多源互補生活熱水熱源系統在酒店節能中的應用研究

李 寧，李愷淵，王 建

(1.國網 (杭州) 綜合能源服務有限公司，浙江 杭州 310020;2.杭實綜合能源科技 (杭州) 有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

杭州作為世界級的旅游城市，擁有著數量眾多各種等級的酒店。隨著對能耗總量及強度“雙控”要求及浙江省飯店單位綜合能耗限額政策的實施，節能降耗已經成為酒店行業必須重視的問題。

生活熱水系統是酒店必不可少的重要設施，其運行水平直接影響到客人的入住體驗，通常采用燃氣鍋爐(蒸汽鍋爐、常壓熱水鍋爐或冷凝真空熱水鍋爐等)作為熱源。對于杭州的酒店，生活熱水耗氣量基本與冬季采暖耗氣量相當，約占酒店燃氣總耗量的三分之一。燃氣鍋爐直接消耗一次能源，熱效率一般為80 %～90 %，且隨著時間的推移，效率逐步降低，能耗逐年升高。在近些年的改造中，對廢熱余熱的回收利用已成為生活熱水系統節能的重要措施，如利用空氣源熱泵回收洗衣房、地下車庫、廚房冷庫外機、換熱間、鍋爐房內的廢熱；利用水源熱泵回收冷凝水、冷凍水中的余熱；利用換熱器回收鍋爐煙氣、冷凝水中的余熱等。余熱、廢熱資源千差萬別，與酒店的設備配置、經營情況及運維管理密切相關，因此需結合實際情況針對性地制定方案。

酒店生活熱水熱源系統的構建或改造需從熱源結構上分析和論證，還必須考慮到太陽能及空氣源熱泵受到季節等自然氣候影響的特性：如杭州“黃梅天”或連續陰雨雪的時段，太陽能幾乎不能加熱；而對于空氣源熱泵系統而言，全年大部分時段均表現出高效節能的優勢，但在冬季低溫高濕環境中會頻繁結霜化霜，系統效率大大降低，甚至不能正常運行，出于穩定性考慮，通常情況下需要增大空氣源熱泵系統的容量配置或采用電加熱補充。綜上所述，提出了一種太陽能+空氣源熱泵(室外放置)+冷凝鍋爐的多源互補系統方案。

1 加熱熱源

生活熱水熱源形式多種多樣，可根據酒店的實際情況予以利用，但首先需要從熱源系統結構上做一定的考慮，合理的能源結構是節能運行的基礎。

1.1 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐通過燃燒化石能源釋放熱量加熱熱水，其運行穩定可靠，但需要消耗寶貴的天然氣資源。蒸汽鍋爐一般效率約為80 % (逐年下降)，產出蒸汽0.4～0.8 MPa，運行中存在爆炸風險；承壓熱水鍋爐的效率約為90 % (逐年下降)，產出60～90 ℃熱水，運行中存在爆炸風險；常壓熱水鍋爐的效率約為82 % (逐年下降)，產出60～90 ℃熱水，運行較為安全；真空熱水鍋爐效率約為92 % (衰減小)，出水溫度60～90 ℃，運行安全性高；新型冷凝鍋爐可以進一步獲得煙氣冷凝水中的熱量，效率會提高一些，約為103 % (衰減小)，出水溫度60～80 ℃，排煙溫度甚至可降至約70 ℃，運行安全性高。

1.2 空氣源熱泵

隨著熱泵技術的發展，空氣源熱泵在供熱采暖方面得到越來越廣泛的應用，也逐漸成為酒店生活熱水的重要熱源系統，但是室外放置的空氣源熱泵機組受環境影響較大：室外溫度低，則熱泵的效率較低，產熱量及出水溫度均有明顯的下降，嚴重時甚至不能滿足熱水需求；在一定相對濕度及溫度條件下，蒸發器側會不斷結霜除霜，目前除霜的方式有很多，但均是以犧牲效率或增加能耗為代價，結霜除霜周期內，機組產熱量及效率下降，相對能耗上升。

根據日本學者對不同空氣源熱泵測試得出的結論，室外相對濕度和干球溫度是熱泵結霜的重要因素，室外溫度在-12.8～5.8 ℃之間，相對濕度大于67 %時，熱泵發生結霜；在室外溫度小于-12.8 ℃時，由于空氣中絕對含濕量較低，不發生結霜；在相對濕度小于67 %時，由于空氣露點溫度低于室外換熱器表面溫度，也不發生結霜。某空氣源熱泵機組性能曲線(見圖1)顯示，室外溫度在-5～10 ℃的區間內，熱泵機組的參數變化較大，制熱量及制熱性能隨著溫度的降低存在比較明顯的下降。

圖1 某空氣源熱泵機組性能曲線

杭州地處長江中下游區域，屬夏熱冬冷地區，夏季高溫高濕、冬季低溫高濕。杭州地區全年逐日干球溫度和杭州地區全年逐日相對濕度如圖2、3所示。

圖2 杭州地區全年逐日干球溫度

圖3 杭州地區全年逐日相對濕度

結合以上熱泵機組性能及室外氣候環境的分析發現，杭州地區12月至次年2月的大部分時段，熱泵機組均處在結霜區域，熱泵的產熱量及效率下降較大。因此如為了滿足冬季時段熱水加熱要求，需將空氣源熱泵機組配置容量加大，但即便如此，在某些時段內也會出現供應不足的情況，因此需增加輔助加熱系統。

杭州地區12月至次年2月，平均氣溫約為5 ℃，最低氣溫低于0 ℃，近年的極端低溫可達-10 ℃，大部分時段在0～5 ℃區間波動，相對濕度大部分時段高于60 %。

1.3 太陽能

太陽能系統加熱能耗幾乎為零，是酒店熱水熱源的重要節能措施，但太陽能集熱系統存在成本較高、安裝受場地限制、集熱過程受天氣影響嚴重、連續陰雨雪天氣不能加熱等劣勢，從理論上說太陽能熱水系統不能作為酒店熱水的穩定熱源使用，需要增加輔助熱源。太陽能熱水系統輔助熱源的加熱能力應按照不計太陽能集熱器供熱能力的常規熱水系統計算，即太陽能可作為降低系統運行能耗的方式，但不能作為穩定熱源，在熱源系統配置方面，即使太陽能熱泵計算容量可以滿足需求，但仍需全負荷配備其他加熱熱源。

杭州地區的太陽輻射隨季節大致呈一定規律變化(見圖4)，夏季輻射量高，冬季輻射量低，年總輻射量約為4 300 MJ/m2，日照年平均為5 h/日，總日照1 819.9 h，太陽能熱水保證率低于40 %，屬于太陽能輻射資源一般區域。

圖4 杭州地區太陽日總輻射隨季節變化趨勢

2 多源互補系統

2.1 熱源構成

為最大程度地降低生活熱水熱源部分的能耗，同時保證熱水的供應，采用太陽能+空氣源熱泵+冷凝鍋爐的多熱源互補熱源作為生活熱水的加熱熱源。太陽能光熱系統加熱生活熱水的能耗幾乎為零(不計循環水泵能耗），因此在場地允許的條件下，綜合考慮投資等因素，盡量大地配置太陽能熱水系統，以減少加熱能耗。空氣源熱泵理論上可以作為全年生活熱水的穩定熱源使用，但若單獨采用空氣源熱泵，則需設置輔助加熱設備，以保證在特殊溫濕度條件下的正常供應，也勢必會加大系統配置及運行能耗，因此按照室外日平均溫度大于10 ℃配置空氣源熱泵系統，以保證系統的運行效率及可靠性；在室外日平均溫度小于10 ℃時，空氣源熱泵的性能下降較大，在此部分時段內，按照冬季最不利溫度對空氣源熱泵各參數進行校核，測算熱水供熱能力，不足部分采用冷凝鍋爐補充。

2.2 開式系統

太陽能加熱系統采用雙水箱形式，分別設置加熱水箱和儲熱水箱(與生活熱水儲熱水箱共用)。由于在一天內太陽能加熱也具有明顯的波動性，一般上午時段水溫逐漸升高，至中午加熱到設定溫度，此時打開供水泵將熱水補至生活熱水儲水箱，若因天氣原因水溫一直較低，中午過后水溫仍不能升至設定溫度，則補至空氣源熱泵加熱水箱中進行二次加熱。

如圖5所示，空氣源熱泵與冷凝鍋爐串聯，按梯級分別對生活熱水進行加熱，生活熱水回水及冷水補水首先進入空氣源熱泵加熱水箱中加熱，一般情況下，除冬季外，水箱水溫可加熱至設定溫度，加熱水箱與儲熱水箱通過管道聯通，熱水自然進入熱水儲水箱中，再通過變頻供水泵送至用水末端。太陽能熱水加熱水箱及空氣源熱泵加熱水箱分別設置冷水補水。太陽能加熱循環按照自身邏輯運行，當水箱水溫達到設定溫度后，開啟變頻供水泵供至熱水儲水箱中。空氣源熱泵的運行以空氣源熱泵加熱水箱中的水溫為控制條件，當水溫小于設定溫度時開始加熱，當水溫大于設定溫度后停止運行；冷凝鍋爐運行控制以儲熱水箱的水溫為控制條件，當水溫小于設定溫度時開始加熱，當水溫大于設定溫度后停止運行。

圖5 多源互補生活熱水熱源系統(開式系統)

2.3 閉式系統

由于太陽能加熱在一天中存在較為明顯的時段性和不均衡性，同時閉式系統需根據不同的壓力分區設置加熱設備，因此僅將太陽能加熱的熱水作為生活熱水系統的補水加以利用。太陽能加熱同樣采用雙水箱設置，太陽能集熱器及加熱水箱自成系統，當水溫加熱至設定溫度后由不同揚程的供水泵根據需求補充至不同壓力分區的熱水儲水罐中以供使用。

如圖6所示，空氣源熱泵與冷凝鍋爐串聯加熱，生活熱水回水及冷水補水進入空氣源熱泵加熱罐中，空氣源熱泵加熱溫度較低的補水及回水，提高其運行效率，水加熱后在補水壓力的推動下進入儲熱罐中，隨后供至用水末端。除冬季以外，空氣源熱泵均可滿足加熱需求，無需冷凝鍋爐加熱，如熱水儲水罐中的水溫不能滿足需求，則啟動冷凝鍋爐加熱。

圖6 多源互補生活熱水熱源系統(閉式系統)

太陽能熱水加熱水箱及空氣源熱泵加熱罐需分別設置冷水補水，開式水箱按照太陽能熱水循環控制邏輯補水，加熱罐根據實時壓力變化補水。太陽能加熱循環按照自身邏輯運行，當水箱水溫達到設定溫度后，開啟供水泵供至儲水罐中。空氣源熱泵的運行以空氣源熱泵加熱水罐的水溫為參數，當水溫小于設定溫度時開始加熱，當水溫大于設定溫度后停止運行；冷凝鍋爐運行控制以儲熱水罐的水溫為參數，當水溫小于設定溫度時開始加熱，當水溫大于設定溫度后停止運行。

3 結束語

依據當地的氣候特點及酒店熱水需求，在綜合考慮太陽能、空氣源熱泵及冷凝鍋爐各自優勢的基礎上，給出了三種熱源的配置組合方案并分析了系統的運行控制策略，可實現熱源的綜合利用，最大化地節能降耗及不利氣候條件下熱水的正常制取，為酒店生活熱水節能改造提供了一種可行的方案。同時，在具體的改造中還需充分考慮氣候變化及實際用水特點進行合理的方案設計和設備配置，尤其是空氣源熱泵、冷凝鍋爐及各水箱的容量配置需結合實際需求進一步分析計算，最佳的適配是多源互補熱源系統成功實施的根本保證。