水水熱泵熱水系統(tǒng)在高端酒店中的應(yīng)用研究

0 引言

截至2019年第四季度，我國(guó)星級(jí)飯店數(shù)量達(dá)到10 130家，其中四星級(jí)以上酒店2 856家。對(duì)于酒店生活熱水系統(tǒng)，大多數(shù)采用熱力、蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、熱泵等作為主要熱源。2010年以后隨著相關(guān)政策推動(dòng)，才逐步開始推廣采用高效熱泵替換傳統(tǒng)熱源，但大多以空氣源熱泵為主，而采用水源熱泵的多利用湖泊、江河及地下水作為低溫水熱源，具有一定的局限性。近幾年，公司逐步嘗試采用水水熱泵利用酒店空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水和冷卻水作為低溫水熱源制備生活熱水，并取得了良好的效果。本文以廣州某五星級(jí)酒店為例，通過合同能源管理方式對(duì)酒店熱水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，對(duì)于新的熱水系統(tǒng)如何充分利用酒店冷熱平衡，如何時(shí)刻保持高效運(yùn)行，下面將通過大量的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證找到答案。

1 高端酒店生活熱水熱源現(xiàn)狀

目前，中國(guó)星級(jí)飯店的熱水熱源形式主要包括市政熱力（北方城市為主）、蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、熱泵等形式，各形式生產(chǎn)單位熱水成本見表1。

由表1可知，熱泵是目前最為節(jié)能的熱源形式之一，其中便包括水水（源）熱泵。通過對(duì)上海近30家星級(jí)飯店調(diào)研進(jìn)行綜合能源審計(jì)，本文發(fā)現(xiàn)熱水熱源形式分布情況：采用傳統(tǒng)蒸汽鍋爐或熱水鍋爐作為熱水熱源的占72．41%，采用純熱泵機(jī)組作為熱水熱源的占20．69%，余下的6．9%則采用混合式熱源（如采用熱水鍋爐+熱泵+太陽(yáng)能），由此可見，采用熱泵替換傳統(tǒng)熱源設(shè)備仍具有巨大的空間和市場(chǎng)。

2 水水熱泵熱水系統(tǒng)定義

水水熱泵作為水源熱泵的一種，通過利用水環(huán)路將小型的水源熱泵機(jī)組并聯(lián)在一起，構(gòu)成一個(gè)以回收建筑物內(nèi)部余熱為主要特點(diǎn)的熱泵系統(tǒng)

。酒店的水水熱泵熱水系統(tǒng)則是以回收建筑物水循環(huán)環(huán)路中的余熱來制備生活熱水的系統(tǒng)，這里的水循環(huán)環(huán)路主要是指空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水或者冷卻水。在我國(guó)南方地區(qū)，高端酒店通常需要常年為客戶提供制冷和生活熱水需求，而因制冷產(chǎn)生的余熱主要通過冷卻塔散發(fā)至環(huán)境中。有研究表明，在夏季，約65%的能量是通過冷卻塔散發(fā)至室外（見圖1），冬季時(shí)，為滿足部分宴會(huì)區(qū)域或者客房制冷需求，仍然需要開啟制冷系統(tǒng)。綜上，高端酒店具備利用自身余熱作為熱源生產(chǎn)生活熱水的前提條件。

水水熱泵熱水系統(tǒng)工作原理（見圖2)：夏季時(shí)，打開電動(dòng)閥V3和V4同時(shí)關(guān)閉電動(dòng)閥V1和V2，蒸發(fā)器接入空調(diào)冷卻水管路，在制備生活熱水的同時(shí)可以降低冷卻水水溫；冬季時(shí)，打開電動(dòng)閥V1和V2同時(shí)關(guān)閉電動(dòng)閥V3和V4，將蒸發(fā)器接入空調(diào)冷凍水管路，在制備生活熱水的同時(shí)為酒店提供免費(fèi)供冷。

首先，對(duì)于水水熱泵來說，當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度低到一定程度時(shí)，熱泵的制熱性能系數(shù)趨于穩(wěn)定，通過分析，本文發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度低于16℃，熱泵COP基本保持穩(wěn)定（見圖6）。對(duì)于廣州等南方地區(qū)來說，冬季時(shí)冷卻水溫度通常都維持在15℃以下，此時(shí)冷卻水工況對(duì)熱泵COP的提高有限。

3 兩種低溫水熱源下熱泵系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

水水熱泵制熱性能系數(shù)（COP）與多種因素有關(guān)，例如水流量、蒸發(fā)器供水溫度、冷凝器出水溫度等，青島大學(xué)李帥通過建立能耗模型，研究熱泵機(jī)組在不同工況下的制熱性能系數(shù)，其結(jié)果表明在定流量工況下，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度每增加1℃，熱泵制熱性能系數(shù)平均提高2．3%，冷凝器出水溫度每下降1℃，熱泵制熱性能系數(shù)平均提高2．3%

。當(dāng)蒸發(fā)器接入冷凍水時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度低，熱泵COP低，但可以減少制冷機(jī)部分制冷電耗；當(dāng)蒸發(fā)器接入冷卻水時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度高，熱泵COP高，此時(shí)冷卻水溫度下降亦會(huì)相應(yīng)提高冷機(jī)效率。另外，根據(jù)開利水源熱泵樣本介紹，在制熱工況下蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水溫度并不是越高越好，其建議低溫?zé)嵩此臏囟确秶鸀?0～20℃，最低不低于7℃。在兩種低溫?zé)嵩垂r下，需要綜合考慮熱泵系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)能耗，然后判斷哪種工況更節(jié)能，下面根據(jù)實(shí)際案例進(jìn)行對(duì)比分析。

直線度誤差是指被測(cè)實(shí)際要素對(duì)其理想直線的變動(dòng)量[4]，本文選取激光測(cè)徑儀所發(fā)射的激光帷幕邊界為理想要素，通過x平移臺(tái)帶動(dòng)塞規(guī)沿x方向平移，測(cè)量塞規(guī)在某位置處的輪廓最低點(diǎn)距理想要素的距離變化，計(jì)算出該條素線的直線度。對(duì)于直徑在激光測(cè)徑儀量程內(nèi)塞規(guī)，當(dāng)其處于工件坐標(biāo)系z(mì)方向零點(diǎn)位置時(shí)，可以直接測(cè)量其輪廓最低點(diǎn)到激光光幕邊界的距離，測(cè)量流程如下：

3.1 系統(tǒng)改造概況

如今，兼任了貴州省大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用研究院首任院長(zhǎng)的梅宏，正不斷壯大具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)著貴州大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。

《治譜》代表了宋元以來官箴書的主要模式與類型，如果說它體現(xiàn)了晚明官箴書對(duì)宋元的繼承性，那么以下三種類型官箴書則是晚明的創(chuàng)新與發(fā)展。

該五星級(jí)酒店位于廣州市，空調(diào)系統(tǒng)采用四管制，全年有制冷需求，以冬季為例，平均每日供冷量約為16 000 kWh。生活熱水則采用熱水鍋爐，平均每日提供熱水熱量約11 000 kWh。改造后，采用兩臺(tái)制熱量為430 kW的螺桿式高溫水水熱泵+蓄熱水箱替代原熱水鍋爐提供一次熱媒水，基本滿足了酒店全年熱水需求。熱泵蒸發(fā)器側(cè)同時(shí)接入空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水主干管和冷卻水主干管，通過電動(dòng)閥進(jìn)行兩種工況的切換，同時(shí)新增一個(gè)電動(dòng)三通閥（圖2閥門V8）根據(jù)蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，保證蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度保持在設(shè)定值（此方案中設(shè)定為23℃，參考圖6結(jié)果）。

3.2 熱泵系統(tǒng)切換前后能耗變化

其次，制冷機(jī)對(duì)冷卻水溫度上下限均有一定要求，一般認(rèn)為當(dāng)冷卻水溫低于16℃時(shí)，就有可能影響冷機(jī)運(yùn)行甚至導(dǎo)致制冷機(jī)無法正常開機(jī)。

在熱泵出水設(shè)定溫度不變的情況下，由冷凍水工況切換為冷卻水工況后，最直觀的變化是蒸發(fā)器進(jìn)水溫度提高（如圖3)。冷凍水工況下，蒸發(fā)器平均進(jìn)水溫度為12．03℃，出水溫度11．06℃，溫差0．97℃；冷卻水工況下，蒸發(fā)器平均進(jìn)水溫度25．53℃，出水溫度24．01℃，溫差1．52℃。進(jìn)水溫度的提高可以提高換熱效率。

冷凍水工況時(shí)，熱泵制熱水的同時(shí)產(chǎn)生的冷量直接進(jìn)入空調(diào)冷凍水。本次測(cè)試中，空調(diào)系統(tǒng)開啟兩臺(tái)制冷機(jī)，平均冷凍水流量670 m

/h，制冷機(jī)冷凍水進(jìn)、出水平均溫差4．7℃，瞬時(shí)制冷量為3 684 kWh，熱泵蒸發(fā)器側(cè)流量91 m

/h，進(jìn)、出水溫差1．4℃，瞬時(shí)制冷量為150 kWh，熱泵產(chǎn)冷量占總冷量需求的比例為150/（3 684-150)=1．4%，占比量很小。假設(shè)制冷機(jī)制冷系數(shù)為4．5，理論上，每天可以節(jié)約冷機(jī)耗電量約800 kWh。

蒸發(fā)器效率的提升減少了熱泵運(yùn)行時(shí)間，冷凍水工況下，部分時(shí)段兩臺(tái)熱泵機(jī)組需要同時(shí)開機(jī)，而在冷卻水工況下，一臺(tái)機(jī)組即可滿足制熱需求（如圖4)。根據(jù)記錄，切換前單臺(tái)熱泵平均日運(yùn)行時(shí)間27．1 h，切換后單臺(tái)熱泵平均日運(yùn)行時(shí)間18 h，熱泵開機(jī)時(shí)間足足減少了9．1 h。

3）熱泵制熱性能系數(shù)

對(duì)于熱泵是否節(jié)能，主要看熱泵的制熱性能系數(shù)，通過安裝的電表和能量計(jì)分別記錄了切換前后的熱泵日用電量和日產(chǎn)熱量（見表2)。冷凍水工況下，日產(chǎn)熱量5 670．7 kWh，日用電量2 172．7 kWh，平均COP為2．61，冷卻水工況下，日產(chǎn)熱量5 950．5 kWh，日用電量1 697．2 kWh，平均COP為3．51，COP提高了34．3%。

為了準(zhǔn)確分析兩種工況下熱泵系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的能耗變化，在4月份選取酒店業(yè)務(wù)量、天氣情況相近的兩天進(jìn)行分析。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)切換前后能耗變化

熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器不管是接入冷凍水還是冷卻水，通常情況下都可以減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，比如冷凍水工況時(shí)，其產(chǎn)冷量可以減少制冷機(jī)的用電量，冷卻水工況時(shí)，熱泵產(chǎn)冷量導(dǎo)致冷卻水溫降低，兩種工況下哪種更有利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，下面作進(jìn)一步分析。

1）冷凍水工況下空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電量

一是公眾參與的專門立法層次仍然太低，系統(tǒng)性不夠，難以支撐環(huán)境共治的社會(huì)需要。盡管公民和社會(huì)組織熱心于給中央環(huán)境保護(hù)督察組反映情況，但只是短時(shí)間的現(xiàn)象，由于社會(huì)監(jiān)督政府的環(huán)境行政公益訴訟制度沒有確立，社會(huì)參與環(huán)境保護(hù)的積極性總體不足。在信息公開方面，各地雖然都公開了空氣污染等環(huán)境信息，一些排名靠后的地方黨委和政府壓力大，但是輿論監(jiān)督仍然以微信發(fā)牢騷等形式出現(xiàn)，處于無序狀態(tài)。

2）熱泵運(yùn)行時(shí)間

其實(shí)，在追求文學(xué)藝術(shù)的漫漫過程中，就已經(jīng)顯示出自己的價(jià)值了，不用經(jīng)過別人認(rèn)同才能彰顯。自我的價(jià)值不需第三者認(rèn)證，我只在意自己的興趣指數(shù)，其他都是次要的！

2）冷卻水工況下空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電量

冷卻水工況時(shí)，經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器的冷卻水溫下降了1．52℃（見圖3)，此時(shí)制冷機(jī)冷卻水的進(jìn)水溫度由切換前的28．7℃下降到了25．2℃（見圖5）。據(jù)測(cè)算，冷卻水溫度每上升1℃，冷機(jī)的制冷效率下降約4%

，同理，在一定溫度范圍內(nèi)，冷卻水溫度每上升1℃，保守認(rèn)為冷機(jī)的制冷效率上升3%，假設(shè)冷機(jī)每天用電量7 800 kWh，則每天節(jié)電量約為819 kWh，如果考慮到冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻泵節(jié)約的電量，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的日節(jié)電量將大于冷凍水工況。

3.4 冬季水水熱泵熱源的選擇

通過以上分析可知，當(dāng)熱泵蒸發(fā)器接入冷卻水工況時(shí)更加節(jié)能，但這種情況只針對(duì)于夏季，當(dāng)冬季時(shí)（針對(duì)該地區(qū)酒店冬季時(shí)段定義為制冷負(fù)荷小，日平均環(huán)境溫度小于17℃的月份），通過實(shí)際運(yùn)行效果和相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，此時(shí)采用冷凍水工況反而更加合理和安全。

①[美]弗朗西斯·福山：《政治秩序的起源：從前人類時(shí)代到法國(guó)大革命》（毛俊杰譯），廣西師范大學(xué)出版社，2014，第 364 頁(yè)。

1）蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度

最后，冬季時(shí)酒店本身冷量需求較少，冷凍水出水溫度能保持在16℃左右，即可滿足部分客房的制冷需求，如果通過開啟制冷機(jī)提供制冷，顯然能源消耗較大。而如果將熱泵蒸發(fā)側(cè)接入冷凍水，就可以減少或者避免開啟制冷機(jī)。

4 結(jié)束語

節(jié)能改造不單是指簡(jiǎn)單的節(jié)能設(shè)備替換，在本案例中，通過水水熱泵替換鍋爐提供生活熱水，通過合理的設(shè)計(jì)和后期的精細(xì)管理，基本能夠滿足酒店全年的熱水需求，與鍋爐消耗大量天然氣相比，采用熱泵后，酒店的熱水生產(chǎn)成本大大降低。但是，節(jié)能設(shè)備替換只是合同能源管理的第一步，如何保證節(jié)能設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，亦是整個(gè)合同能源管理中的重要一環(huán)，通過本次分析論證本文得出以下結(jié)論：

1）利用酒店空調(diào)系統(tǒng)冷凍水或冷卻水作為低溫?zé)嵩吹臒岜脽崴到y(tǒng)，適用于全年有制冷需求，熱水和制冷負(fù)荷穩(wěn)定的高端酒店。

2）當(dāng)夏季酒店制冷需求量大時(shí)，選擇冷卻水作為低溫水熱源，熱泵蒸發(fā)器進(jìn)水溫度提高同時(shí)制冷機(jī)冷凝器進(jìn)水溫度下降，可以將熱泵的制熱效率提高34．3%，制冷機(jī)的制冷效率提高10%左右。

兩組診斷結(jié)果依據(jù)腕關(guān)節(jié)不穩(wěn)定情況、關(guān)節(jié)面壓縮坍塌、關(guān)節(jié)面分離、關(guān)節(jié)面骨塊3塊以上、骨折伴下尺橈半脫位、橈骨縮短、尺偏角改變等檢測(cè)項(xiàng)目[2]。

由此，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的穩(wěn)步向前，特別是中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司電力技術(shù)的質(zhì)量和性能領(lǐng)先所有國(guó)家，我們將大范圍的越來越多地采用特高壓這一新型技術(shù)，也逐步成為各國(guó)使用的技術(shù)。這一冠絕全球的特高壓技術(shù)推向全球，以較低的成本讓更多的人享受美好生活的技術(shù)，滿足人民未來美好生活需要，促進(jìn)人類命運(yùn)共同體建設(shè)。

3）當(dāng)冬季酒店冷負(fù)荷相對(duì)較少時(shí)，選擇冷凍水作為低溫水熱源，既避免了因接入冷卻水導(dǎo)致冷卻水溫過低影響冷機(jī)運(yùn)行，又可以減少制冷機(jī)開啟時(shí)間。

以上研究成果在多個(gè)水水熱泵熱水系統(tǒng)改造中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的節(jié)能效果。隨著水源熱泵技術(shù)的不斷提升，運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，相信在以后的建筑節(jié)能改造中，熱泵技術(shù)將會(huì)得到更大的推廣和應(yīng)用。

［1］陸亞俊，馬最亮，鄒平華.暖通空調(diào)［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

［2］李帥.水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控與能耗優(yōu)化［D］.青島：青島大學(xué)，2015:34-37.

［3］佟萌.關(guān)于冷卻水及冷凍水溫對(duì)制冷機(jī)效率影響的研究［J］.北京，2016，5（2）.