空调水系统热泵热回收机组应用经济分析

肖 亮 张瑜琴 张 辉 丁 建

（基准方中建筑设计股份有限公司，四川 成都 610039）

0 引言

2021年全球气候峰会，我国提出“2030年碳达峰，2060年碳中和”方针，致力为改变全球气候做出贡献。空调能耗带来的碳排放也越发成为焦点。我国城镇化发展，城市酒店、医院、工厂、学校、剧院等建筑拔地而起。建筑能耗主要包括空调能耗、生活用水能耗、生活用电能耗，且空调能耗占建筑能耗的46%。空调能耗、生活用水能耗之间缺少关联。空调末端吸收室内热量、主机产生余热均通过冷却塔排至室外，生活热水通过锅炉、空气源热泵机组等加热。如果回收空调末端吸收热量进行预热生活热水，可降低燃气消耗量、降低建筑能耗，减少碳排放。

热泵热回收机组在空调水系统的应用非常关键，如果合理运用，其综合节能率可达到28%，将对国家提出的“双碳经济”有巨大贡献。

1 空调系统热回收主要形式

目前，空调系统主要热回收形式为风冷热泵热回收、水冷热回收系统、水冷冷却水热回收（冷水机组叠加串联系统方案可提高热回收机组热水温度）、水冷冷冻水热回收、水（地）源热泵热回收等。

改文主要探讨酒店项目空调水冷冻水系统热泵热回收机组的应用。水冷冷冻水热回收主要有三种方式，常规方案、优先并联方案、优先旁通方案。如图1所示。

将三种设计方案比较可得出优先旁通方案最合理，如图1（c）所示，热回收冷水机组的供、回水管接在多台单冷冷水机组的回水主管上，冷冻水回水温度最高，而且不受空调冷冻水系统负荷大小的影响。

图1 水冷冷冻水热回收主要的三种方式

2 空调负荷分析

2.1 项目概况

成都市某星级酒店，总建筑面积约4.6万m，裙房建筑面约1.9万m，塔楼客房面积约2.55万m，地下室酒店配套用房约1500m，建筑高度118.8m，1F～4F为裙房，5F为酒店后勤办公区域，7F～16F为酒店客房，18F～28F为酒店客房，6F、17F均为避难层，酒店采用四管制空调水系统。

2.2 空调负荷组成情况

地下室内区，夏季冷负荷300kW，冬季热负荷140kW，内区冬季冷负荷40kW；裙房，夏季冷负荷3314kW，冬季热负荷2186kW，内区冬季冷负荷520kW；塔楼，夏季冷负荷2613kW，冬季热负荷1331kW，内区冬季冷负荷100kW；夏季空调总冷负荷6227kW，冬季总热负荷3657kW，内区冬季总冷负荷660kW。考虑冬季酒店塔楼5%的客人对空调舒适性有个性诉求，酒店方要求提供100kW冷负荷。空调逐时负荷计算如图2所示。

图2 酒店夏季、冬季逐时空调负荷

2.3 空调冷热源主机设备

酒店空调冷热源主机设备参数见表1。根据该项目空调冷冻水出水温度（7℃～12℃）分析得出，热泵热回收机组全年的COP值均较高（4.3～5.1），机组高效运行非常节能，如图3所示。冬季酒店冷负荷需求量为660kW，还需开启屋顶冷却塔免费供冷量为203kW，保证在冬季大部分时间（除个别极端天气以外）热泵机组均能满负荷运行。

图3 热泵热回收机组COP值变化

表1 酒店空调冷热源主机设备参数

该项目热泵热回收机组采用优先旁通方式（如图4所示），夏季采用冷水机组和热泵机组制冷（冷冻水出水温度为7℃），其他季节采用冷却塔和热泵热回收机组制冷（过度季节冷冻水出水温度为12℃，冬季冷冻水出水温度为7℃），保障热泵热回收机组全年处于高效状态（COP值均大于4.3以上）运行。并且优化热泵热回收机组回水管位置和冷水主机一致，均设置于集水器上，避免热泵热回收机组的水泵直接抽取空调回水主管中的冷冻水，发生抽空现象而产生气泡，导致冷水机组水泵发生严重的气蚀现象。

图4 空调主机侧水系统图

3 酒店生活热水分析

3.1 生活热水

酒店生活冷、热水竖向划分为5个分区，低区酒店裙房（1F～4F）和塔楼5F、酒店泳池（4F）、重力Ⅰ区（24F～28F）、重力Ⅱ区（18F～23F）、重力Ⅲ区（12F～17F）、重力Ⅳ区（6F～11F），酒店1F～5F采用市政压力直接供水；酒店6F～28F采用屋顶生活水箱和水泵加压供水，成都地区地表水温为7℃，酒店生活热水温度为60℃。生活热水需求见表2。酒店设计总耗热量为2562.7kW，地下室设置20m的储热水罐；塔楼6层设置12m的储热水罐；塔楼17层设置12m的储热水罐。裙房储热量为883.88kW，塔楼储热量为1060.64kW，总共储热量为1944.54kW。热泵热回收机组产热量为600kW，持续加热储水罐内7℃冷水至45℃热水需要3.24小时。

表2 酒店生活热水耗热量、贮热容积及设计小时供热量

3.2 酒店裙房和塔楼的热水机房布置

地下室负1层、6层、17层（避难层）换热机房分别独立设置卧式闭式储水罐，用于储存45℃热水（热泵热回收机组作为热源，预加热7℃生活冷水至45℃的生活热水），45℃热水再通过半容积式换热器（锅炉提供95℃热水）接力加热至60℃，最后将60℃生活热水输送至各自区域用水末端，对应换热机房水系统图如图5所示。

图5 酒店塔楼（客房）/裙房功能区生活热水系统图

根据酒店方提供类似项目数据分析（如图6所示），该项目热泵热回收机组（制热量为600kw）和储热水罐（总储热量为1944.54kw）同时为酒店生活热水（需求总热量为2562.7kW）提供热量，99.29%能满足酒店100%入住率的要求。通过空调冷负荷和生活热水需求分析，选型热泵热回收机组、储热水罐，且设备之间需要合理搭配运行，既满足空调冷水系统最低冷负荷要求，也满足最高和最低入住率的生活热水要求，保证空调系统和生活热水系统均高效节能运行。

图6 热泵热回收机组产热、储水罐储热、酒店生活热水需求量与酒店入住率关系

4 碳排放和经济分析

4.1 二氧化碳排放分析

酒店生活热水热源由热泵热回收机组+燃气锅炉组合提供，计算过程非常复杂。该文简化处理，仅分析热泵热回收机组和燃气热水锅炉全年各自的碳排放和运行费用。方案一，采用热泵热回收机组作为热源；方案二。采用燃气热水锅炉作为热源，分别均持续提供600kW生活热水（温度为45℃）。燃气常压热水锅炉提供600kW热水需要消耗天然气为67.53Nm/h，天然气燃烧热值取35544（kJ/m），见表3。

表3 两种方案全年运行各类数据计算结果汇总[6]

4.2 经济分析

从表3可以直观分析得出，全年运行费用方案一比方案二节约100万元，热泵热回收机组作为热源同时产生冷冻水，实际运行更加节能和节约成本。全年二氧化碳排放方案一比方案二减少875吨，为国家“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”这一目标提供强大助力。方案一初投资需要增加320W左右，后期运营3.2年回收成本。

5 结语

该项目通过分析全年空调负荷变化、生活热水需求、储热水罐，得出热泵热回收机组制热量600kW，占比生活热水设计总耗热量2562.7kW的23.4%，生活热水的储水罐44m，对应储热量为1944.54kW，占比设计总耗热量2562.7kW的76%。储热水罐和热泵热回收机组热量之和为2544.54kW，基本满足生活热水设计总耗热量，适当开启锅炉提高生活热水温度至60℃。

该项目为夏热冬冷地区，冬季内区冷负荷需求660kW，分析得出热泵热回收机组能全年运行，同理在炎热地区（制冷时段较长地区）采用该系统，设备性能会更加高效、节能，节约成本。反观，寒冷地区、严寒地区（制冷时段较短地区）采用该系统，经济效益会大幅降低，需要采用电锅炉或者空气源热泵机组作为主要热源，才能实现节约能耗和降低碳排放。对空调用冷和生活热水同时需求的类似项目（例如酒店、学校、商业综合体、工厂等项目）具有非常好的参考价值。