空調水系統熱泵熱回收機組應用經濟分析

肖 亮 張瑜琴 張 輝 丁 建

（基準方中建筑設計股份有限公司，四川 成都 610039）

0 引言

2021年全球氣候峰會，我國提出“2030年碳達峰，2060年碳中和”方針，致力為改變全球氣候做出貢獻。空調能耗帶來的碳排放也越發成為焦點。我國城鎮化發展，城市酒店、醫院、工廠、學校、劇院等建筑拔地而起。建筑能耗主要包括空調能耗、生活用水能耗、生活用電能耗，且空調能耗占建筑能耗的46%。空調能耗、生活用水能耗之間缺少關聯。空調末端吸收室內熱量、主機產生余熱均通過冷卻塔排至室外，生活熱水通過鍋爐、空氣源熱泵機組等加熱。如果回收空調末端吸收熱量進行預熱生活熱水，可降低燃氣消耗量、降低建筑能耗，減少碳排放。

熱泵熱回收機組在空調水系統的應用非常關鍵，如果合理運用，其綜合節能率可達到28%，將對國家提出的“雙碳經濟”有巨大貢獻。

1 空調系統熱回收主要形式

目前，空調系統主要熱回收形式為風冷熱泵熱回收、水冷熱回收系統、水冷冷卻水熱回收（冷水機組疊加串聯系統方案可提高熱回收機組熱水溫度）、水冷冷凍水熱回收、水（地）源熱泵熱回收等。

改文主要探討酒店項目空調水冷凍水系統熱泵熱回收機組的應用。水冷冷凍水熱回收主要有三種方式，常規方案、優先并聯方案、優先旁通方案。如圖1所示。

將三種設計方案比較可得出優先旁通方案最合理，如圖1（c）所示，熱回收冷水機組的供、回水管接在多臺單冷冷水機組的回水主管上，冷凍水回水溫度最高，而且不受空調冷凍水系統負荷大小的影響。

圖1 水冷冷凍水熱回收主要的三種方式

2 空調負荷分析

2.1 項目概況

成都市某星級酒店，總建筑面積約4.6萬m，裙房建筑面約1.9萬m，塔樓客房面積約2.55萬m，地下室酒店配套用房約1500m，建筑高度118.8m，1F～4F為裙房，5F為酒店后勤辦公區域，7F～16F為酒店客房，18F～28F為酒店客房，6F、17F均為避難層，酒店采用四管制空調水系統。

2.2 空調負荷組成情況

地下室內區，夏季冷負荷300kW，冬季熱負荷140kW，內區冬季冷負荷40kW；裙房，夏季冷負荷3314kW，冬季熱負荷2186kW，內區冬季冷負荷520kW；塔樓，夏季冷負荷2613kW，冬季熱負荷1331kW，內區冬季冷負荷100kW；夏季空調總冷負荷6227kW，冬季總熱負荷3657kW，內區冬季總冷負荷660kW。考慮冬季酒店塔樓5%的客人對空調舒適性有個性訴求，酒店方要求提供100kW冷負荷。空調逐時負荷計算如圖2所示。

圖2 酒店夏季、冬季逐時空調負荷

2.3 空調冷熱源主機設備

酒店空調冷熱源主機設備參數見表1。根據該項目空調冷凍水出水溫度（7℃～12℃）分析得出，熱泵熱回收機組全年的COP值均較高（4.3～5.1），機組高效運行非常節能，如圖3所示。冬季酒店冷負荷需求量為660kW，還需開啟屋頂冷卻塔免費供冷量為203kW，保證在冬季大部分時間（除個別極端天氣以外）熱泵機組均能滿負荷運行。

圖3 熱泵熱回收機組COP值變化

表1 酒店空調冷熱源主機設備參數

該項目熱泵熱回收機組采用優先旁通方式（如圖4所示），夏季采用冷水機組和熱泵機組制冷（冷凍水出水溫度為7℃），其他季節采用冷卻塔和熱泵熱回收機組制冷（過度季節冷凍水出水溫度為12℃，冬季冷凍水出水溫度為7℃），保障熱泵熱回收機組全年處于高效狀態（COP值均大于4.3以上）運行。并且優化熱泵熱回收機組回水管位置和冷水主機一致，均設置于集水器上，避免熱泵熱回收機組的水泵直接抽取空調回水主管中的冷凍水，發生抽空現象而產生氣泡，導致冷水機組水泵發生嚴重的氣蝕現象。

圖4 空調主機側水系統圖

3 酒店生活熱水分析

3.1 生活熱水

酒店生活冷、熱水豎向劃分為5個分區，低區酒店裙房（1F～4F）和塔樓5F、酒店泳池（4F）、重力Ⅰ區（24F～28F）、重力Ⅱ區（18F～23F）、重力Ⅲ區（12F～17F）、重力Ⅳ區（6F～11F），酒店1F～5F采用市政壓力直接供水；酒店6F～28F采用屋頂生活水箱和水泵加壓供水，成都地區地表水溫為7℃，酒店生活熱水溫度為60℃。生活熱水需求見表2。酒店設計總耗熱量為2562.7kW，地下室設置20m的儲熱水罐；塔樓6層設置12m的儲熱水罐；塔樓17層設置12m的儲熱水罐。裙房儲熱量為883.88kW，塔樓儲熱量為1060.64kW，總共儲熱量為1944.54kW。熱泵熱回收機組產熱量為600kW，持續加熱儲水罐內7℃冷水至45℃熱水需要3.24小時。

表2 酒店生活熱水耗熱量、貯熱容積及設計小時供熱量

3.2 酒店裙房和塔樓的熱水機房布置

地下室負1層、6層、17層（避難層）換熱機房分別獨立設置臥式閉式儲水罐，用于儲存45℃熱水（熱泵熱回收機組作為熱源，預加熱7℃生活冷水至45℃的生活熱水），45℃熱水再通過半容積式換熱器（鍋爐提供95℃熱水）接力加熱至60℃，最后將60℃生活熱水輸送至各自區域用水末端，對應換熱機房水系統圖如圖5所示。

圖5 酒店塔樓（客房）/裙房功能區生活熱水系統圖

根據酒店方提供類似項目數據分析（如圖6所示），該項目熱泵熱回收機組（制熱量為600kw）和儲熱水罐（總儲熱量為1944.54kw）同時為酒店生活熱水（需求總熱量為2562.7kW）提供熱量，99.29%能滿足酒店100%入住率的要求。通過空調冷負荷和生活熱水需求分析，選型熱泵熱回收機組、儲熱水罐，且設備之間需要合理搭配運行，既滿足空調冷水系統最低冷負荷要求，也滿足最高和最低入住率的生活熱水要求，保證空調系統和生活熱水系統均高效節能運行。

圖6 熱泵熱回收機組產熱、儲水罐儲熱、酒店生活熱水需求量與酒店入住率關系

4 碳排放和經濟分析

4.1 二氧化碳排放分析

酒店生活熱水熱源由熱泵熱回收機組+燃氣鍋爐組合提供，計算過程非常復雜。該文簡化處理，僅分析熱泵熱回收機組和燃氣熱水鍋爐全年各自的碳排放和運行費用。方案一，采用熱泵熱回收機組作為熱源；方案二。采用燃氣熱水鍋爐作為熱源，分別均持續提供600kW生活熱水（溫度為45℃）。燃氣常壓熱水鍋爐提供600kW熱水需要消耗天然氣為67.53Nm/h，天然氣燃燒熱值取35544（kJ/m），見表3。

表3 兩種方案全年運行各類數據計算結果匯總[6]

4.2 經濟分析

從表3可以直觀分析得出，全年運行費用方案一比方案二節約100萬元，熱泵熱回收機組作為熱源同時產生冷凍水，實際運行更加節能和節約成本。全年二氧化碳排放方案一比方案二減少875噸，為國家“2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和”這一目標提供強大助力。方案一初投資需要增加320W左右，后期運營3.2年回收成本。

5 結語

該項目通過分析全年空調負荷變化、生活熱水需求、儲熱水罐，得出熱泵熱回收機組制熱量600kW，占比生活熱水設計總耗熱量2562.7kW的23.4%，生活熱水的儲水罐44m，對應儲熱量為1944.54kW，占比設計總耗熱量2562.7kW的76%。儲熱水罐和熱泵熱回收機組熱量之和為2544.54kW，基本滿足生活熱水設計總耗熱量，適當開啟鍋爐提高生活熱水溫度至60℃。

該項目為夏熱冬冷地區，冬季內區冷負荷需求660kW，分析得出熱泵熱回收機組能全年運行，同理在炎熱地區（制冷時段較長地區）采用該系統，設備性能會更加高效、節能，節約成本。反觀，寒冷地區、嚴寒地區（制冷時段較短地區）采用該系統，經濟效益會大幅降低，需要采用電鍋爐或者空氣源熱泵機組作為主要熱源，才能實現節約能耗和降低碳排放。對空調用冷和生活熱水同時需求的類似項目（例如酒店、學校、商業綜合體、工廠等項目）具有非常好的參考價值。