青島中德生態(tài)園生活熱水系統(tǒng)空氣源熱泵改造

張曉航 王 勇 王 鍇 詹 峰 / ZHANG Xiaohang, WANG Yong, WANG Kai, ZHAN Feng

NACHR?STUNG DER LUFTQUELLEN-RMEPUMPE DES WARMWASSERSYSTEMS IM DEUTSCHCHINESISCHENKOPARK

AIR SOURCE HEAT PUMP TRANSFORMATION OF DOMESTIC HOTWATER SYSTEM IN QINGDAO SINOGERMAN ECOPARK

1 引言

空氣源熱泵作為低碳能源技術(shù)，已非常成熟并被廣泛推廣應(yīng)用。根據(jù)北方部分地區(qū)煤改電項(xiàng)目的測(cè)算數(shù)據(jù)，熱風(fēng)型與熱水型空氣源熱泵設(shè)備的投資費(fèi)用分別約為120元/m2和270元/m2，供暖季的運(yùn)行費(fèi)用約為35元/m2，青島地區(qū)市政供熱配套費(fèi)用為95元/m2，城鎮(zhèn)居民采暖費(fèi)用為30元/m2。市政配套屬于建筑項(xiàng)目的終身投資，且熱泵機(jī)組運(yùn)行12年后需要淘汰，若選用熱泵只進(jìn)行冬季采暖并不經(jīng)濟(jì)。因此，研究全年運(yùn)行熱源設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，有助于熱泵等新型低碳能源在有特殊供熱需求以及沒有市政供熱配套設(shè)施的項(xiàng)目中推廣使用。

2 空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性評(píng)價(jià)方法

2.1 增量投資收益率經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

增量投資成本是增量投資帶來(lái)的經(jīng)營(yíng)成本節(jié)約與增量投資之比，可以對(duì)各種能源設(shè)備進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。新型低碳能源種類繁多，各種能源使用方案在一次投資成本和設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本方面各有優(yōu)劣，本文引入增量投資收益率分析的方法（曲建國(guó)，1990），對(duì)各方案進(jìn)行客觀的經(jīng)濟(jì)性分析。

現(xiàn)設(shè)CA、CB、CC分別為方案A、B、C的設(shè)備一次性投資費(fèi)用，YA、YB、YC分別為方案A、B、C的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，R1與R2分別為方案A、B和方案A、C的增量投資收益率，計(jì)算公式為：

假設(shè)R1>R2，則方案B的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案C。

2.2 □效率技術(shù)性評(píng)價(jià)

□（Exergy）代表熱力系工質(zhì)的可用能，□效率是收益□與支付□的比值，用來(lái)評(píng)價(jià)能源品質(zhì)的參數(shù)。通過□效率的計(jì)算，可以確定能量轉(zhuǎn)換的效果和有效利用程度，進(jìn)而可以對(duì)新型低碳能源設(shè)備能源轉(zhuǎn)化的效果和質(zhì)量進(jìn)行量化分析。

□效率計(jì)算公式為（廉樂明，2007）：

由□效率計(jì)算公式可以推導(dǎo)出部分能源設(shè)備□效率計(jì)算公式（胡亞范 等，2009）。

（1）空氣源熱泵□效率計(jì)算公式：

式中：QH為熱泵供出熱量；QL為熱泵從低溫?zé)嵩传@得的熱量；m為熱泵供出和獲得側(cè)的水流量，kg/s；C為水的比熱，J/（kg·℃）；T0為基準(zhǔn)溫度；下標(biāo)1、2代表進(jìn)、出水；H、L分別代表高、低溫?zé)嵩础?/p>

（2）鍋爐□效率計(jì)算公式：

式中：m為鍋爐加熱熱水流量，kg/s；ex1為1溫度下熱水的□值；ex2為2溫度下熱水的□值；Gf為燃料的質(zhì)量；exf為燃料的□值。

3 案例分析

青島中德生態(tài)園某酒店是一座涉外三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的酒店，生活熱水需全天24h不間斷供用，以滿足客人的使用需求。原設(shè)計(jì)中生活熱水以太陽(yáng)能供熱為主熱源，以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)為輔助熱源，熱源熱量經(jīng)過半容積式換熱器與自來(lái)水換熱供給用戶，運(yùn)行策略如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在夏季采用冷熱電三聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行模式，但由于供熱企業(yè)不同意參照青島地區(qū)供熱指導(dǎo)價(jià)82.6元/GJ作為生活熱水熱價(jià)，要求按照供熱企業(yè)內(nèi)部測(cè)算的240元/GJ作為供熱價(jià)格，導(dǎo)致酒店的供熱成本仍居高不下。因此，若繼續(xù)采用市政供熱，酒店需負(fù)擔(dān)較高的供熱成本，在此種情況下，酒店考慮新建一套輔助熱源以滿足運(yùn)營(yíng)需求。

圖1 酒店原生活熱水系統(tǒng)原理示意

3.1 供熱方式

酒店生活熱水新建輔助熱源可選擇小功率燃?xì)忮仩t、電鍋爐和空氣源熱泵等裝置，下文將對(duì)3種能源裝置的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)酒店規(guī)模及星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算，酒店生活熱水用水量最高時(shí)，熱源供熱功率需達(dá)到400kW。由于供熱負(fù)荷需求的限制，需選用小型燃?xì)忮仩t，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組配套，不能實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，能源利用率低。依據(jù)燃?xì)忮仩t房設(shè)計(jì)規(guī)范要求（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司 等，2009），燃?xì)忮仩t房宜為地上式結(jié)構(gòu)，因此需增建專用的鍋爐房建筑，并配備完善的燃?xì)鈭?bào)警及強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)，以保證運(yùn)營(yíng)的絕對(duì)安全。如果采用燃?xì)忮仩t，還需新增燃?xì)庠?，敷設(shè)鍋爐專用燃?xì)夤艿?。以上新增的系統(tǒng)設(shè)備會(huì)增加酒店的一次投資成本。

電鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備一次性購(gòu)置費(fèi)用低，加熱速度快。但電鍋爐的工作原理是通過電阻直接將電能轉(zhuǎn)換為低質(zhì)量熱能，□效率低，會(huì)造成高質(zhì)量能源的極大浪費(fèi)。而且電鍋爐設(shè)備用電負(fù)荷高，改造設(shè)計(jì)應(yīng)考慮現(xiàn)有建筑供電余量是否能滿足設(shè)備運(yùn)行的需要。

空氣源熱泵機(jī)組是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，設(shè)備技術(shù)成熟、安裝方便、使用安全、用電負(fù)荷低、產(chǎn)熱效率高。熱泵運(yùn)行換熱效率受室外空氣溫度影響較大，以某空氣源熱泵設(shè)備參數(shù)為例，當(dāng)室外溫度高于15℃時(shí)，熱泵設(shè)備能效比（Coefficient of Performance，COP）達(dá)4.0以上，當(dāng)室外溫度低于-15℃時(shí)，COP值僅為2.0（圖2）。查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，青島地區(qū)屬于溫帶海洋性氣候，冬季室外設(shè)計(jì)溫度為-6℃，除個(gè)別極寒天氣外，熱泵設(shè)備COP值均可達(dá)3.0以上，換熱效率較高。另外，參閱國(guó)內(nèi)熱泵產(chǎn)品的相關(guān)介紹，在未開啟電輔助加熱情況下，設(shè)備最高加熱溫度為59℃，平時(shí)運(yùn)行溫度為50～55℃；根據(jù)酒店規(guī)定，用戶側(cè)出水溫度需達(dá)到40℃以上，方可滿足客戶使用需求。

本文以青島市能源單價(jià)及該項(xiàng)目給排水設(shè)計(jì)計(jì)算書作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，假設(shè)空氣源熱泵全年運(yùn)行的COP平均值為3.5，供熱成本僅包含燃料費(fèi)用，不計(jì)算其他費(fèi)用，輔助熱源年運(yùn)行負(fù)荷和設(shè)備一次性投資為估值，投資回收期以供熱企業(yè)提出的供熱單價(jià)為基礎(chǔ)，比較各能源運(yùn)行方案。增量投資收益率參照公式1、2，以電鍋爐為方案A，以空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t分別為方案B和方案C，計(jì)算兩組增量投資收益率R1、R2，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析（表1）。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電鍋爐無(wú)法實(shí)現(xiàn)投資回收，經(jīng)濟(jì)性最差；空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t的投資回收期接近，但空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用僅為燃?xì)忮仩t的60%，且其增量投資收益率大于燃?xì)忮仩t。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵在經(jīng)濟(jì)性方面最佳。

設(shè)定設(shè)備供熱進(jìn)、出水溫度分別為45℃和55℃，一次網(wǎng)熱水循環(huán)水流量為40m3/ h，參照公式3、4、5計(jì)算電鍋爐、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t的□效率，并進(jìn)行技術(shù)性分析（表2）。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵的□效率最高，說明其能量轉(zhuǎn)換的效果和有效利用程度最高。與其他能源設(shè)備相比，空氣源熱泵可節(jié)約大量的高質(zhì)量能源，無(wú)論是在節(jié)能總量還是在節(jié)能品質(zhì)方面，將其作為熱源都優(yōu)于其他供熱方式。

圖2 某空氣源熱泵COP值隨環(huán)境溫度變化曲線

圖3 空氣源熱泵一次網(wǎng)水系統(tǒng)原理

表1 某酒店項(xiàng)目各能源設(shè)備經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

表2 某酒店項(xiàng)目各能源設(shè)備.效率技術(shù)性對(duì)比

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)

為了降低一次性投資成本，原熱水系統(tǒng)的管線、設(shè)備均予以保留，僅在市政熱源的供回水主管選取兩處安裝三通，通過閥門的切換將市政輔助熱源轉(zhuǎn)換為空氣源熱泵輔助熱源。空氣源熱泵系統(tǒng)作為獨(dú)立的一次網(wǎng)熱水循環(huán)管路，通過熱水循環(huán)泵加壓，高溫?zé)崴?5℃）與二次網(wǎng)冷水（15℃）在半容積式換熱器中換熱，將冷水加熱至43℃后供用戶使用。根據(jù)酒店規(guī)模及星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過計(jì)算，生活熱水溫度最高時(shí)熱源供熱功率為400kW，選擇4臺(tái)80kW的熱泵機(jī)組作為熱源。一次網(wǎng)熱水系統(tǒng)安裝4T容量的保溫水箱，保證用水高峰時(shí)刻的熱水供用量；正常用水狀況下，熱泵機(jī)組交替間歇運(yùn)行，以延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。為保證一次網(wǎng)熱水水質(zhì)，熱泵設(shè)備補(bǔ)水處設(shè)置軟化水設(shè)備。

空氣源熱泵一般安裝在通風(fēng)良好的位置，熱泵風(fēng)扇上部3m內(nèi)無(wú)障礙物，以保證空氣對(duì)流換熱效率。冬季運(yùn)行時(shí)，空氣源熱泵會(huì)根據(jù)運(yùn)行情況自動(dòng)開啟保護(hù)模式，換熱盤管進(jìn)入“化霜”狀態(tài)，產(chǎn)生大量的冷凝水，因此機(jī)組附近需要有良好的排水設(shè)施?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)還應(yīng)考慮原有設(shè)備管線排布、設(shè)備荷載、配電電源的距離等因素，經(jīng)原設(shè)計(jì)人員、業(yè)主、設(shè)備廠家、酒店管理人員等現(xiàn)場(chǎng)查看，共同確認(rèn)將酒店負(fù)一層地下車庫(kù)作為設(shè)備安裝位置。

生活熱水系統(tǒng)原理如圖3所示，系統(tǒng)圖紙完成后，由熱泵廠家對(duì)平面布置圖紙、管線圖紙、電氣自控圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。改造施工圖需經(jīng)原設(shè)計(jì)審核，以確認(rèn)方案切實(shí)可行，經(jīng)業(yè)主批準(zhǔn)后，方可按圖施工。

圖4 設(shè)備機(jī)組安裝就位

圖5 設(shè)備機(jī)組群控面板

3.3 施工技術(shù)

設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)有減震裝置，以減少機(jī)組運(yùn)行震動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)、管道的影響（圖4）。為了減少管道腐蝕銹漬對(duì)水質(zhì)的影響，一次網(wǎng)管路采用鍍鋅鋼管，并采用卡壓連接方式，提高施工速度。

管路保溫采用橡塑材料，整潔美觀且便于施工。現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)特別注意冷凝水管道坡度的敷設(shè)要求，確保熱泵的積水盤在負(fù)壓狀態(tài)下不積水。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，原配電室變壓器電源余量達(dá)600kW后，酒店可與供電公司聯(lián)系安裝電表、電氣開關(guān)事宜，以解決設(shè)備新增用電負(fù)荷的問題。

3.4 設(shè)備運(yùn)營(yíng)

一次網(wǎng)保溫水箱內(nèi)設(shè)置溫度傳感器與設(shè)備機(jī)組群控面板連接（圖5），酒店管理方可根據(jù)熱水使用情況設(shè)置設(shè)備啟停溫度。當(dāng)罐內(nèi)水溫低于48℃時(shí)，機(jī)組設(shè)備開啟運(yùn)行；當(dāng)罐內(nèi)水溫達(dá)到55℃時(shí)，機(jī)組設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。

該改造項(xiàng)目完工后，經(jīng)過近10個(gè)月的運(yùn)營(yíng)，經(jīng)酒店管理方反映生活熱水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀況良好。設(shè)備在春、夏、秋三季每月運(yùn)行的耗電量約1500kWh，冬季每月約2500kWh，與采用市政熱源作為輔助熱源相比，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過投資回收期、增量投資收益率和□效率的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，與其他能源設(shè)備相比，空氣源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性最好，與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，將取得良好的節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益。

另外，在進(jìn)行設(shè)備改造時(shí)，應(yīng)該以原有的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、現(xiàn)有的設(shè)備安裝情況為基礎(chǔ)，盡量利用原有設(shè)備管線，降低不必要的投資，通過不斷優(yōu)化，最終確認(rèn)最優(yōu)的改造方案。

[1] 曲建國(guó). 增量投資收益率法在多方案選優(yōu)決策中的應(yīng)用[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)( 工學(xué)版 ), 1990(01).

[2] 廉樂明, 等. 工程熱力學(xué) ( 第五版 ) [M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007.

[3] 胡亞范, 談宏瑩, 張永貴. 熱泵供熱系統(tǒng)的□評(píng)價(jià)方法[J]. 建筑科學(xué), 2009,25(10).

[4] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司, 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院. 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施[M]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2009.