當(dāng)?shù)氐湫湍曜畈焕?日平均溫度-1.3 ℃，日最低溫度-3.9 ℃)[2]對(duì)單臺(tái)風(fēng)冷熱泵供熱能力與最高日生活耗熱量進(jìn)行對(duì)比分析(詳見圖3)(風(fēng)冷熱泵供熱能力按日平均溫度-1.3 ℃計(jì)，供回水溫度為45 ℃/40 ℃)，在19時(shí)～22時(shí)風(fēng)冷熱泵供熱能力約占此時(shí)刻的生活耗熱量的需求90%。但因僅需預(yù)熱生活熱水至35 ℃，故仍可滿足生活熱水耗熱量的要求。

4 輔助加熱系統(tǒng)選擇及設(shè)備選型

根據(jù)全熱回收型風(fēng)冷熱泵的運(yùn)行特性，其供回水溫度為50 ℃/45 ℃(最不利工況下為45 ℃/40 ℃)，無法將生活熱水加熱至所需的60 ℃溫度，故只能作為生活熱水的預(yù)熱，另設(shè)置輔助熱源將生活熱水進(jìn)一步加熱至60 ℃。

一般生活熱水系統(tǒng)的制熱設(shè)備有燃?xì)?燃油鍋爐、太陽能集熱器及電鍋爐等，針對(duì)本項(xiàng)目實(shí)際情況分析如下：

1)因本項(xiàng)目位于鬧市區(qū)繁華地段，燃油/燃?xì)鈨捎脽崴仩t燃燒產(chǎn)生的煙氣中排放大量的CO2。同時(shí)煙氣中還含有SO2,CO,NOx等有害氣體,對(duì)周邊環(huán)境有一定的影響，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)評(píng)要求需要至塔樓屋頂高空排放，鑒于塔樓客房區(qū)面積限制，同時(shí)屋頂根據(jù)建筑要求為屋頂酒吧，對(duì)于周邊環(huán)境要求較高。故不推薦選用燃油/燃?xì)鈨捎脽崴仩t作為生活熱水輔助加熱的熱源。

2)本項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，屋面面積較小，無法滿足設(shè)置太陽能集熱器的要求。故無法采用太陽能作為本項(xiàng)目生活熱水的輔助熱源。

根據(jù)當(dāng)?shù)亍豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求：“不應(yīng)采用直接電加熱作為集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源”。故無法采用直接電加熱作為本項(xiàng)目生活熱水的輔助熱源，但可以采用蓄熱的方式作為生活熱源。電蓄熱系統(tǒng)可分為常壓低溫蓄熱和承壓高溫蓄熱兩種方式，承壓型高溫蓄熱電熱水鍋爐集蓄熱、熱交換、控制為一體，采用蓄能壓力罐加熱儲(chǔ)存熱水，它與熱交換器的一次側(cè)相連，是個(gè)封閉系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)不需補(bǔ)水，水質(zhì)好，避免鍋筒、電加熱元件、熱交換器一次側(cè)結(jié)垢及電加熱元件燒壞的可能性。承壓蓄熱比常壓蓄熱的儲(chǔ)熱罐容積小，系統(tǒng)緊湊，鍋爐房面積小，熱效率高[4]。

綜合以上因素，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)承壓型高溫蓄熱電熱水鍋爐作為生活熱水系統(tǒng)的輔助熱源。蓄能壓力罐放熱運(yùn)行時(shí),工作壓力維持在0.4 MPa～0.5 MPa之間,始終大于蓄能壓力罐內(nèi)水溫對(duì)應(yīng)的汽化壓力(145 ℃高溫水對(duì)應(yīng)的汽化壓力為0.32 MPa),可保證熱水不汽化[3]。

蓄熱電鍋爐計(jì)算。本項(xiàng)目冬季冷水平均補(bǔ)水溫度按5 ℃計(jì)，熱水供水溫度為60 ℃，風(fēng)冷熱泵僅能預(yù)熱生活熱水至35 ℃，可知冬季工況下蓄熱電鍋爐需要負(fù)擔(dān)(60-35)/(60-5)≈45%的最高日生活耗熱量，風(fēng)冷熱泵需要負(fù)擔(dān)剩余的55%的最高日生活耗熱量。考慮在極端氣候下風(fēng)冷熱泵供熱不足時(shí)的熱水系統(tǒng)供水安全性、設(shè)備維護(hù)及安全余量等因素在內(nèi)；同時(shí)考慮冬季工況縮短風(fēng)冷熱泵供熱時(shí)間，并降低風(fēng)冷熱泵噪聲對(duì)周邊建筑的影響，故谷電時(shí)段生活熱水由蓄熱電鍋爐直接供給(約占最高日生活熱水耗熱量的17.5%)，同時(shí)進(jìn)行蓄熱。谷電時(shí)段中耗熱量最大的時(shí)段為22:00～23:00，約占最高日生活熱水耗熱量的4.96%。蓄熱電鍋爐儲(chǔ)水量按45%的6:00～22:00時(shí)段內(nèi)生活耗熱量疊加谷電時(shí)段20 min最大小時(shí)耗熱量的儲(chǔ)水量進(jìn)行選型。

Vr=K×(1/3×Q22:00～23:00+45%×Q6:00～22:00)/(C×Δt×η×ρr)=1.1×(1/3×0.049 6×26 204 609+0.45×0.825×26 204 609)/(4.187×75×958.345×0.9)=37.52 m3。

其中，Vr為蓄熱電鍋爐容積，m3；K為安全系數(shù)，取1.1；Qd為最高日生活熱水耗熱量，取26 204 609 kJ，詳見生活熱水耗熱量計(jì)算；C為水的比熱，取4.187 kJ/(kg·℃)；Δt為蓄熱溫差，取145-70=75 ℃；η為有效蓄熱容積系數(shù)，取0.9；ρr為熱水密度，取958.345 kg/L；Q22:00～23：00為22:00～23:00時(shí)段生活熱水耗熱量，kJ/d；Q6:00～22:00為6:00～22:00時(shí)段生活熱水耗熱量，kJ/d。

加熱電功率：N=Q22:00～23:00+40%×Q6:00～22:00/8=4.96%×26 204 609+45%×82.5%×26 204 609/8=2 515 806≈700 kW。

其中，N為電加熱功率，kW；其他符號(hào)同上公式。

實(shí)際選型為蓄熱容積20 m3、配350 kW電加熱棒的電蓄熱鍋爐2臺(tái)。

5 生活熱水系統(tǒng)的選擇及流程

根據(jù)上文分析可知，本項(xiàng)目全熱回收風(fēng)冷熱泵作為生活熱水預(yù)熱熱源，預(yù)熱水需經(jīng)進(jìn)一步加熱后才可作為生活熱水之用。再加熱設(shè)備有多種選擇，可選用板式換熱器、半容積式加熱器及容積式加熱器等。針對(duì)本項(xiàng)目熱源的特殊性，對(duì)生活熱水換熱設(shè)備選擇進(jìn)行分析。

根據(jù)建筑資料，本項(xiàng)目熱水系統(tǒng)共分為客房區(qū)(高、中、低區(qū))及后勤區(qū)，每個(gè)熱水分區(qū)壓力控制范圍在0.275 MPa～0.55 MPa之間。

根據(jù)酒店管理公司機(jī)電技術(shù)導(dǎo)則要求每個(gè)生活熱水系統(tǒng)需要與生活給水系統(tǒng)同源同壓，所有換熱設(shè)備需要設(shè)置兩臺(tái)，每臺(tái)按60%小時(shí)供熱量配置。

根據(jù)風(fēng)冷熱泵廠家資料，其設(shè)備的制造工藝無法滿足生活用水的衛(wèi)生要求，故其冷凝熱回收側(cè)熱水出水不適合直接作為生活熱水使用，只能采用間接加熱生活熱水的方式。

根據(jù)上述分析，若采用板式換熱器作為本項(xiàng)目換熱設(shè)備，將使得每個(gè)熱水分區(qū)需設(shè)置預(yù)熱及再熱段在內(nèi)共16臺(tái)板式換熱器及12臺(tái)熱水儲(chǔ)水罐，整個(gè)熱水系統(tǒng)過于復(fù)雜，操作維護(hù)困難，且造價(jià)過高。同時(shí)因換熱溫差較小，為盡量提高換熱效率，選用半容積式換熱器較為適宜。

綜合以上，故本項(xiàng)目生活熱水系統(tǒng)采用接力加熱的方式，選用半容積式換熱器作為換熱設(shè)備，換熱方案詳見圖4。

本項(xiàng)目生活熱水換熱方案如下：風(fēng)冷熱泵提供50 ℃/45 ℃生活給水通過半容積式換熱器預(yù)熱至40 ℃(極端氣候條件下預(yù)熱至35 ℃)，再接入再熱段半容積式換熱器，通過電蓄熱鍋爐提供的熱媒水加熱至60 ℃后供給生活熱水用水點(diǎn)，生活熱水回水接至再熱段半容積式換熱器內(nèi)。

本換熱方案的主要特點(diǎn):1)系統(tǒng)較簡(jiǎn)單,與無熱回收系統(tǒng)的傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)相比,增加的設(shè)備和管道很少。2)熱回收預(yù)熱段與輔助熱源再熱段自成系統(tǒng),彼此獨(dú)立,減少相互間的關(guān)聯(lián)控制, 便于管理。3)生活熱水出水水溫穩(wěn)定，熱水的衛(wèi)生性能有保障。4)空調(diào)熱回收機(jī)組的設(shè)置不受生活熱水系統(tǒng)分區(qū)的影響。5)熱水系統(tǒng)補(bǔ)水接入預(yù)熱段換熱器，生活熱水預(yù)熱后接入再熱段換熱器，增大一次側(cè)及二次側(cè)換熱溫差，提高換熱效率。

6 經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)常規(guī)酒店生活熱水系統(tǒng)熱源一般采用燃?xì)?燃油兩用熱水鍋爐，由于天然氣價(jià)格及油價(jià)不斷上漲，采用全熱回收風(fēng)冷熱泵更具經(jīng)濟(jì)效益。我們將上述采用全熱回收熱水機(jī)組的方案與常規(guī)熱水鍋爐供熱的方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1)初期投資比較。采用全熱回收風(fēng)冷熱泵和電蓄熱鍋爐方案與采用燃?xì)?燃油兩用熱水鍋爐方案作為生活熱水熱源方案的初投資費(fèi)用比較表詳見表2。

表2 全熱回收風(fēng)冷熱泵+電蓄熱鍋爐方案與采用燃?xì)?燃油兩用熱水鍋爐初投資比較表

2)運(yùn)行費(fèi)用比較。綜合全年各空調(diào)工況下采用全熱回收風(fēng)冷熱泵方案及采用燃?xì)?燃油兩用熱水鍋爐方案的年綜合運(yùn)行費(fèi)用比較表詳見表3。

3)投資回收年限。對(duì)比初投資費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用可知，通過采用全熱回收風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)來回收增加的初期投資費(fèi)用時(shí)間約為(410-265)/(106-60)≈3.5年。

表3 全熱回收風(fēng)冷熱泵+電蓄熱鍋爐方案與采用燃?xì)?燃油兩用熱水鍋爐年平均運(yùn)行費(fèi)用比較表

7 結(jié)語

1)通過全年空調(diào)和熱水負(fù)荷對(duì)比表明，以華東地區(qū)為代表的夏熱冬冷地區(qū)賓館建筑制冷期長(zhǎng)，利用空調(diào)冷凝廢熱制取生活熱水的潛力大。2)本工程冷熱源部分選用全熱回收風(fēng)冷熱泵機(jī)組，雖然初投資增加，但夏季制冷期通過熱回收技術(shù)免費(fèi)提供生活熱水，同時(shí)應(yīng)用谷電制取生活熱水，總體運(yùn)行費(fèi)用較低；合計(jì)年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省46萬元，預(yù)計(jì)3.5年可回收初期投資。

綜上所述，常規(guī)采用化石燃料燃燒發(fā)熱來制備生活熱水和空調(diào)用水的方案不僅耗費(fèi)大量的一次能源，排放了大量的有害氣體，污染環(huán)境，而且還受能源價(jià)格波動(dòng)的影響，造成較高的運(yùn)行費(fèi)用。與之相比采用全熱回收風(fēng)冷熱泵方案結(jié)合蓄熱電鍋爐的供熱方案不用燃燒化石燃料，從而會(huì)產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)保效益。所以說風(fēng)冷熱泵熱回收機(jī)組在酒店類建筑的應(yīng)用無論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)上都是可行的，且在國(guó)家大力提倡節(jié)能減排的背景下定具有廣闊的應(yīng)用前景。但本方案尚未經(jīng)過實(shí)際工程的檢驗(yàn),存在不足之處歡迎各位同仁批評(píng)指正。

[1] 舒力帆，左 政.廣州某酒店空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2007(8):54-56.

[2] 中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫.http://www.topenergy.org/bbs/viewthread.php tid=5382.

[3] 魚向榮，裴曉霞.電熱鍋爐承壓高溫蓄熱系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].暖通空調(diào)HV&AC，2009，39(9):142-144.

[4] 李 健.承壓型高溫蓄熱電熱水鍋爐的設(shè)計(jì)實(shí)例[A].全國(guó)暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2008.

Discussion on hotel living hot water using heat pump heat recovery combining with higher heat supply

Gu Jun

(ShanghaiBranch,AiyikangConsulting(Shenzhen)LimitedCompany,Shanghai200040,China)

According to preheating application requirements of a hotel management company about air conditioning air-cooled system setting at least one heat recovery chillers as living hot water, this paper introduced in detail the scheme selection situation using total heat recovery air-cooled heat pump combining with electric heat storage boiler as hotel living hot water system heat source, according to the type of unit air conditioning system calculated the electric heat storage boiler storage capacity, and made economic and technology comparison with conventional hot water heat source, the results showed that using total heat recovery air-cooled heat pump combining with electric heat storage boiler as living hot water heat source had obvious economic benefits.

hotel, total heat recovery air-cooled heat pump, electric heat storage boiler, economy

2015-02-09

顧 軍(1979- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)12-0119-03

TU833

A