夏热冬暖地区星级酒店空调热回收系统的工程应用

杨翠娟，李妃艳，黄建麟

（广东省工业设备安装有限公司，广州510080）

0 前言

在我国南方的夏热冬暖地区，全年同时有冷热需求的星级酒店越来越多；针对酒店、宾馆等类型建筑物全年有供冷、供热与供生活热水需求，且空调冷水机组多为水冷冷水机组，现市场已生产出利用水冷冷水机组低位热源的水水热泵：制热水的同时又能产生冷水。

广州白天鹅宾馆，初建于上世纪八十年代；项目建筑面积约10万平方米，裙楼餐饮，塔楼客房。近期，已完成营业近三十年后的机电与装修改造。

结合一期运营能耗、热泵技术革新和新时期的节能要求等：空调系统采用水冷式冷水机组集中供冷，供生活热水系统改锅炉蒸汽单热源为热泵与蒸汽双热源，并增加客房四管制风机盘管冷暖兼有系统。

1 系统概况

1.1 使用情况

（1）全年24h空调与生活热水供应：

项目主要为客房与餐饮等功能；按项目要求，设置24h空调 （冬季设客房暖气）与生活热水供应。

（2）客房与厨房热水需求量大、用时集中：

按照旅客的生活习惯，每天20∶00～22∶00为客房淋浴用热水高峰期，且全年酒店开房率较为稳定。会议与餐饮是项目的主要业务，收入占项目的1／2；备餐用热水集中时间每天10∶00～12∶00与18∶00～20∶00。项目所需热水需求量大、用时集中。

（3）大温差冷水机组：

采用水冷集中式空调供冷，冷冻供回水为7℃／15℃大温差。

（4）锅炉保障热源：

燃气锅炉是生活热水与空调暖气的热源保障。其中，热水供水循环系统采用板式热交换器对热水储水罐循环、热水储水罐对供水系统循环的双手环系统，保持水压、供水量与水温的稳定，确保供水质量，如图1。空调暖气供水系统亦由板式热交换器实现管网循环供暖。

（5）应用水水热泵：

结合冷冻供回水7℃／15℃大温差冷水机组，配备高效能的水水热泵，作为项目生活热水的首先热源，减少锅炉蒸汽用量：可向生活热水提供60℃热水，同时免费向空调冷冻水系统提供7℃的冷水，提高空调主系统的稳定性。

1.2 系统组合

该项目的空调供冷、供暖与生活热水等专业系统如图1。

（1）供冷：

主要由冷水机组及其管网构成集中式空调系统，向用户提供7℃／15℃大温差冷冻水源，再经风柜或风机盘管换热制冷。同时，四季经常性启用的水水热泵亦提供相应温差冷冻水至空调冷冻管网，以此减少过渡性季节或空调小负荷时的冷水机组的频繁启动。

（2）供暖：

由锅炉提供蒸汽，经板换换热成低温空调热水，向用户提供暖气热水源，再经风柜或风机盘管换热供暖。

（3）热水：

以水水热泵和锅炉蒸汽为主要热源的蓄热式生活热水供应，并以热泵运行模式优先。由热泵直接提供59℃热水；当热泵无法提供59℃热水时，启动锅炉蒸汽加热设施，引蒸汽至汽－水板式热交换器，将罐内存水加热至60℃后供至用户端。

图1 供冷、供暖与热水系统组合图

图2 热泵与蒸汽双热源生活热水系统

图3 热泵子系统图

2 热回收系统

项目的水水热泵和锅炉蒸汽双热源的蓄热式生活热水系统，是以热泵运行模式优先；并采用串联式罐分级蓄热技术稳定水源温度，提高系统蓄热能力与效率。系统以热泵运行模式优先，在空调小冷负荷时，能有效减少空调冷水机组频繁启停次数，最大可能实现冷水机组在高效率区运行，提高空调系统能耗比。

2.1 单元结构

（1）双热源：

双热源生活热水系统：以热泵运行模式优先；热泵一次能耗为系统提供60℃热水，又直接提供7℃冷冻水至集中式空调冷冻管网；如图2。

如图2：系统由水水热泵、空调热回收及生活热水换热等三个子系统构成；前二者子系统则可组对供热，而生活热水换热系统可独立供热，两者可互为备用。

（2）热泵子系统：

水水热泵运行产生的热水经循环泵供应至串联式储热罐群；储热水罐分5级，从高温到低温依次编号为1～5＃；产生的7℃冷水则接至集中式空调冷冻水系统的分水器，再供应至末端空调器。如图3。

（3）空调热回收子系统：

来自水水热泵储热水罐的热水进入空调热回收子系统的水水板换，将热量传递给来自1＃换热罐的常温水，后依次进入4～2＃立式换热水罐，温度依次从高到低。

图4 空调热回收子系统图

热回收模式下，4＃罐热水最先达到设计温度59℃，后依次为3＃罐、2＃罐及1＃罐；经过蓄热时间段，上述罐内的水均加热到59℃。如图4。

（4）生活热水换热子系统

当系统需要热水时，有以下两种情况：

1）由热回收子系统直接提供59℃热水，即：热回收子系统供应的热水经生活热水换热子系统中的热水罐，再供水至用户端。

2）当热回收子系统无法提供59℃热水时，启动生活热水换热子系统的加热设施，引143℃蒸汽至汽水板式热交换器，将罐内存水加热至60℃后供至用户端。如图5。

图5 生活热水换热子系统图

2.2 蓄热控制

（1）分级式储热：

如图3、4：热泵与空调热回收子系统的储水罐为串联分级式储热或换热，罐体为普通承压储水罐；几个罐内水的温度由高到低排列，且保持一定温差。将热量储存区分成几个优先级，并优先集中加热级别最高的蓄热罐，可在较短时间内将一级水罐水温达到可使用温度；能优先及时供应，设备高效运行。

蓄热时，高温热水由罐顶进入，罐底接引下一级罐顶；依次类推，最后从最低温的罐底回水循环。

供热时，从高温罐顶部引出热水，从最低温水罐底部回水。

热泵与空调热回收子系统可组对供热；此时，有以下三种情形：

1）若回水泵与循环水泵流量相等，则热水基本在高温罐进出平衡。

2）若用水量减少，四罐间水流蓄热，水温渐升至59℃。

3）若用水量大于循环泵流量，则高温罐顶的水外供，低级蓄热罐补充，供水温度逐步降低。

（2）平级式蓄热：

如图5：生活热水换热子系统的储水罐为并联平级式蓄热，罐体亦为普通承压储水罐；若干个灌间的水温基本一致。蓄热时，罐内热水处于自然对流状态，依上下层水间的温差产生对流进行热交换。

（3）热源切换：

经加热后的热水进入生活热水换热子系统的热水罐。

当热水罐水温达到59℃时，水温传感器将信息传送至控制柜，再控制关闭蒸汽电动阀；停止供汽加热。

当热水罐水温下降至55℃时，水温传感器将信息传送至控制柜，再控制打开蒸汽电动阀；启用供汽加热。如图6。

3 施工布置

热水系统分成高区客房、中区客房、低区客房及厨房等四区域供应，空调热回收及生活热水换热子系统亦按此四区域设置设备及储热罐。

3.1 设备参数

空调热回收系统主要由热泵、板式换热器、储热罐、水泵及管路等组成，具体如表1：

图6 热源切换控制图

表1 生活热水各子系统设备参数表

3.2 深化设计

按系统分布：高区客房区的生活热水换热子系统的3个热水罐设于27夹设备层；每个热水罐规格Ø1500×3500（H）、容量5 m3，立式，而设备层净空约1.8米，安装空间无法满足。为此，需结合现场空间及运输条件作深化设计；经深化，改为卧式罐Ø1100×1400，容量2 m3，共8个。

3.3 管路布置

项目为改造工程，塔楼客房管井和隐蔽管路空间狭窄且管路复杂，支管施工难度大。考虑到立管至客房用水点水平管路较短，热水发生时间可控，故客房支路管路采用立管循环方式。实践证明，热水发生时间满足了使用要求。

3.4 施工安排

储水罐体为SUS304、δ3mm不锈钢焊接，水罐外形美观、外表光泽，不允许有凹痕、裂纹与疵点，密封严实，不得有渗漏现象。采用 δ50mm、48K玻璃棉外敷保温，外壳装配δ0.6mm压花铝板作保护层。

水罐配备安全阀，可实现超压自动泄压保护。

受27夹设备层场地空间所限，部分热水罐无法整罐进场，需散件进场后拼接、焊接及试验等；其余整罐进场。

4 调试分析

4.1 储热罐温度场

热泵子系统的五个串联式储热罐属典型的分级式蓄热设备；储热罐上、中、下三个部位设置温度传感器，读数经数据传回计量中心。调试测量如表2。

表2 2016全年每月15日21∶00热泵储热罐上中下温度表 单位 （℃）

图7 2016年全年典型季度日热泵子系统罐区温度变化图

由表2、图7知：

全年热泵子系统运行正常。1～5＃罐各罐的上、中、下三区的灌内水温分层明显，高温水处于水罐上部、低温水处于底部；从低级罐至高级罐的温升正常，能满足使用要求。

图8 2016年全年典型季度日热泵子系统温度变化图

表3 2016全年典型日21：00热泵储热供回水等温度数据表 （℃）

因罐内上层始终保持高温水，保障了用水温度；即使在用水需求量较大时，水温也能保持较高品质。

4.2 热泵子系统供回水温度

客房是项目的主要营业项目；按项目的生活热水系统使用特点，每天20：00～22：00为客房热水使用高峰期。以全年每月15日21：00记录热泵子系统供回水温等。

由表3、图8知：

全年热泵子系统供热与供冷正常：从5＃到1＃储热罐温度由低到高，供水至空调热回收系统水温稳定，保证了热水生活系统的正常运行与高效性。

5 小结

工程交付使用两年来，此水水热泵和锅炉蒸汽为主要热源的双热源生活热水系统正常运行。

该项目为2014年国家住房城乡建设部绿色建筑科技示范工程，且项目的空调主机房年度COP要求不小于5.400；经过统计，此项目2016年全年COP为6.014、2017年全年 COP为5.872，均满足了工程要求。

此空调热回收系统，既提供稳定的冷量，又减少小冷负荷时冷水机组的频繁启动，为实现项目的节能高要求做出了贡献。

参考文献：

［1］谭海阳，屈国伦，黄伟，等.供冷供暖供生活热水蒸发式冷凝空调系统的应用 ［J］.暖通空调，2012，42（6）：7－10