空氣能加熱游泳館池水的能耗與效益分析

林惠佳，陳愉雷

(中山市體育場(chǎng)館管理中心，廣東 中山 528403)

游泳是深受群眾喜愛(ài)的體育運(yùn)動(dòng)，寒冷的冬季可選擇有恒溫泳池的游泳館作為健身場(chǎng)所。通常情況下，恒溫游泳池的水溫需控制在26℃～28℃，但對(duì)池水進(jìn)行加熱是一個(gè)復(fù)雜的工作，涉及成本、安全、設(shè)備等。成本核算是工作重點(diǎn)，將游泳池加溫系統(tǒng)由燃?xì)忮仩t加熱方式改為空氣能加熱方式，對(duì)成本進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，空氣能加熱在南方城市可作為池水加溫首選。

1 游泳館池水的加熱方式

池水的加熱方式主要有燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、電熱棒、太陽(yáng)能、空氣能加熱等。某單位游泳池(館)種類多樣，跳水館采用電熱棒加熱，游泳館采用空氣能加熱，游泳訓(xùn)練館采用太陽(yáng)能加空氣能混合加熱。應(yīng)力增高超過(guò)極限值、安全閥與超壓連鎖失靈、缺水、鋼材質(zhì)量不合要求、焊接缺陷、超壓等因素極易造成鍋爐爆炸或管道爆破事故。目前，已淘汰燃?xì)狻⑷加湾仩t加熱方式。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能熱水器和空氣能熱水器逐漸進(jìn)入主流市場(chǎng)，比電熱水器更加節(jié)能環(huán)保。太陽(yáng)能熱水器利用熱水上浮、冷水下沉原理，吸收了充足的太陽(yáng)能后，通過(guò)溫差循環(huán)，使水溫上升，陰天時(shí)，則通過(guò)電加熱棒提高池水溫度。太陽(yáng)能熱水器的缺點(diǎn)是安裝復(fù)雜，安裝不合適將影響房子的整體外觀，因其工序繁雜，一旦發(fā)生故障，維修較為困難。太陽(yáng)能熱水器通常裝于屋頂，而太陽(yáng)能集熱板的安裝又受限于房屋承重，需要考慮場(chǎng)館整體觀感、抗風(fēng)等因素?？諝饽軣崴鞯脑砼c家用空調(diào)正好相反，應(yīng)用了“逆卡諾原理“，通過(guò)空調(diào)風(fēng)扇吸收來(lái)自空氣源熱中的大量低溫?zé)崮?，?jīng)制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生高溫蒸汽壓縮，再冷凝變?yōu)楦邷責(zé)崮埽瑐鬟f進(jìn)入熱水箱內(nèi)膽管中，將熱水再次充分加熱沸騰，大大提高了熱效率，充分利用了空氣能源。

2 鍋爐加熱的工作原理

鍋爐是一種供暖、具有工業(yè)用途的特種設(shè)備，主要提供熱水和蒸汽，如圖1，通過(guò)燃燒冷水，產(chǎn)生蒸汽，將蒸汽打入游泳池，使池水溫度提升。爐膛內(nèi)采用U型管布設(shè)，使鐵管充分受熱且受熱均勻，令熱能得到充分利用。此外，蒸汽還供應(yīng)集熱器，以提高室內(nèi)氣溫，壓制水蒸汽，平衡室內(nèi)外溫差。池水溫度不斷升高會(huì)使池水升騰，造成室內(nèi)水汽很大，使游泳人員產(chǎn)生不適，而通過(guò)集熱器增加室內(nèi)氣溫可減少池水升騰，保持室內(nèi)干燥，如有條件可采用抽濕機(jī)。

圖1 鍋爐設(shè)備Fig.1 Boiler plant

3 空氣能熱泵的工作原理

空氣能熱泵機(jī)組的工作原理是把空氣能量中釋放的熱能量用機(jī)械吸收，轉(zhuǎn)換成一部分熱量，轉(zhuǎn)移到水箱中對(duì)水加熱，通過(guò)管路連接游泳池形成循環(huán)，同時(shí)把失去大量熱量的空氣排放到室外環(huán)境中?？諝饽軣岜玫暮诵牟考菈嚎s機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器。壓縮機(jī)制冷，通過(guò)真空泵，將回流的低壓冷媒氣體進(jìn)行真空壓縮或降溫冷凝，變成高溫高壓氣體排出，其中產(chǎn)生的中低值冷媒氣體將主要熱量流經(jīng)被安裝在壓縮機(jī)冷卻水箱殼腔體外的一個(gè)環(huán)形銅管，熱量經(jīng)環(huán)銅管加熱后再傳導(dǎo)并循環(huán)流入到冷水箱腔體內(nèi)冷卻并循環(huán)，排出后的低壓水冷媒流體維持在無(wú)外界壓力下的溫度，冷卻液變成半液態(tài)，經(jīng)節(jié)流膨脹閥口關(guān)閉冷卻后進(jìn)入冷水蒸發(fā)器，此時(shí)蒸發(fā)器軸上流過(guò)的氣體壓力可能已急劇降低，因此產(chǎn)生大量液態(tài)空氣的冷媒水將在此段時(shí)間被完全蒸發(fā)或迅速變成極冷氣態(tài)，同時(shí)吸收部分熱量。在氣流作用條件下，大量較冷的濕潤(rùn)空氣幾乎同時(shí)流到蒸發(fā)器的外冷板表面，多余的外冷能量均會(huì)很快被壓縮機(jī)蒸發(fā)器吸收，空氣溫度又被迅速冷卻降低變成大量的冷氣釋放，而風(fēng)機(jī)將室外空氣冷媒重新回流注入熱泵水壓縮機(jī)?？諝庠礋岜脵C(jī)組制冷設(shè)備的壓縮運(yùn)行原理如圖2所示。壓縮機(jī)蒸發(fā)器通過(guò)水蒸氣冷凝過(guò)程消耗部分電能，將其中原本屬于低溫低壓態(tài)液體的高壓制冷劑氣體經(jīng)加熱壓縮后氣化冷凝成高溫高壓液態(tài)流體的制冷劑氣體，高溫高壓狀態(tài)的低溫制冷劑氣體是由制冷劑在低溫壓縮機(jī)冷凝器中運(yùn)行蒸發(fā)放出一些熱量，或?qū)⑵渑c水共同蒸發(fā)后加熱逐漸被壓縮冷卻，經(jīng)過(guò)高壓冷卻膨脹閥的節(jié)流冷凝和降壓冷凝處理后變成一種低溫低壓固態(tài)氣體的低溫氣液混合物，在高速壓縮機(jī)蒸發(fā)器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中通過(guò)高溫制冷劑的蒸發(fā)冷凝，吸收高速空氣系統(tǒng)中低溫制冷劑的全部熱量，變成低溫低壓冷卻后的一個(gè)高壓氣體，熱量逐漸被高速空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)吸收，壓縮膨脹冷凝成高溫高壓氣體，來(lái)加熱池水。

圖2 熱泵運(yùn)行原理Fig.2 Principle of heat pump operation

4 供熱系統(tǒng)全年運(yùn)行成本分析

按照同一泳池標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算兩種供熱系統(tǒng)所需功率。該泳池全年365 d正常開(kāi)放，每天開(kāi)放12 h，電價(jià)(0.98元/千瓦時(shí))，按照1元計(jì)算，燃?xì)赓M(fèi)按照實(shí)際3.45元/m3，人工費(fèi)按照2.5萬(wàn)元/人/年。

表1 循環(huán)泵耗電量費(fèi)用計(jì)算Tab.1 Cost calculation of circulating pump power consumption

空氣源熱泵供熱系統(tǒng)循環(huán)泵運(yùn)行費(fèi)用：9 kW×12 h/d×365 d×1元/度=39 420(元)；燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)循環(huán)泵運(yùn)行費(fèi)用：15 kW×12 h/d×365 d×1元/度=65 700(元)。

表2 設(shè)備機(jī)組耗電量費(fèi)用計(jì)算Tab.2 Cost calculation of equipment unit power consumption

空氣源熱泵供熱系統(tǒng)機(jī)組耗電費(fèi)用：122.2 kW×12 h/d×365 d×1元/度=535 236(元)；燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)機(jī)組耗電費(fèi)用：1.6 kW×12 h/d×365 d×1元/度=7 008(元)。

表3 燃料消耗量費(fèi)用計(jì)算Tab.3 Cost calculation of fuel consumption

空氣源熱泵供熱系統(tǒng)燃料消耗費(fèi)用0(元)；燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)燃?xì)庀馁M(fèi)用：74 kW×12 h/d×365 d×3.45元/度=1 118 214(元)。

表4 人工管理費(fèi)用計(jì)算Tab.4 Cost calculation of manual management

空氣源熱泵供熱系統(tǒng)人工費(fèi)用：25 000(元)；燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)人工費(fèi)用：25 000元/人×2人=50 000(元)。

供熱系統(tǒng)全年運(yùn)行成本比較見(jiàn)表5。

表5 空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)費(fèi)用對(duì)比Tab.5 Comparison of the cost of air source heat pump and gas boiler heating system

5 空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的優(yōu)越性

一是能效高?？諝庠礋岜媚苄П菴OP全年平均在360%以上，而燃?xì)忮仩t的能效比不超過(guò)100%。空氣源熱泵能效比受氣溫條件影響較大，在氣候炎熱的地區(qū)(廣東)，效果更突出。二是運(yùn)行費(fèi)用低。與燃?xì)忮仩t供熱設(shè)備系統(tǒng)相比，每月平均可節(jié)省60%以上的費(fèi)用。三是綠色環(huán)保?？諝庠礋岜醚h(huán)運(yùn)行過(guò)程中，基本無(wú)任何污染排放物，均選用優(yōu)質(zhì)環(huán)保高效的制冷劑R417A，對(duì)臭氧層零污染，是一款較好的環(huán)保型產(chǎn)品。四是運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定安全。無(wú)需配備人員跟班值守，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)微電腦智能控制，有效節(jié)省了人員費(fèi)用支出。五是模塊式機(jī)組安裝。便于客戶增添新設(shè)備。采用了多臺(tái)空調(diào)機(jī)組模塊并聯(lián)機(jī)組的組合安裝新模式，當(dāng)用戶需要擴(kuò)容時(shí)，可隨時(shí)靈活增添機(jī)組設(shè)備。六是前期工程配套設(shè)施要求低。燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)對(duì)機(jī)房條件要求較高，且配套輔助設(shè)施(如燃?xì)夤艿赖?的申請(qǐng)與安裝程序較為復(fù)雜。七是使用壽命長(zhǎng)。機(jī)組可使用10年以上。

6 空氣能與燃?xì)饧訜釋?duì)比

中山市紫馬嶺游泳館的尺寸為25×25×1.5(m)，主要功能是為全市游泳愛(ài)好者提供活動(dòng)鍛煉的場(chǎng)所，每年11月—次年5月秋對(duì)池水進(jìn)行加溫，原設(shè)計(jì)的加溫采用燃?xì)忮仩t，如圖3，但池水加溫成本很高，需進(jìn)行節(jié)能減排改造。

圖3 改造前的燃?xì)忮仩tFig.3 Gas boiler before renovation

經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)品的調(diào)研及成本數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，空氣能加熱方案具有可行性。結(jié)合場(chǎng)地位置、建筑結(jié)構(gòu)，選擇了空氣能熱泵供熱系統(tǒng)，改造后如圖4所示，經(jīng)過(guò)3年的實(shí)際運(yùn)用，兩種供熱方式費(fèi)用對(duì)比如下：

圖4 改造后空氣能熱泵Fig.4 Air energy heat pump after modification

表6 使用燃?xì)忮仩t3年費(fèi)用明細(xì)Tab.6 Cost details of the utilization of gas boiler for 3 years

表7 改成空氣能后3年費(fèi)用明細(xì)Tab.7 3-year cost details after changing to air energy

由費(fèi)用對(duì)比可見(jiàn)，使用空氣能熱泵供熱系統(tǒng)比燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)費(fèi)用降低了60℅，與理論分析數(shù)據(jù)基本相符，說(shuō)明經(jīng)過(guò)實(shí)際的技術(shù)改進(jìn)，達(dá)到了環(huán)保節(jié)能效果。

7 結(jié)語(yǔ)

泳池管理除了要保證日常開(kāi)放與服務(wù)，成本核算也是必須要考慮的重要環(huán)節(jié)。太陽(yáng)能與空氣能兩種供熱方式各具優(yōu)點(diǎn)，基于地緣因素考慮——廣東中山每年冬春兩季對(duì)游泳館池水加溫，珠三角地區(qū)2—4月進(jìn)入陰雨季節(jié)，選擇空氣能更具節(jié)能效果，而太陽(yáng)能更適合在日照相對(duì)較長(zhǎng)的北方城市使用。通過(guò)實(shí)踐考察和對(duì)比分析，選擇最適方案，才能提供高品質(zhì)的游泳運(yùn)動(dòng)服務(wù)。