多源互補(bǔ)生活熱水熱源系統(tǒng)在酒店節(jié)能中的應(yīng)用研究

李 寧，李愷淵，王 建

(1.國網(wǎng) (杭州) 綜合能源服務(wù)有限公司，浙江 杭州 310020;2.杭實(shí)綜合能源科技 (杭州) 有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

杭州作為世界級(jí)的旅游城市，擁有著數(shù)量眾多各種等級(jí)的酒店。隨著對(duì)能耗總量及強(qiáng)度“雙控”要求及浙江省飯店單位綜合能耗限額政策的實(shí)施，節(jié)能降耗已經(jīng)成為酒店行業(yè)必須重視的問題。

生活熱水系統(tǒng)是酒店必不可少的重要設(shè)施，其運(yùn)行水平直接影響到客人的入住體驗(yàn)，通常采用燃?xì)忮仩t(蒸汽鍋爐、常壓熱水鍋爐或冷凝真空熱水鍋爐等)作為熱源。對(duì)于杭州的酒店，生活熱水耗氣量基本與冬季采暖耗氣量相當(dāng)，約占酒店燃?xì)饪偤牧康娜种?。燃?xì)忮仩t直接消耗一次能源，熱效率一般為80 %～90 %，且隨著時(shí)間的推移，效率逐步降低，能耗逐年升高。在近些年的改造中，對(duì)廢熱余熱的回收利用已成為生活熱水系統(tǒng)節(jié)能的重要措施，如利用空氣源熱泵回收洗衣房、地下車庫、廚房冷庫外機(jī)、換熱間、鍋爐房內(nèi)的廢熱；利用水源熱泵回收冷凝水、冷凍水中的余熱；利用換熱器回收鍋爐煙氣、冷凝水中的余熱等。余熱、廢熱資源千差萬別，與酒店的設(shè)備配置、經(jīng)營情況及運(yùn)維管理密切相關(guān)，因此需結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)性地制定方案。

酒店生活熱水熱源系統(tǒng)的構(gòu)建或改造需從熱源結(jié)構(gòu)上分析和論證，還必須考慮到太陽能及空氣源熱泵受到季節(jié)等自然氣候影響的特性：如杭州“黃梅天”或連續(xù)陰雨雪的時(shí)段，太陽能幾乎不能加熱；而對(duì)于空氣源熱泵系統(tǒng)而言，全年大部分時(shí)段均表現(xiàn)出高效節(jié)能的優(yōu)勢，但在冬季低溫高濕環(huán)境中會(huì)頻繁結(jié)霜化霜，系統(tǒng)效率大大降低，甚至不能正常運(yùn)行，出于穩(wěn)定性考慮，通常情況下需要增大空氣源熱泵系統(tǒng)的容量配置或采用電加熱補(bǔ)充。綜上所述，提出了一種太陽能+空氣源熱泵(室外放置)+冷凝鍋爐的多源互補(bǔ)系統(tǒng)方案。

1 加熱熱源

生活熱水熱源形式多種多樣，可根據(jù)酒店的實(shí)際情況予以利用，但首先需要從熱源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做一定的考慮，合理的能源結(jié)構(gòu)是節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)。

1.1 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t通過燃燒化石能源釋放熱量加熱熱水，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但需要消耗寶貴的天然氣資源。蒸汽鍋爐一般效率約為80 % (逐年下降)，產(chǎn)出蒸汽0.4～0.8 MPa，運(yùn)行中存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)；承壓熱水鍋爐的效率約為90 % (逐年下降)，產(chǎn)出60～90 ℃熱水，運(yùn)行中存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)；常壓熱水鍋爐的效率約為82 % (逐年下降)，產(chǎn)出60～90 ℃熱水，運(yùn)行較為安全；真空熱水鍋爐效率約為92 % (衰減小)，出水溫度60～90 ℃，運(yùn)行安全性高；新型冷凝鍋爐可以進(jìn)一步獲得煙氣冷凝水中的熱量，效率會(huì)提高一些，約為103 % (衰減小)，出水溫度60～80 ℃，排煙溫度甚至可降至約70 ℃，運(yùn)行安全性高。

1.2 空氣源熱泵

隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，空氣源熱泵在供熱采暖方面得到越來越廣泛的應(yīng)用，也逐漸成為酒店生活熱水的重要熱源系統(tǒng)，但是室外放置的空氣源熱泵機(jī)組受環(huán)境影響較大：室外溫度低，則熱泵的效率較低，產(chǎn)熱量及出水溫度均有明顯的下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能滿足熱水需求；在一定相對(duì)濕度及溫度條件下，蒸發(fā)器側(cè)會(huì)不斷結(jié)霜除霜，目前除霜的方式有很多，但均是以犧牲效率或增加能耗為代價(jià)，結(jié)霜除霜周期內(nèi)，機(jī)組產(chǎn)熱量及效率下降，相對(duì)能耗上升。

根據(jù)日本學(xué)者對(duì)不同空氣源熱泵測試得出的結(jié)論，室外相對(duì)濕度和干球溫度是熱泵結(jié)霜的重要因素，室外溫度在-12.8～5.8 ℃之間，相對(duì)濕度大于67 %時(shí)，熱泵發(fā)生結(jié)霜；在室外溫度小于-12.8 ℃時(shí)，由于空氣中絕對(duì)含濕量較低，不發(fā)生結(jié)霜；在相對(duì)濕度小于67 %時(shí)，由于空氣露點(diǎn)溫度低于室外換熱器表面溫度，也不發(fā)生結(jié)霜。某空氣源熱泵機(jī)組性能曲線(見圖1)顯示，室外溫度在-5～10 ℃的區(qū)間內(nèi)，熱泵機(jī)組的參數(shù)變化較大，制熱量及制熱性能隨著溫度的降低存在比較明顯的下降。

圖1 某空氣源熱泵機(jī)組性能曲線

杭州地處長江中下游區(qū)域，屬夏熱冬冷地區(qū)，夏季高溫高濕、冬季低溫高濕。杭州地區(qū)全年逐日干球溫度和杭州地區(qū)全年逐日相對(duì)濕度如圖2、3所示。

圖2 杭州地區(qū)全年逐日干球溫度

圖3 杭州地區(qū)全年逐日相對(duì)濕度

結(jié)合以上熱泵機(jī)組性能及室外氣候環(huán)境的分析發(fā)現(xiàn)，杭州地區(qū)12月至次年2月的大部分時(shí)段，熱泵機(jī)組均處在結(jié)霜區(qū)域，熱泵的產(chǎn)熱量及效率下降較大。因此如為了滿足冬季時(shí)段熱水加熱要求，需將空氣源熱泵機(jī)組配置容量加大，但即便如此，在某些時(shí)段內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況，因此需增加輔助加熱系統(tǒng)。

杭州地區(qū)12月至次年2月，平均氣溫約為5 ℃，最低氣溫低于0 ℃，近年的極端低溫可達(dá)-10 ℃，大部分時(shí)段在0～5 ℃區(qū)間波動(dòng)，相對(duì)濕度大部分時(shí)段高于60 %。

1.3 太陽能

太陽能系統(tǒng)加熱能耗幾乎為零，是酒店熱水熱源的重要節(jié)能措施，但太陽能集熱系統(tǒng)存在成本較高、安裝受場地限制、集熱過程受天氣影響嚴(yán)重、連續(xù)陰雨雪天氣不能加熱等劣勢，從理論上說太陽能熱水系統(tǒng)不能作為酒店熱水的穩(wěn)定熱源使用，需要增加輔助熱源。太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱源的加熱能力應(yīng)按照不計(jì)太陽能集熱器供熱能力的常規(guī)熱水系統(tǒng)計(jì)算，即太陽能可作為降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗的方式，但不能作為穩(wěn)定熱源，在熱源系統(tǒng)配置方面，即使太陽能熱泵計(jì)算容量可以滿足需求，但仍需全負(fù)荷配備其他加熱熱源。

杭州地區(qū)的太陽輻射隨季節(jié)大致呈一定規(guī)律變化(見圖4)，夏季輻射量高，冬季輻射量低，年總輻射量約為4 300 MJ/m2，日照年平均為5 h/日，總?cè)照? 819.9 h，太陽能熱水保證率低于40 %，屬于太陽能輻射資源一般區(qū)域。

圖4 杭州地區(qū)太陽日總輻射隨季節(jié)變化趨勢

2 多源互補(bǔ)系統(tǒng)

2.1 熱源構(gòu)成

為最大程度地降低生活熱水熱源部分的能耗，同時(shí)保證熱水的供應(yīng)，采用太陽能+空氣源熱泵+冷凝鍋爐的多熱源互補(bǔ)熱源作為生活熱水的加熱熱源。太陽能光熱系統(tǒng)加熱生活熱水的能耗幾乎為零(不計(jì)循環(huán)水泵能耗），因此在場地允許的條件下，綜合考慮投資等因素，盡量大地配置太陽能熱水系統(tǒng)，以減少加熱能耗。空氣源熱泵理論上可以作為全年生活熱水的穩(wěn)定熱源使用，但若單獨(dú)采用空氣源熱泵，則需設(shè)置輔助加熱設(shè)備，以保證在特殊溫濕度條件下的正常供應(yīng)，也勢必會(huì)加大系統(tǒng)配置及運(yùn)行能耗，因此按照室外日平均溫度大于10 ℃配置空氣源熱泵系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率及可靠性；在室外日平均溫度小于10 ℃時(shí)，空氣源熱泵的性能下降較大，在此部分時(shí)段內(nèi)，按照冬季最不利溫度對(duì)空氣源熱泵各參數(shù)進(jìn)行校核，測算熱水供熱能力，不足部分采用冷凝鍋爐補(bǔ)充。

2.2 開式系統(tǒng)

太陽能加熱系統(tǒng)采用雙水箱形式，分別設(shè)置加熱水箱和儲(chǔ)熱水箱(與生活熱水儲(chǔ)熱水箱共用)。由于在一天內(nèi)太陽能加熱也具有明顯的波動(dòng)性，一般上午時(shí)段水溫逐漸升高，至中午加熱到設(shè)定溫度，此時(shí)打開供水泵將熱水補(bǔ)至生活熱水儲(chǔ)水箱，若因天氣原因水溫一直較低，中午過后水溫仍不能升至設(shè)定溫度，則補(bǔ)至空氣源熱泵加熱水箱中進(jìn)行二次加熱。

如圖5所示，空氣源熱泵與冷凝鍋爐串聯(lián)，按梯級(jí)分別對(duì)生活熱水進(jìn)行加熱，生活熱水回水及冷水補(bǔ)水首先進(jìn)入空氣源熱泵加熱水箱中加熱，一般情況下，除冬季外，水箱水溫可加熱至設(shè)定溫度，加熱水箱與儲(chǔ)熱水箱通過管道聯(lián)通，熱水自然進(jìn)入熱水儲(chǔ)水箱中，再通過變頻供水泵送至用水末端。太陽能熱水加熱水箱及空氣源熱泵加熱水箱分別設(shè)置冷水補(bǔ)水。太陽能加熱循環(huán)按照自身邏輯運(yùn)行，當(dāng)水箱水溫達(dá)到設(shè)定溫度后，開啟變頻供水泵供至熱水儲(chǔ)水箱中?？諝庠礋岜玫倪\(yùn)行以空氣源熱泵加熱水箱中的水溫為控制條件，當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱，當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行；冷凝鍋爐運(yùn)行控制以儲(chǔ)熱水箱的水溫為控制條件，當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱，當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行。

圖5 多源互補(bǔ)生活熱水熱源系統(tǒng)(開式系統(tǒng))

2.3 閉式系統(tǒng)

由于太陽能加熱在一天中存在較為明顯的時(shí)段性和不均衡性，同時(shí)閉式系統(tǒng)需根據(jù)不同的壓力分區(qū)設(shè)置加熱設(shè)備，因此僅將太陽能加熱的熱水作為生活熱水系統(tǒng)的補(bǔ)水加以利用。太陽能加熱同樣采用雙水箱設(shè)置，太陽能集熱器及加熱水箱自成系統(tǒng)，當(dāng)水溫加熱至設(shè)定溫度后由不同揚(yáng)程的供水泵根據(jù)需求補(bǔ)充至不同壓力分區(qū)的熱水儲(chǔ)水罐中以供使用。

如圖6所示，空氣源熱泵與冷凝鍋爐串聯(lián)加熱，生活熱水回水及冷水補(bǔ)水進(jìn)入空氣源熱泵加熱罐中，空氣源熱泵加熱溫度較低的補(bǔ)水及回水，提高其運(yùn)行效率，水加熱后在補(bǔ)水壓力的推動(dòng)下進(jìn)入儲(chǔ)熱罐中，隨后供至用水末端。除冬季以外，空氣源熱泵均可滿足加熱需求，無需冷凝鍋爐加熱，如熱水儲(chǔ)水罐中的水溫不能滿足需求，則啟動(dòng)冷凝鍋爐加熱。

圖6 多源互補(bǔ)生活熱水熱源系統(tǒng)(閉式系統(tǒng))

太陽能熱水加熱水箱及空氣源熱泵加熱罐需分別設(shè)置冷水補(bǔ)水，開式水箱按照太陽能熱水循環(huán)控制邏輯補(bǔ)水，加熱罐根據(jù)實(shí)時(shí)壓力變化補(bǔ)水。太陽能加熱循環(huán)按照自身邏輯運(yùn)行，當(dāng)水箱水溫達(dá)到設(shè)定溫度后，開啟供水泵供至儲(chǔ)水罐中?？諝庠礋岜玫倪\(yùn)行以空氣源熱泵加熱水罐的水溫為參數(shù)，當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱，當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行；冷凝鍋爐運(yùn)行控制以儲(chǔ)熱水罐的水溫為參數(shù)，當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱，當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行。

3 結(jié)束語

依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)及酒店熱水需求，在綜合考慮太陽能、空氣源熱泵及冷凝鍋爐各自優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，給出了三種熱源的配置組合方案并分析了系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略，可實(shí)現(xiàn)熱源的綜合利用，最大化地節(jié)能降耗及不利氣候條件下熱水的正常制取，為酒店生活熱水節(jié)能改造提供了一種可行的方案。同時(shí)，在具體的改造中還需充分考慮氣候變化及實(shí)際用水特點(diǎn)進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)和設(shè)備配置，尤其是空氣源熱泵、冷凝鍋爐及各水箱的容量配置需結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)一步分析計(jì)算，最佳的適配是多源互補(bǔ)熱源系統(tǒng)成功實(shí)施的根本保證。