空氣能加熱游泳館池水的能耗與效益分析

林惠佳，陳愉雷

(中山市體育場館管理中心，廣東 中山 528403)

游泳是深受群眾喜愛的體育運動，寒冷的冬季可選擇有恒溫泳池的游泳館作為健身場所。通常情況下，恒溫游泳池的水溫需控制在26℃～28℃，但對池水進行加熱是一個復雜的工作，涉及成本、安全、設備等。成本核算是工作重點，將游泳池加溫系統由燃氣鍋爐加熱方式改為空氣能加熱方式，對成本進行對比分析發現，空氣能加熱在南方城市可作為池水加溫首選。

1 游泳館池水的加熱方式

池水的加熱方式主要有燃油鍋爐、燃氣鍋爐、電熱棒、太陽能、空氣能加熱等。某單位游泳池(館)種類多樣，跳水館采用電熱棒加熱，游泳館采用空氣能加熱，游泳訓練館采用太陽能加空氣能混合加熱。應力增高超過極限值、安全閥與超壓連鎖失靈、缺水、鋼材質量不合要求、焊接缺陷、超壓等因素極易造成鍋爐爆炸或管道爆破事故。目前，已淘汰燃氣、燃油鍋爐加熱方式。隨著現代技術的發展，太陽能熱水器和空氣能熱水器逐漸進入主流市場，比電熱水器更加節能環保。太陽能熱水器利用熱水上浮、冷水下沉原理，吸收了充足的太陽能后，通過溫差循環，使水溫上升，陰天時，則通過電加熱棒提高池水溫度。太陽能熱水器的缺點是安裝復雜，安裝不合適將影響房子的整體外觀，因其工序繁雜，一旦發生故障，維修較為困難。太陽能熱水器通常裝于屋頂，而太陽能集熱板的安裝又受限于房屋承重，需要考慮場館整體觀感、抗風等因素。空氣能熱水器的原理與家用空調正好相反，應用了“逆卡諾原理“，通過空調風扇吸收來自空氣源熱中的大量低溫熱能，經制冷壓縮機產生高溫蒸汽壓縮，再冷凝變為高溫熱能，傳遞進入熱水箱內膽管中，將熱水再次充分加熱沸騰，大大提高了熱效率，充分利用了空氣能源。

2 鍋爐加熱的工作原理

鍋爐是一種供暖、具有工業用途的特種設備，主要提供熱水和蒸汽，如圖1，通過燃燒冷水，產生蒸汽，將蒸汽打入游泳池，使池水溫度提升。爐膛內采用U型管布設，使鐵管充分受熱且受熱均勻，令熱能得到充分利用。此外，蒸汽還供應集熱器，以提高室內氣溫，壓制水蒸汽，平衡室內外溫差。池水溫度不斷升高會使池水升騰，造成室內水汽很大，使游泳人員產生不適，而通過集熱器增加室內氣溫可減少池水升騰，保持室內干燥，如有條件可采用抽濕機。

圖1 鍋爐設備Fig.1 Boiler plant

3 空氣能熱泵的工作原理

空氣能熱泵機組的工作原理是把空氣能量中釋放的熱能量用機械吸收，轉換成一部分熱量，轉移到水箱中對水加熱，通過管路連接游泳池形成循環，同時把失去大量熱量的空氣排放到室外環境中。空氣能熱泵的核心部件是壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器。壓縮機制冷，通過真空泵，將回流的低壓冷媒氣體進行真空壓縮或降溫冷凝，變成高溫高壓氣體排出，其中產生的中低值冷媒氣體將主要熱量流經被安裝在壓縮機冷卻水箱殼腔體外的一個環形銅管，熱量經環銅管加熱后再傳導并循環流入到冷水箱腔體內冷卻并循環，排出后的低壓水冷媒流體維持在無外界壓力下的溫度，冷卻液變成半液態，經節流膨脹閥口關閉冷卻后進入冷水蒸發器，此時蒸發器軸上流過的氣體壓力可能已急劇降低，因此產生大量液態空氣的冷媒水將在此段時間被完全蒸發或迅速變成極冷氣態，同時吸收部分熱量。在氣流作用條件下，大量較冷的濕潤空氣幾乎同時流到蒸發器的外冷板表面，多余的外冷能量均會很快被壓縮機蒸發器吸收，空氣溫度又被迅速冷卻降低變成大量的冷氣釋放，而風機將室外空氣冷媒重新回流注入熱泵水壓縮機。空氣源熱泵機組制冷設備的壓縮運行原理如圖2所示。壓縮機蒸發器通過水蒸氣冷凝過程消耗部分電能，將其中原本屬于低溫低壓態液體的高壓制冷劑氣體經加熱壓縮后氣化冷凝成高溫高壓液態流體的制冷劑氣體，高溫高壓狀態的低溫制冷劑氣體是由制冷劑在低溫壓縮機冷凝器中運行蒸發放出一些熱量，或將其與水共同蒸發后加熱逐漸被壓縮冷卻，經過高壓冷卻膨脹閥的節流冷凝和降壓冷凝處理后變成一種低溫低壓固態氣體的低溫氣液混合物，在高速壓縮機蒸發器旋轉運動中通過高溫制冷劑的蒸發冷凝，吸收高速空氣系統中低溫制冷劑的全部熱量，變成低溫低壓冷卻后的一個高壓氣體，熱量逐漸被高速空氣壓縮機系統吸收，壓縮膨脹冷凝成高溫高壓氣體，來加熱池水。

圖2 熱泵運行原理Fig.2 Principle of heat pump operation

4 供熱系統全年運行成本分析

按照同一泳池標準計算兩種供熱系統所需功率。該泳池全年365 d正常開放，每天開放12 h，電價(0.98元/千瓦時)，按照1元計算，燃氣費按照實際3.45元/m3，人工費按照2.5萬元/人/年。

表1 循環泵耗電量費用計算Tab.1 Cost calculation of circulating pump power consumption

空氣源熱泵供熱系統循環泵運行費用：9 kW×12 h/d×365 d×1元/度=39 420(元)；燃氣鍋爐供熱系統循環泵運行費用：15 kW×12 h/d×365 d×1元/度=65 700(元)。

表2 設備機組耗電量費用計算Tab.2 Cost calculation of equipment unit power consumption

空氣源熱泵供熱系統機組耗電費用：122.2 kW×12 h/d×365 d×1元/度=535 236(元)；燃氣鍋爐供熱系統機組耗電費用：1.6 kW×12 h/d×365 d×1元/度=7 008(元)。

表3 燃料消耗量費用計算Tab.3 Cost calculation of fuel consumption

空氣源熱泵供熱系統燃料消耗費用0(元)；燃氣鍋爐供熱系統燃氣消耗費用：74 kW×12 h/d×365 d×3.45元/度=1 118 214(元)。

表4 人工管理費用計算Tab.4 Cost calculation of manual management

空氣源熱泵供熱系統人工費用：25 000(元)；燃氣鍋爐供熱系統人工費用：25 000元/人×2人=50 000(元)。

供熱系統全年運行成本比較見表5。

表5 空氣源熱泵與燃氣鍋爐供熱系統費用對比Tab.5 Comparison of the cost of air source heat pump and gas boiler heating system

5 空氣源熱泵供熱系統的優越性

一是能效高。空氣源熱泵能效比COP全年平均在360%以上，而燃氣鍋爐的能效比不超過100%。空氣源熱泵能效比受氣溫條件影響較大，在氣候炎熱的地區(廣東)，效果更突出。二是運行費用低。與燃氣鍋爐供熱設備系統相比，每月平均可節省60%以上的費用。三是綠色環保。空氣源熱泵循環運行過程中，基本無任何污染排放物，均選用優質環保高效的制冷劑R417A，對臭氧層零污染，是一款較好的環保型產品。四是運行系統穩定安全。無需配備人員跟班值守，可實現全自動微電腦智能控制，有效節省了人員費用支出。五是模塊式機組安裝。便于客戶增添新設備。采用了多臺空調機組模塊并聯機組的組合安裝新模式，當用戶需要擴容時，可隨時靈活增添機組設備。六是前期工程配套設施要求低。燃氣鍋爐供熱系統對機房條件要求較高，且配套輔助設施(如燃氣管道等)的申請與安裝程序較為復雜。七是使用壽命長。機組可使用10年以上。

6 空氣能與燃氣加熱對比

中山市紫馬嶺游泳館的尺寸為25×25×1.5(m)，主要功能是為全市游泳愛好者提供活動鍛煉的場所，每年11月—次年5月秋對池水進行加溫，原設計的加溫采用燃氣鍋爐，如圖3，但池水加溫成本很高，需進行節能減排改造。

圖3 改造前的燃氣鍋爐Fig.3 Gas boiler before renovation

經過對市場產品的調研及成本數據分析發現，空氣能加熱方案具有可行性。結合場地位置、建筑結構，選擇了空氣能熱泵供熱系統，改造后如圖4所示，經過3年的實際運用，兩種供熱方式費用對比如下：

圖4 改造后空氣能熱泵Fig.4 Air energy heat pump after modification

表6 使用燃氣鍋爐3年費用明細Tab.6 Cost details of the utilization of gas boiler for 3 years

表7 改成空氣能后3年費用明細Tab.7 3-year cost details after changing to air energy

由費用對比可見，使用空氣能熱泵供熱系統比燃氣鍋爐供熱系統費用降低了60℅，與理論分析數據基本相符，說明經過實際的技術改進，達到了環保節能效果。

7 結語

泳池管理除了要保證日常開放與服務，成本核算也是必須要考慮的重要環節。太陽能與空氣能兩種供熱方式各具優點，基于地緣因素考慮——廣東中山每年冬春兩季對游泳館池水加溫，珠三角地區2—4月進入陰雨季節，選擇空氣能更具節能效果，而太陽能更適合在日照相對較長的北方城市使用。通過實踐考察和對比分析，選擇最適方案，才能提供高品質的游泳運動服務。