水水熱泵熱水系統在高端酒店中的應用研究

0 引言

截至2019年第四季度，我國星級飯店數量達到10 130家，其中四星級以上酒店2 856家。對于酒店生活熱水系統，大多數采用熱力、蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、熱泵等作為主要熱源。2010年以后隨著相關政策推動，才逐步開始推廣采用高效熱泵替換傳統熱源，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系統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酒店為例，通過合同能源管理方式對酒店熱水系統進行了改造，對于新的熱水系統如何充分利用酒店冷熱平衡，如何時刻保持高效運行，下面將通過大量的數據分析和驗證找到答案。

1 高端酒店生活熱水熱源現狀

目前，中國星級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，各形式生產單位熱水成本見表1。

由表1可知，熱泵是目前最為節能的熱源形式之一，其中便包括水水（源）熱泵。通過對上海近30家星級飯店調研進行綜合能源審計，本文發現熱水熱源形式分布情況：采用傳統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+太陽能），由此可見，采用熱泵替換傳統熱源設備仍具有巨大的空間和市場。

2 水水熱泵熱水系統定義

水水熱泵作為水源熱泵的一種，通過利用水環路將小型的水源熱泵機組并聯在一起，構成一個以回收建筑物內部余熱為主要特點的熱泵系統

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

水水熱泵熱水系統工作原理（見圖2)：夏季時，打開電動閥V3和V4同時關閉電動閥V1和V2，蒸發器接入空調冷卻水管路，在制備生活熱水的同時可以降低冷卻水水溫；冬季時，打開電動閥V1和V2同時關閉電動閥V3和V4，將蒸發器接入空調冷凍水管路，在制備生活熱水的同時為酒店提供免費供冷。

首先，對于水水熱泵來說，當蒸發器進水溫度低到一定程度時，熱泵的制熱性能系數趨于穩定，通過分析，本文發現當蒸發器進水溫度低于16℃，熱泵COP基本保持穩定（見圖6）。對于廣州等南方地區來說，冬季時冷卻水溫度通常都維持在15℃以下，此時冷卻水工況對熱泵COP的提高有限。

3 兩種低溫水熱源下熱泵系統與空調系統能耗分析

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

。當蒸發器接入冷凍水時，蒸發器進水溫度低，熱泵COP低，但可以減少制冷機部分制冷電耗；當蒸發器接入冷卻水時，蒸發器進水溫度高，熱泵COP高，此時冷卻水溫度下降亦會相應提高冷機效率。另外，根據開利水源熱泵樣本介紹，在制熱工況下蒸發側進水溫度并不是越高越好，其建議低溫熱源水的溫度范圍為10～20℃，最低不低于7℃。在兩種低溫熱源工況下，需要綜合考慮熱泵系統和空調系統能耗，然后判斷哪種工況更節能，下面根據實際案例進行對比分析。

直線度誤差是指被測實際要素對其理想直線的變動量[4]，本文選取激光測徑儀所發射的激光帷幕邊界為理想要素，通過x平移臺帶動塞規沿x方向平移，測量塞規在某位置處的輪廓最低點距理想要素的距離變化，計算出該條素線的直線度。對于直徑在激光測徑儀量程內塞規，當其處于工件坐標系z方向零點位置時，可以直接測量其輪廓最低點到激光光幕邊界的距離，測量流程如下：

3.1 系統改造概況

如今，兼任了貴州省大數據產業發展應用研究院首任院長的梅宏，正不斷壯大具有核心競爭力的大數據產業，推動著貴州大數據產業集群發展。

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

該五星級酒店位于廣州市，空調系統采用四管制，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。熱泵蒸發器側同時接入空調系統的冷凍水主干管和冷卻水主干管，通過電動閥進行兩種工況的切換，同時新增一個電動三通閥（圖2閥門V8）根據蒸發器的進水溫度自動調節開度，保證蒸發器的進水溫度保持在設定值（此方案中設定為23℃，參考圖6結果）。

3.2 熱泵系統切換前后能耗變化

其次，制冷機對冷卻水溫度上下限均有一定要求，一般認為當冷卻水溫低于16℃時，就有可能影響冷機運行甚至導致制冷機無法正常開機。

在熱泵出水設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器進水溫度提高（如圖3)。冷凍水工況下，蒸發器平均進水溫度為12．03℃，出水溫度11．06℃，溫差0．97℃；冷卻水工況下，蒸發器平均進水溫度25．53℃，出水溫度24．01℃，溫差1．52℃。進水溫度的提高可以提高換熱效率。

冷凍水工況時，熱泵制熱水的同時產生的冷量直接進入空調冷凍水。本次測試中，空調系統開啟兩臺制冷機，平均冷凍水流量670 m

/h，制冷機冷凍水進、出水平均溫差4．7℃，瞬時制冷量為3 684 kWh，熱泵蒸發器側流量91 m

/h，進、出水溫差1．4℃，瞬時制冷量為150 kWh，熱泵產冷量占總冷量需求的比例為150/（3 684-150)=1．4%，占比量很小。假設制冷機制冷系數為4．5，理論上，每天可以節約冷機耗電量約800 kWh。

蒸發器效率的提升減少了熱泵運行時間，冷凍水工況下，部分時段兩臺熱泵機組需要同時開機，而在冷卻水工況下，一臺機組即可滿足制熱需求（如圖4)。根據記錄，切換前單臺熱泵平均日運行時間27．1 h，切換后單臺熱泵平均日運行時間18 h，熱泵開機時間足足減少了9．1 h。

3）熱泵制熱性能系數

對于熱泵是否節能，主要看熱泵的制熱性能系數，通過安裝的電表和能量計分別記錄了切換前后的熱泵日用電量和日產熱量（見表2)。冷凍水工況下，日產熱量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%。

為了準確分析兩種工況下熱泵系統和空調系統的能耗變化，在4月份選取酒店業務量、天氣情況相近的兩天進行分析。

3.3 空調系統切換前后能耗變化

熱泵系統蒸發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系統能耗，比如冷凍水工況時，其產冷量可以減少制冷機的用電量，冷卻水工況時，熱泵產冷量導致冷卻水溫降低，兩種工況下哪種更有利于空調系統節能，下面作進一步分析。

1）冷凍水工況下空調系統節電量

一是公眾參與的專門立法層次仍然太低，系統性不夠，難以支撐環境共治的社會需要。盡管公民和社會組織熱心于給中央環境保護督察組反映情況，但只是短時間的現象，由于社會監督政府的環境行政公益訴訟制度沒有確立，社會參與環境保護的積極性總體不足。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，但是輿論監督仍然以微信發牢騷等形式出現，處于無序狀態。

2）熱泵運行時間

其實，在追求文學藝術的漫漫過程中，就已經顯示出自己的價值了，不用經過別人認同才能彰顯。自我的價值不需第三者認證，我只在意自己的興趣指數，其他都是次要的！

2）冷卻水工況下空調系統節電量

冷卻水工況時，經過熱泵蒸發器的冷卻水溫下降了1．52℃（見圖3)，此時制冷機冷卻水的進水溫度由切換前的28．7℃下降到了25．2℃（見圖5）。據測算，冷卻水溫度每上升1℃，冷機的制冷效率下降約4%

，同理，在一定溫度范圍內，冷卻水溫度每上升1℃，保守認為冷機的制冷效率上升3%，假設冷機每天用電量7 800 kWh，則每天節電量約為819 kWh，如果考慮到冷卻塔風機、冷卻泵節約的電量，此時空調系統的日節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，當熱泵蒸發器接入冷卻水工況時更加節能，但這種情況只針對于夏季，當冬季時（針對該地區酒店冬季時段定義為制冷負荷小，日平均環境溫度小于17℃的月份），通過實際運行效果和相關數據分析可知，此時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：從前人類時代到法國大革命》（毛俊杰譯），廣西師范大學出版社，2014，第 364 頁。

1）蒸發器進出水溫度

最后，冬季時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提供制冷，顯然能源消耗較大。而如果將熱泵蒸發側接入冷凍水，就可以減少或者避免開啟制冷機。

4 結束語

節能改造不單是指簡單的節能設備替換，在本案例中，通過水水熱泵替換鍋爐提供生活熱水，通過合理的設計和后期的精細管理，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，酒店的熱水生產成本大大降低。但是，節能設備替換只是合同能源管理的第一步，如何保證節能設備和系統的穩定、高效運行，亦是整個合同能源管理中的重要一環，通過本次分析論證本文得出以下結論：

1）利用酒店空調系統冷凍水或冷卻水作為低溫熱源的熱泵熱水系統，適用于全年有制冷需求，熱水和制冷負荷穩定的高端酒店。

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

兩組診斷結果依據腕關節不穩定情況、關節面壓縮坍塌、關節面分離、關節面骨塊3塊以上、骨折伴下尺橈半脫位、橈骨縮短、尺偏角改變等檢測項目[2]。

由此，隨著中國經濟轉型的穩步向前，特別是中國國家電網公司電力技術的質量和性能領先所有國家，我們將大范圍的越來越多地采用特高壓這一新型技術，也逐步成為各國使用的技術。這一冠絕全球的特高壓技術推向全球，以較低的成本讓更多的人享受美好生活的技術，滿足人民未來美好生活需要，促進人類命運共同體建設。

3）當冬季酒店冷負荷相對較少時，選擇冷凍水作為低溫水熱源，既避免了因接入冷卻水導致冷卻水溫過低影響冷機運行，又可以減少制冷機開啟時間。

以上研究成果在多個水水熱泵熱水系統改造中得到了廣泛應用，并取得了較好的節能效果。隨著水源熱泵技術的不斷提升，運維經驗的不斷積累，相信在以后的建筑節能改造中，熱泵技術將會得到更大的推廣和應用。

［1］陸亞俊，馬最亮，鄒平華.暖通空調［M］.中國建筑工業出版社，2017.

［2］李帥.水源熱泵系統運行調控與能耗優化［D］.青島：青島大學，2015:34-37.

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