某五星级酒店热水系统节能改造设计分析

导 读
随着建筑市场从高峰发展期向平稳发展期过渡，既有建筑改造会成为新常态，其中，酒店机电系统特别是热水系统的改造是业主比较青睐也容易显现节能效果的改造。本文结合某运营十多年酒店机电系统评估、改造的设计过程，对 酒店热水系统节能改造进行分析总结，探讨类似项目的改造方法。
1 工程概况
某五星级酒店于2004年7月试营业，2005年1月23日正式开业，集度假、会议、商旅、餐饮于一体，占地面积12.8万m2，建筑面积6.2万m2，绿化面积11.2万m2，主楼高78m。

在酒店十多年的经营使用中，酒店的机电系统暴露出不少的问题，这些问题有的影响了客人的体验，有的造成运行管理不方便，有的维护保养费用较高，有的不够节能环保，有的管道和系统故障不可能在日常维护保养得到处理，这些问题都有待于在机电系统寿命中期进行检验、梳理和解决完善；另一方面，随着时间的推移和技术的进步，目前酒店的机电系统硬件状况已经逐渐不能适应现行规范标准等的要求和现时经营、节能的需要，需要做一些前瞻性的预测和判断。

2 现有能耗及节能改造潜力分析
根据酒店工程部提供的2005～2014年的酒店逐月用电、用气抄表数据及空调系统冷冻泵、冷却泵、冷却塔和空调末端的用电估算数据，对酒店2005～2014逐年能耗分析如图1所示。

将本酒店与本地区近年建设的同等档次酒店上述能耗值进行对比发现，本酒店的能耗属于中等偏上，说明本项目有一定的节能改造潜力。

根据酒店工程部提供的天然气数据对2014年酒店的天然气用量做拆分，结果如图2所示。其中生活热水与采暖锅炉用量占44%，洗衣房锅炉用量占38%，其余为厨房用气。

对酒店而言，生活热水需要全年24 h供应，目前本酒店采用燃气热水锅炉来生产全部的生活热水；另一方面，酒店空调系统的用量很大，而且由于公共区域内区的存在，一年四季均存在较大的供冷量。

酒店热水节能改造首先需选择高效节能的热源，在南方地区一般设置水水热泵和空气源热泵两种。由于本项目为改造项目，无法找到合适的位置放置空气源热泵，且本地区政府文件也要求“采用集中空调系统，有稳定热水需求，建筑面积在10000 m2以上的新建(含改建、扩建)公共建筑，应当配套设计和建设空调废热回收利用装置”。项目所在地空调制冷时间较长，空调余热量足以覆盖全年约9个月的生活热水需求，如直接利用冷却水只是对生活热水进行预热，达不到生活热水使用温度要求，则锅炉也一直需要开启。为尽量减少锅炉开启时间，建议在酒店中增设1套热回收型水-水热泵机组，将原来需要通过冷却塔排入大气的空调系统冷凝热用于生产生活热水，减少热水锅炉系统的燃气用量，预计可带来较大的节能效益。

配置足够容量的热回收机组后，可以覆盖全年约9个月的生活热水需求，即全年有3/4的时间无需通过燃气锅炉生产生活热水。从图2中可以看到，酒店的锅炉房用气量占全年用气总量的44%，其中大部分用量在生活热水上。根据热水耗热量和采暖耗热量估算，生活热水用气占全年用气总量的30%，则全年可节约大约22.5%的用气量，即11.9万m3天然气，折合燃气费57万元。经查阅一般厂家资料，热回收型水-水热泵机组专门供生活热水COP一般为4，则机组的年用电量约25万kW·h，折合电费约25万元。也就是说初步预测，使用上述热回收系统后，酒店全年可节约能源费用约32万元（上述数据根据酒店以前多年经营状况平均入住率约60%估算）。

本次改造热源系统需要投资费用估算见表1。

从表1可知，本次投资预计可在5年内回收成本。为此，本项目建议增设水-水热泵提供生活热水。过度季及冬季回收量不足时，采用洗衣房机房内本次改造前已增设的蒸汽锅炉供应。

3 生活热水系统节能改造设计
业主根据我院意见进行综合对比分析，最终确定酒店生活热水系统主要进行以下几项改造：
（1）屋顶蒸汽锅炉、热水锅炉由于年久失修，效率低下，直接取消。为保证供应生活热水及采暖安全，经复核在洗衣房机房本次改造前已增设的蒸汽锅炉余量足够，故作为酒店的备用热源。这样，平时约9个月时间不需要开启锅炉，只是冬季开启锅炉作为生活热水热源的补充及采暖热源。

（2）为更好地节约能源，根据本地区气候特点，在空调机房增设水水热泵作为生活热水第一热源，此机组只作为生活热水热源，空调制冷则保留现有主机不变。

（3）为最大限度利用空调余热，提升能源综合效益，将健康中心生活热水热源也改为由水-水热泵和蒸汽锅炉提供。

3.1耗热量及水-水热泵供热量计算
进行双热源——水-水热泵+蒸汽锅炉设计，水-水热泵供热量是关键，只有合理计算确定其供热量，才能保证热源改造后设备投资运营综合效益最大。参考现行《建筑给水排水设计规范》耗热量及供热量公式计算结果见表2、表3。


注：此计算为冬季时，冷热水温度分别为10 ℃、60 ℃；水的比热为4.187 kJ/（kg·℃）；水的密度为1 kg/L。

3.2水-水热泵+蒸汽双热源二次侧系统设计
热泵+蒸汽两种热源常规设计时，大都是热泵换热对应一组换热器1、蒸汽换热对应另一组换热器2，换热器1与换热器2串联，且只有换热器2的出水温度满足使用水温要求，换热器1主要起到预热作用。系统示意如图3所示。


此系统虽然运行较稳定，控制简单，但经过分析发现：此系统水水热泵只是预热，蒸汽锅炉全年都需要运行，对于节能改造效果有一定影响；其次，两组换热器分别需要按规范计算的热水储量进行储存，总容积较大，增加了初始投资。为了更好地利用空调余热尽量少开启蒸汽锅炉，也为了减少换热器总容积，对上述传统双热源系统进行优化，也参考我院其他一些项目双热源系统，最终采用如图4系统。


从多个项目反馈信息获悉，此系统在初投资、运行能耗和热水水温稳定性等方面都要优于传统系统。

3.3水-水热泵+蒸汽双热源一次侧系统设计
一次侧的系统设计初始，考虑在酒店屋顶热水箱机房和健康中心机房将现有保温热水箱分别更换为容积式换热器，水-水热泵热源供应热水热媒管和蒸汽锅炉供应蒸汽热媒管分别供至此两处，均与容积式换热器进行换热，冷水被加热后储存于容积式换热器中。由酒店换热器和健康中心换热器分别供应各自生活热水。后来，经过对比分析，健康中心耗热量较小，相对于酒店耗热量所占比例很小。为了减小设备投资，考虑将酒店屋顶容积式换热器容积增加少许，冷水经水-水热泵热源和蒸汽锅炉热源加热后储存于酒店容积式换热器中，然后接管供应酒店生活热水和健康中心热水。系统示意见图5。

3.4热水系统运行工况分析
本项目同时采用水水热泵热源和蒸汽锅炉热源，为更好地利用空调余热提高系统能效比，阀门切换控制尤为重要。本项目双热源系统运行工况如下：
（1）容积式换热器既可串联运行也可并联运行；一般串联运行，阀门A1、A3、A6、B3、B5、C3、C5、D2、D5、阀2打开，其余阀门关闭。若需并联运行，阀门A1、A2、A6、A7、B1、B2、B6、C1、C2、C6、D1、D2、D6、阀2打开，其余阀门关闭；且并联运行需保证水箱的均衡性。

（2）当容积式换热器A清洗或出现问题不能使用时阀门A6关闭，A7打开。

（3）通过控制一次侧电动二通阀的开度保证板换二次侧出水温度保持在设定值（如59 ℃）。

（4）通过调节电动三通阀容积式换热器侧的出水流量，保证三通阀容积式换热器侧出水温度不低于设定值（如56 ℃）。

（5）出水总管出水温度低于设定温度时（如50 ℃），开启阀门A4，加热容积式换热器A，持续加热一段时间后（如20 min）后，出水温度仍低于设定温度（如50 ℃），打开阀门B4，对容积式换热器B进行加热。继续加热一段时间后（如20 min），出水温度若仍低于设定温度（如50 ℃），打开阀门C4，对容积式换热器C进行加热。出水温度若仍低于设定温度（如50 ℃），打开阀门D4，对容积式换热器D进行加热，当容积式换热器内水温高于设定温度时（如60 ℃），关闭各自阀门，停止加热。

4 泳池热源改造设计
由于健康中心原有热源均为空气源热泵，其中生活热水用空气源热泵设于地下室机房，采暖用空气源热泵设于屋面。现更换为统一由酒店供应热源后，所有空气源热泵闲置。为了尽量利用现有设备，采用合理的热源，考虑通过修改管道连接，利用这些闲置空气源热泵。

经计算，泳池初次加热所需耗热量为150 kW，平时运行耗热量60 kW。现有空气源热泵，地下机房为健康中心原有5台27 kW/台供生活热水+泳池原有2台60 kW/台供泳池热水空气源热泵，屋面为健康中心原有2台180 kW/台供采暖用空气源热泵。经对比，两处空气源热泵即使在冬季极端天气提供70%供热量，仍可以满足泳池耗热量需求而不必另外设置电辅助加热。但屋面单台机组供热功率较大，若改为供泳池热水相比地下室效率会低许多，且平时运行维护费用也较高。故最终选择地下室空气源热泵作为泳池热源。

由于泳池水对普通空气源热泵换热器会有腐蚀，考虑本项目原有泳池用热泵可以满足平时运行需求，只是初次加热时需要用到原有健康中心用热泵，为了简化改造管路，在泳池循环管接通原健康中心生活热水用热泵处加设阀门及放空阀，这样初次加热达到使用温度后关闭此阀并放空原健康中心热泵管路内水，以防止长时间腐蚀。泳池循环热水系统改造示意见图6。

5 实际项目运行能耗对比
本项目为正在改造项目，参考之前已运行类似规模两个酒店项目，分别采用两种系统一年运行能耗数据对比见表4所示。


由表4数据可知，一年节约费用约45.6万元，由于前述项目平均年入住率偏低，故这两个项目能耗对比可节省能源费比前述本项目预计每年可节省能源费32万元还要高。这说明此系统实际运行节省的能耗也相当可观，正好验证此系统在节能改造中有广泛的应用前景和空间。

6 小结
增加水-水热泵热源，按双热源系统进行设计在酒店特别是南方地区供冷时间较长区域能显著节约能源。

本项目中双热源系统设计是我院在多个酒店热水设计中和空调专业同事一起研发，在实践中运行较稳定、节能效果最明显的一种系统方式，尤其在南方地区热水系统改造中有很广泛的应用空间。