热泵热回收结合高热供给酒店生活热水的探讨

顾 军

(艾奕康咨询(深圳)有限公司上海分公司，上海 200040)

热泵热回收结合高热供给酒店生活热水的探讨

顾 军

(艾奕康咨询(深圳)有限公司上海分公司，上海 200040)

针对某酒店管理公司关于空调制冷系统须设有最少一台热回收型冷水机组作为生活热水的预热用途的要求，详细介绍了采用全热回收型风冷热泵并结合电蓄热锅炉作为酒店生活热水系统热源的方案选择情况，根据空调系统机组选型计算了电蓄热锅炉容量，并与传统生活热水热源做了经济技术比较，结果表明采用全热回收风冷热泵结合电蓄热锅炉作为生活热水热源有明显的经济性。

酒店，全热回收风冷热泵，电蓄热锅炉，经济

酒店项目在制冷季节中央空调系统向建筑室内提供冷气的同时，会排出大量的冷凝热，冷凝热通常通过冷却塔或风冷冷凝器排放到大气中，冷凝热可达制冷量的1.18倍～1.3倍[1]，对于冷水机组排放的冷凝热予以回收用于预热生活热水，是一种高效、节能并具有显著经济性的节能途径。以下结合某酒店项目实例，根据风冷热泵作为酒店中央空调冷、热源情况下，确定将空调冷凝热用于酒店生活热水系统的预热并与承压电蓄热锅炉联合供热的生活热水供热方案，且与常规的生活热水热源进行比较，分析和探讨空调冷凝热回收系统的给排水设计系统特点。

1 工程概况

本项目酒店位于华东地区，地处长江以南，夏季空调冷负荷大、供冷时间较长(本项目为5个月)，冬季平均气温基本在0 ℃～10 ℃，较为适宜采用风冷热泵系统作为空调系统的冷、热源。

本酒店由2栋建筑物组成，其中一栋6层高的建筑物为历史保护建筑，改造后功能为中餐厅、宴会厅/多功能厅、会所、水疗及酒廊等，屋顶为酒吧及空中花园；一栋24层高的建筑物改造后功能为酒店大堂、后勤用房、游泳池、机电用房、酒店客房、特色餐厅及空中酒吧。本项目空调系统冷热源为风冷热泵，总共设置5台200RT的风冷热泵，其中两台为全热回收型。

2 生活热水系统耗热量计算

酒店冬季生活热水用水量计算结果见表1。

表1 酒店冬季生活热水用水量计算结果

酒店生活热水供应范围为洗浴、洗涤、洗衣房等功能(不含洗衣房)。为便于计算，本文按酒店月平均出租率保持不变，各季节酒店每日生活热水使用量恒定，耗热量波动仅与冷水补水温度有关。

3 生活热水耗热量与空调风冷热泵运行工况分析

酒店空调系统采用风冷热泵作为冷热源，全年运行主要分为3种工况:制冷季节：两台全热回收型热泵及三台普通风冷热泵均为制冷模式。过渡季节：当需要制冷时，优先采用全热回收型热泵以制冷模式运行，其余普通风冷热泵备用；当需要制热时，普通风冷热泵则以制热模式运行，两台全热回收型热泵备用。制热季节：三台普通风冷热泵为制热模式，一台全热回收型热泵为制冷模式，一台全热回收型热泵备用。酒店是具有多种使用功能的综合性建筑，其使用时段及规模逐时变化差异很大，夜间负荷很低，6:00～7:00，12:00～13:00，19:00～22:00均为用水高峰，其中以晚上用水峰值最高。且全年冷水补水水温波动也较大，对于耗热量有较大影响。

根据空调系统运行工况，并结合相应季节酒店生活热水耗热量，对采用全热回收风冷热泵机组作为生活热水热源的可行性进行分析。

制冷季节：将夏季生活热水耗热量与暖通专业提供制冷季节下设计日逐时冷凝热回收量(供回水温度为50 ℃/45 ℃)做对比(详见图1)，可以看出：夏季设计制冷工况下，生活热水平均小时耗热量仅占空调冷凝热产生量的6.5%左右。可见，制冷季节空调冷凝热作为生活热水的预热是可行的。

过渡季节：在过渡季节，制冷工况下优先运行全热回收型机组，回收空调冷凝热作为生活热水的预热。若不需要制冷，则全热回收机组按制热模式运行，作为生活热水的预热。对比过渡季节生活热水最高日耗热量与单台全热回收型风冷热泵的制热能力(详见图2)(风冷热泵制热能力按日平均温度15 ℃，供回水温度为50 ℃/45 ℃计)[2]，可见过渡季单台风冷热泵的制热能力可以满足此工况下生活热水耗热量需求。

制热季节：取当地典型年最不利日(日平均温度-1.3 ℃，日最低温度-3.9 ℃)[2]对单台风冷热泵供热能力与最高日生活耗热量进行对比分析(详见图3)(风冷热泵供热能力按日平均温度-1.3 ℃计，供回水温度为45 ℃/40 ℃)，在19时～22时风冷热泵供热能力约占此时刻的生活耗热量的需求90%。但因仅需预热生活热水至35 ℃，故仍可满足生活热水耗热量的要求。

4 辅助加热系统选择及设备选型

根据全热回收型风冷热泵的运行特性，其供回水温度为50 ℃/45 ℃(最不利工况下为45 ℃/40 ℃)，无法将生活热水加热至所需的60 ℃温度，故只能作为生活热水的预热，另设置辅助热源将生活热水进一步加热至60 ℃。

一般生活热水系统的制热设备有燃气/燃油锅炉、太阳能集热器及电锅炉等，针对本项目实际情况分析如下：

1)因本项目位于闹市区繁华地段，燃油/燃气两用热水锅炉燃烧产生的烟气中排放大量的CO2。同时烟气中还含有SO2,CO,NOx等有害气体,对周边环境有一定的影响，根据当地环评要求需要至塔楼屋顶高空排放，鉴于塔楼客房区面积限制，同时屋顶根据建筑要求为屋顶酒吧，对于周边环境要求较高。故不推荐选用燃油/燃气两用热水锅炉作为生活热水辅助加热的热源。

2)本项目为改造项目，屋面面积较小，无法满足设置太阳能集热器的要求。故无法采用太阳能作为本项目生活热水的辅助热源。

根据当地《公共建筑节能设计标准》要求：“不应采用直接电加热作为集中热水供应系统的热源”。故无法采用直接电加热作为本项目生活热水的辅助热源，但可以采用蓄热的方式作为生活热源。电蓄热系统可分为常压低温蓄热和承压高温蓄热两种方式，承压型高温蓄热电热水锅炉集蓄热、热交换、控制为一体，采用蓄能压力罐加热储存热水，它与热交换器的一次侧相连，是个封闭系统，运行时不需补水，水质好，避免锅筒、电加热元件、热交换器一次侧结垢及电加热元件烧坏的可能性。承压蓄热比常压蓄热的储热罐容积小，系统紧凑，锅炉房面积小，热效率高[4]。

综合以上因素，本项目设计承压型高温蓄热电热水锅炉作为生活热水系统的辅助热源。蓄能压力罐放热运行时,工作压力维持在0.4 MPa～0.5 MPa之间,始终大于蓄能压力罐内水温对应的汽化压力(145 ℃高温水对应的汽化压力为0.32 MPa),可保证热水不汽化[3]。

蓄热电锅炉计算。本项目冬季冷水平均补水温度按5 ℃计，热水供水温度为60 ℃，风冷热泵仅能预热生活热水至35 ℃，可知冬季工况下蓄热电锅炉需要负担(60-35)/(60-5)≈45%的最高日生活耗热量，风冷热泵需要负担剩余的55%的最高日生活耗热量。考虑在极端气候下风冷热泵供热不足时的热水系统供水安全性、设备维护及安全余量等因素在内；同时考虑冬季工况缩短风冷热泵供热时间，并降低风冷热泵噪声对周边建筑的影响，故谷电时段生活热水由蓄热电锅炉直接供给(约占最高日生活热水耗热量的17.5%)，同时进行蓄热。谷电时段中耗热量最大的时段为22:00～23:00，约占最高日生活热水耗热量的4.96%。蓄热电锅炉储水量按45%的6:00～22:00时段内生活耗热量叠加谷电时段20 min最大小时耗热量的储水量进行选型。

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为蓄热电锅炉容积，m3；K为安全系数，取1.1；Qd为最高日生活热水耗热量，取26 204 609 kJ，详见生活热水耗热量计算；C为水的比热，取4.187 kJ/(kg·℃)；Δt为蓄热温差，取145-70=75 ℃；η为有效蓄热容积系数，取0.9；ρr为热水密度，取958.345 kg/L；Q22:00～23：00为22:00～23:00时段生活热水耗热量，kJ/d；Q6:00～22:00为6:00～22:00时段生活热水耗热量，kJ/d。

加热电功率：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为电加热功率，kW；其他符号同上公式。

实际选型为蓄热容积20 m3、配350 kW电加热棒的电蓄热锅炉2台。

5 生活热水系统的选择及流程

根据上文分析可知，本项目全热回收风冷热泵作为生活热水预热热源，预热水需经进一步加热后才可作为生活热水之用。再加热设备有多种选择，可选用板式换热器、半容积式加热器及容积式加热器等。针对本项目热源的特殊性，对生活热水换热设备选择进行分析。

根据建筑资料，本项目热水系统共分为客房区(高、中、低区)及后勤区，每个热水分区压力控制范围在0.275 MPa～0.55 MPa之间。

根据酒店管理公司机电技术导则要求每个生活热水系统需要与生活给水系统同源同压，所有换热设备需要设置两台，每台按60%小时供热量配置。

根据风冷热泵厂家资料，其设备的制造工艺无法满足生活用水的卫生要求，故其冷凝热回收侧热水出水不适合直接作为生活热水使用，只能采用间接加热生活热水的方式。

根据上述分析，若采用板式换热器作为本项目换热设备，将使得每个热水分区需设置预热及再热段在内共16台板式换热器及12台热水储水罐，整个热水系统过于复杂，操作维护困难，且造价过高。同时因换热温差较小，为尽量提高换热效率，选用半容积式换热器较为适宜。

综合以上，故本项目生活热水系统采用接力加热的方式，选用半容积式换热器作为换热设备，换热方案详见图4。

本项目生活热水换热方案如下：风冷热泵提供50 ℃/45 ℃生活给水通过半容积式换热器预热至40 ℃(极端气候条件下预热至35 ℃)，再接入再热段半容积式换热器，通过电蓄热锅炉提供的热媒水加热至60 ℃后供给生活热水用水点，生活热水回水接至再热段半容积式换热器内。

本换热方案的主要特点:1)系统较简单,与无热回收系统的传统热水系统相比,增加的设备和管道很少。2)热回收预热段与辅助热源再热段自成系统,彼此独立,减少相互间的关联控制, 便于管理。3)生活热水出水水温稳定，热水的卫生性能有保障。4)空调热回收机组的设置不受生活热水系统分区的影响。5)热水系统补水接入预热段换热器，生活热水预热后接入再热段换热器，增大一次侧及二次侧换热温差，提高换热效率。

6 经济分析

根据常规酒店生活热水系统热源一般采用燃气/燃油两用热水锅炉，由于天然气价格及油价不断上涨，采用全热回收风冷热泵更具经济效益。我们将上述采用全热回收热水机组的方案与常规热水锅炉供热的方案进行技术经济比较。

1)初期投资比较。采用全热回收风冷热泵和电蓄热锅炉方案与采用燃气/燃油两用热水锅炉方案作为生活热水热源方案的初投资费用比较表详见表2。

表2 全热回收风冷热泵+电蓄热锅炉方案与采用燃气/燃油两用热水锅炉初投资比较表

2)运行费用比较。综合全年各空调工况下采用全热回收风冷热泵方案及采用燃气/燃油两用热水锅炉方案的年综合运行费用比较表详见表3。

3)投资回收年限。对比初投资费用及年运行费用可知，通过采用全热回收风冷热泵系统来回收增加的初期投资费用时间约为(410-265)/(106-60)≈3.5年。

表3 全热回收风冷热泵+电蓄热锅炉方案与采用燃气/燃油两用热水锅炉年平均运行费用比较表

7 结语

1)通过全年空调和热水负荷对比表明，以华东地区为代表的夏热冬冷地区宾馆建筑制冷期长，利用空调冷凝废热制取生活热水的潜力大。2)本工程冷热源部分选用全热回收风冷热泵机组，虽然初投资增加，但夏季制冷期通过热回收技术免费提供生活热水，同时应用谷电制取生活热水，总体运行费用较低；合计年运行费用可节省46万元，预计3.5年可回收初期投资。

综上所述，常规采用化石燃料燃烧发热来制备生活热水和空调用水的方案不仅耗费大量的一次能源，排放了大量的有害气体，污染环境，而且还受能源价格波动的影响，造成较高的运行费用。与之相比采用全热回收风冷热泵方案结合蓄热电锅炉的供热方案不用燃烧化石燃料，从而会产生很高的经济效益，环保效益。所以说风冷热泵热回收机组在酒店类建筑的应用无论从技术还是经济上都是可行的，且在国家大力提倡节能减排的背景下定具有广阔的应用前景。但本方案尚未经过实际工程的检验,存在不足之处欢迎各位同仁批评指正。

[1] 舒力帆，左 政.广州某酒店空调冷凝热回收系统技术经济分析[J].建筑热能通风空调,2007(8):54-56.

[2] 中国建筑用标准气象数据库.http://www.topenergy.org/bbs/viewthread.php tid=5382.

[3] 鱼向荣，裴晓霞.电热锅炉承压高温蓄热系统及其工程应用[J].暖通空调HV&AC，2009，39(9):142-144.

[4] 李 健.承压型高温蓄热电热水锅炉的设计实例[A].全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集[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

顾 军(1979- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)12-0119-03

TU833

A