论文热回收型空气源热泵在酒店建筑中的应用

工程实例

2.1 工程概况

案例位于四川省宜宾市，年平均温度 17.9 ℃，无霜期 347d 。当地的全年温度曲线（数据来自中国气象局官网）如图 1 所示。当地商业电价为 0.9327 元/ （ kW·h ），无峰谷电价 ; 燃气价格为 3.54 元 / m ³ 。

客房、酒店及地下部分区域设置空调，空调面积为 25038m ² ，空调冷负荷为 2903kW ，空调冷指标为 116W / m ² ； 空调热负荷为 1627kW ，空调热指标为 65W / m ² 。建筑不存在内区，没有冬季冷负荷。设计日空调逐时冷负荷见图 2 。

生活热水的最高日最大时热负荷为 1900kW ，其中包括客房 400kW ，酒店餐饮 300kW ，洗衣房 1200kW 。生活热水的最高日耗热量为 8300kW·h ，日均变化系数取值 1.1 。洗衣房的蒸汽由独立蒸汽源提供，不在本文讨论范围之内。

通过对宜宾气候条件的分析，结合酒店运营管理方根据当地相似酒店的管理经验，估算得出冷热源的使用时间，如表 1 所示。空调冷水 + 生活热水期为 160d ，空调热水 + 生活热水期为 130d ，仅生活热水期为 70d 。

  根据冷热源的运行时间、室外气候条件及工程经验，估算空调冷热源不同负荷下的运行天数，如表 2 和表 3 所示。

方案 1 采用常规的水冷冷水机组 + 燃气锅炉的能源形式，冷热源系统流程如图 3 所示。空调冷负荷为 2903kW ，冷源采用 3 台水冷螺杆式变频冷水机组，单台额定制冷量为 1018kW （ 290rt ）。根据使用方要求，另设 1 台相同型号的机组备用。空调冷水供 / 回水温度为 7 ℃ / 13 ℃，配 4 台冷水循环泵，三用一备。冷却水进 / 出水温度为 32 ℃ / 37 ℃，设置 1 组开式横流模块化冷却塔，配 4 台冷却水循环泵，三用一备。

空调热水与生活热水的热负荷为 3527kW ，设置 6 台模块化燃气锅炉，单台锅炉天然气用量为 72m ³ / h ，热效率为 90% ，额定供热量为 590kW / 台。分析热负荷，洗衣房的生活热水负荷（ 1200kW ）主要出现在上午，空调热负荷、客房及酒店生活热水负荷主要出现在晚上，即热负荷存在错峰，设置 6 台锅炉可以满足各个末端同时使用，故认为已经设置了备用锅炉，不再单独设置备用锅炉。

6 台锅炉并联运行，设置 4 台锅炉热水循环泵，三用一备。锅炉热水供 / 回水温度为 75 ℃ / 55 ℃，空调热水供 / 回水温度为 45 ℃ / 40 ℃，生活热水进水温度以 7 ℃计算，供水温度为 55 ℃。空调热水设置 1 套板式换热机组，其中主要包括 2 组板式换热器， 3 台循环泵。生活热水设置 2 台半容积式换热器，配 4 台循环泵。锅炉侧热水经过分集水器分别输送至空调热水、生活热水的换热机组。

方案 2 采用热回收型空气源热泵机组，冷热源系统流程如图 4 所示。采用 5 台空气源热泵机组（全热回收型），单台额定制冷量为 762kW ，额定制热量（热回收量）为 972kW 。夏季制冷时，四用一备，其中 2 台开启冷凝热回收制备生活热水； 过渡季节开启 2 台机组，制取生活热水； 冬季 5 台机组全开， 3 台制取空调热水， 2 台制取生活热水。此外，为生活热水设置 2 台有效容积为 50m ³ 的热水箱，配合空气源热泵使用。

为避免冬季出现极端天气导致空气源热泵机组不能使用或制热量过低，设置 3 台与方案 1 中相同型号的模块化燃气锅炉，作为空调热水与生活热水的备用热源，并为空调热水系统与生活热水分别配置 1 套板式换热机组。

空调冷水供回水温度、空调热水供 / 回水温度、锅炉热水供 / 回水温度、自来水进水温度均与方案 1 相同，备用的生活热水换热机组的供 / 回水温度为 55 ℃ / 50 ℃。

对方案中的设备成本进行估算，比较 2 个方案的初投资，方案 1 ， 2 的初投资估算见表 4 和表 5 。方案中的设备价格，均参照相关定额，结合市场上高档国产品牌或中档合资品牌的产品价格给出， 2 个方案的相同设备采用同一品牌。工程建设的税费、措施费等费用对方案的比选影响不大，均忽略不计。

根据厂家提供的数据，该工程所选的空气源热泵在不同室外温度下的制热能力见表 6 ，机组在进 / 出水温度为 50 ℃ / 55 ℃时，制热量衰减不明显，但出于保守考虑，在计算生活热水系统能效时，仍考虑 15% 的制热量衰减，计算得生活热水系统 SCOP _W =3.74 。

由上文数据可知，设计日累计冷负荷为 32200kW·h ，供冷季折合满负荷运行 91d; 空调累计热负荷为 14200kW·h ，供暖季折合满负荷运行 74d; 生活热水最高日用热量为 8300kW·h ，日均系数取值为 1.10 ，运行 360d 。

方案 1 中，空调冷水系统 SCOP _C =4.01 ，空调热水系统 SCOP _H =2.09 ，生活热水系统 SCOP _W =2.05 。全年运行费为 238.0 万元，其中包括 : 空调冷水 68.1 万元，空调热水 47.0 万元，生活热水 122.9 万元。

方案 2 中，空调冷水系统 SCOP _C =3.28 ，空调热水系统 SCOP _H =4.02 ，生活热水系统 SCOP _W =3.74 。空调设计日累计冷负荷为 32200kW·h ，在 20% 负荷运行时，即日累计冷负荷为 6440kW·h 时，可回收冷凝热约为 8249kW·h ，可以满足生活热水的用热量，故可认为在 160d 的供冷期内，生活热水近似免费获取。全年运行费为 145.4 万元，其中包括 : 空调冷水 83.3 万元，空调热水 24.4 万元，生活热水 37.7 万元。

对比 2 个方案的初投资和运行费，方案 2 的静态投资回收期为（ 931.8 万元 -797.4 万元） ÷ （ 238.0 万元 / a-145.4 万元 / a ） =1.45a 。

方案中的冷水机组、锅炉、空气源热泵机组、水泵等主要设备，在市场中均已非常成熟，在相同档次的产品中，其 COP 或效率相差不大。对该工程而言，燃气价格与电价是决定方案 2 的静态投资回收期的最主要因素。表 7 ， 8 与图 5 列出了燃气价格、电价变化对静态投资回收期的影响，可以看出电价与燃气价格均对回收期有明显的影响，燃气价格影响更大。从定性角度分析，燃气价格仅影响方案 1 中锅炉运行费用，燃气价格降低时，方案 1 的运行费用会明显降低，导致方案 2 的投资回收期显著增加。而电价对 2 个方案的运行费用均有明显的影响，故电价升高时，投资回收期的增加较小。

简单分析空调负荷与生活热水负荷对方案选择的影响。该工程空调冷负荷为 20% 时，可回收的冷凝热基本已经可以满足生活热水的需求，可认为 160d 的供冷期内生活热水接近免费获取。方案 2 中夏季开启 2 台空气源热泵机组的热回收模式，已经可以满足生活热水需求，若该工程的生活热水负荷增大，虽然生活热水免费获取时间会略有缩短，但不难看出方案 2 的投资回收期更短。相反，若最高日生活热水负荷减小至 4100kW·h ，在不调整设备（即初投资不变）的前提下，静态投资回收期会增加至 5.01a ，方案 2 的经济性明显降低。

空调负荷、生活热水负荷的变化，对冷热源的选择有重要影响，但确定负荷变化对方案比选的影响非常困难。因为每个工程有各自的特点，需要具体分析，故本文不再对负荷变化对方案比选的影响作定量分析。