五星级酒店是能耗最大的建筑类型之一。有统计表明, 五星级酒店的主要能耗为空调、生活热水以及照明三大部分, 其中空调系统及生活热水能耗之和超过酒店总能耗的70%。热泵是一种成熟的技术, 利用热泵技术将空调制冷系统与生活热水制热系统有机结合起来, 将蒸发器产生的冷量用于空调系统, 将冷凝器产生的热量用于生活热水系统, 既节约了电能, 又减少了热排放, 对于节能减排具有双重重要的意义。

　　 目前, 实现此目的主要有两种方式:一种是以空调制冷系统为主, 即采用热回收冷水机组制冷, 并回收冷凝热用于生活热水加热, 这种方式通常称为热回收;另一种是以生活热水系统为主, 即采用水-水热泵热水机组制热, 并将过程中产生的冷量用于空调制冷系统, 这种方式也可称之为冷回收。本文以一家五星级酒店为例, 通过对两种不同热回收方式进行分析比较, 找出系统的内在规律, 得出冷回收技术更适合用于五星级酒店生活热水系统的结论。

　　 本工程位于成都市, 酒店建筑面积约5.6万m² (不包括车库) , 共有客房276间。酒店内部设施包括客房、餐饮、会议、娱乐等, 并有相应的后勤配套设施。酒店为国外著名品牌, 有自己独立的机电设计标准。

　　 由于该酒店对水质要求较高, 酒店所有给水均经过软化和净化处理后才能进入生活水箱, 生活水箱贮存24h生活用水量。生活给水系统根据压力及水质要求不同, 分为5个给水加压系统, 分别为空调冷却水补水、后勤区、洗衣房、客房区以及公共区。

　　 生活热水随给水系统分区, 除空调冷却水补水不需要热水外, 其余4个区均设置集中生活热水系统。生活热水采用分区域全机械循环系统, 各系统水加热器集中设置在地下室或设备层内。生活热水主热源为燃气锅炉提供的95/70℃热媒水。在空调季节, 利用空调系统产生的冷凝热为生活热水系统预热。

　　 由于以下因素, 本工程热泵机组不直接产生生活热水, 而是产生热媒水, 通过热交换器为各系统生活热水提供预热热量: (1) 本工程由于压力及水质不同, 共有4个分区, 热泵机组无法分开; (2) 出于卫生考虑, 酒店方要求生活热水不能直接进入冷凝器。

　　 热水计算见表1。

　　 由于热泵技术基本在需要制冷的空调季节才能使用, 因此计算热泵系统时, 需要考虑以下因素进行修正:

　　 (1) 冷水温度:我国大部分地区采用地表水为水源, 空调季节地表水温远高于7℃。据统计^[1], 长江流域的水温在空调季节通常比环境温度低3~4℃。本工程暂按22℃取值。

　　 (2) 热水温度:由于热泵机组出水温度限制, 本工程暂按热泵机组产出热媒水温55℃, 生活热水加热器采用板式换热器, 热水出口温度50℃计算。

　　 (3) 热水用量:当冷水温度提高时, 60℃的热水使用量会相应下降, 美国ASHRAE手册中有翔实的数据, 并记载了相关的统计。文献[2, 3]表明, 夏季热水使用量较冬季下降20%。另外还有客房入住率等因素, 保守起见, 折减系数取0.85。

　　 表2为修正后的热水计算结果。

　　 本工程计算空调负荷6 600kW, 冷负荷指标118 W/m²。空调专业选配冷水机组采用2大1小方式, 设备选用见表3。

　　 本工程空调冷源系统同时设计了冷却塔、冷却水泵以及冷冻水泵, 采用与冷水机组一一对应方式运行。空调冷冻水系统采用冷源侧定流量, 末端变流量方式运行, 设计冷冻水供回水温度7/12℃。

　　 普通冷水机组由冷凝器、压缩机、蒸发器及膨胀阀组成。机组制冷时为逆卡诺循环, 在蒸发器产生冷量, 同时在冷凝器产生热量。热回收冷水机组回收冷凝热量的方式有多种, 最常用的是全热回收冷水机组, 这种冷水机组在原有冷凝器增加管束, 成为单冷凝器双管束, 从而实现回收冷凝热量, 其原理见图1。

　　 全热回收冷水机组其特点如下: (1) 可回收的热量比例高, 理论上回收冷凝热量为:制冷量+0.95×输入功率; (2) 热水出水温度高, 理论上可达到60℃; (3) 随着热水温度提高, 冷水机组的制冷运行效率下降, 热水的出水温度每提高1℃, 冷水机组制冷COP下降2.1%; (4) 需要配置冷却塔, 在生活热水系统不运行时, 切换到正常制冷模式; (5) 运行时以制冷为主, 保证冷冻水出口温度, 不保证热水出口温度。

　　 若采用全热回收技术, 需要将表3中的普通螺杆式冷水机组换为全热回收式冷水机组。图2为该系统示意。

　　 图2左侧为空调冷源系统。设备 (1) ~ (8) 均为空调系统设备。可以看出, 与常规冷源系统相比较, 图2将原系统的常规螺杆式冷水机组改成了螺杆式全热回收冷水机组。

　　 图2右侧为生活热水预热系统, 设备 (9) ~ (23) 为生活热水系统设备。

　　 热回收冷水机组以空调制冷为主, 因此机组选型应首先满足空调制冷要求。表4为本工程热回收机组参数。

　　 由表4可以看出, 一方面由于机组冷凝器为适应热回收工况增加了管束, 导致制冷工况时COP较普通冷水机组低;另一方面机组实际供热量为生活热水的设计小时耗热量的300%, 实际运行中有大马拉小车之嫌。

　　 尽管热回收机组制热量远大于热水系统的设计小时耗热量, 但由于生活热水系统与空调制冷系统负荷规律不同, 为避免机组频繁切换运行模式, 系统仍必须要设置蓄热水箱。蓄热水箱容积取100m³。

　　 板式换热器换热面积较大, 能在热媒水温55℃时提供50℃生活热水。

　　 由于热回收机组一机两用, 一方面热回收系统只有冷冻机开启时才能运行, 其他时段 (如采用冷却塔免费供冷时) 无法运行;另一方面系统运行时受空调负荷率影响, 大部分时间不能满负荷运行。

　　 系统控制非常复杂, 由于与空调制冷系统联系紧密, 热回收机组需要根据空调负荷情况与蓄热水箱温度决定机组启停及模式切换。

　　 一方面由于机组冷凝机为适应热回收工况增加了管束, 导致制冷工况时COP较普通冷水机组略低;另一方面尽管离心机制冷效率较高, 但受生活热水系统影响, 有时必须运行螺杆机而导致整个空调系统效率下降。

　　 系统造价包括空调系统及生活热水系统两部分, 其中空调制冷系统主要是将常规冷水机组更换为热回收冷水机组, 设备 (1) ~ (7) 与常规系统相同, 制冷机房内管路也基本相同, 因此不计入增加成本。为公平起见, 两台机组采用同一合资品牌产品报价。系统增加建设成本见表5。

　　 虽然各设备制造厂家宣称热回收冷水机组“免费热水”的概念, 但事实上为了制取生活热水, 热回收机组还是需要额外消耗电能。从理论上来说, 机组切换至热回收方式运行时, 一方面空调制冷系统耗电量上升, 空调系统会多耗电, 另一方面还需要耗费循环泵电量将热量输送至热水系统。因此评价这个系统的能效, 应该计算出系统的真实能耗。

　　 对于生活热水系统来说, 产生生活热水加热量的实际耗电量应为机组的运行耗电量 (N1) 减去常规制冷系统制冷的正常耗电量 (N3) , 再加上循环水泵的耗电量 (N2) , 这两部分耗电量之和称之为热水系统计算耗电量 (N4) 。而系统的真实能效比应为热回收机组产生热量 (Q1) 与系统计算耗电量 (N4) 的比值。

　　 综合以上因素, 系统能效比计算步骤如下:

　　 (1) 年制热量Q1。年热水量=平均日热水量×运行天数=最高日热水量×0.8×210=21 329 (m³/年) , Q1=年热水量×4 189× (T1-T2) =2 501 675 (MJ) 。

　　 (2) 年制冷量Q2。Q2=Q1×机组制热COP/机组制冷COP=1 879 431 (MJ) 。

　　 (3) 热回收工况制冷年耗电量N1。N1=年制冷量/ (机组制冷COP×COP平均系数×3 600) , 由于机组运行受空调负荷率影响, 极少满负荷运行, COP平均系数取0.8, 计算得N1=220 466kW·h。

　　 (4) 循环水泵年耗电量N2。循环水泵的耗电输热比按下式^[4]计算:

　　 式中EHR———循环输送系统耗电输热比, 包括设备 (9) 、 (11) 、 (13) 、 (16) 、 (19) 、 (22) ;

　　 G———每台运行水泵的设计流量, m³/h;

　　 H———每台运行水泵对应的设计扬程, m;

　　 η_b———每台运行水泵对应的设计工作点效率;

　　 Q———设计热负荷, kW。

　　 计算得EHR=0.013 64。

　　 N2=年制热量×EHR/3 600=9 478 (kW·h) 。

　　 (5) 对应制冷量Q2的常规空调系统年耗电量N3。

　　 式中SCOP———考虑了冷水机组、冷却水循环泵及冷却塔耗电量的综合性能系数, 加权平均取4.34^[4]。

　　 计算N3=120 291kW·h。

　　 (6) 热水系统计算年耗电量N4。N4=N1-N3+N2=109 653 (kW·h) 。

　　 (7) 系统计算能效比。COP1=Q1/ (N4×3 600) =6.33。

　　 (8) 投资回收年限。按电价1.0元/ (kW·h) , 天然气4.03元/Nm³, 天然气低位热值35.99 MJ/Nm³, 燃气锅炉效率95%计算, 热回收系统投资回收年限为4.5年。

　　 水-水热泵机组又称为水源热泵机组, 机组的制冷制热原理和基本构成与热回收机组相同。机组运行时为逆卡诺循环, 在蒸发器产生冷量, 同时在冷凝器产生热量。与热回收机组不同之处在于水-水热泵机组只作为生活热水机组运行, 产生热量全部用于生活热水系统, 不需要配备冷却塔散热。因此冷凝器只有一组管束, 其原理见图3。

　　 水-水热泵机组其特点如下: (1) 根据生活热水系统需热量选用机组, 不受空调系统制约; (2) 热水出水温度高, 理论上可达到60℃; (3) 随着热水温度升高, 机组效率下降; (4) 不需要配置冷却塔, 生活热水系统无热需求时停机; (5) 运行以制热为主, 控制热水出口温度, 不保证冷水出口温度。

　　 热泵热水机组是非常成熟的产品, 在生活热水系统中已经得到广泛应用。从生活热水系统角度看, 水-水热泵机组可以看作是以空调冷冻水为水源的水源热泵机组;从空调制冷的角度来看, 水-水热泵机组可以看作为冷冻水回水进入冷水机组之前进行预冷的小型冷机。

　　 由于热水机组制冷量极小, 空调专业在设计制冷系统时, 可以不考虑应热水机组的影响, 按常规情况进行设计选型即可。图4为该系统示意。

　　 图4左侧为空调冷源系统, 由于热水机组对于整个空调冷源来说所占比例较小, 设备 (1) ~ (8) 均为常规空调系统设备。

　　 图4右侧为生活热水预热系统, 设备 (9) ~ (23) 均为生活热水系统设备。

　　 热水机组采用水源热泵机组, 按生活热水系统计算选型, 机组设计小时供热量计算见下式:

　　 当设计工作时间取12h时, 机组参数见表6。

　　 由表6可看出, 当热水机组完全根据热水系统需求选型时, 机组较小, 运行时制冷量不足空调系统计算冷负荷的5%。

　　 由于热水机组运行不受空调系统影响, 蓄热水箱在此系统中并非必需, 完全可以通过增大各系统储水罐来满足热水系统的蓄热要求。但设置蓄热水箱有以下几点好处: (1) 热水机组及储水罐均可减小, 成本更低; (2) 热水机组运行效率更高; (3) 控制简单。因此, 本系统仍设置蓄热水箱, 有效容积50m³。

　　 板式换热器换热面积较大, 能在热媒水温55℃时提供50℃生活热水。

　　 热水预热系统完全独立运行, 由图4可看出, 冷冻水由空调回水抽取, 预冷后回到空调系统回水管。运行时机组保证制热出口温度, 不保证冷水出口温度。此方式一方面可以保持机组高效运行, 另一方面只要空调系统末端有一定用冷需求, 无论冷水机组是否开启, 热水机组均可运行。事实上, 本工程由于有大量内区, 空调专业设计了冷却塔免费供冷系统。因此, 热水机组的年运行时间比热回收机组长得多, 理论上可以全年运行。

　　 系统控制非常简单, 空调制冷与生活热水系统完全分开, 各自采用常规控制系统即可。

　　 一方面由于两个系统完全独立运行, 冷水机组运行策略几乎不受影响, 可优先开启高效率的离心机;另一方面, 经热水机组预冷后, 回水温度有所降低, 但由于热水机组型号较小, 满负荷时回水温度只降低0.2℃左右, 对冷水机组的效率影响可忽略不计。

　　 系统造价包括空调系统及生活热水系统两部分, 其中空调制冷系统与常规系统完全相同, 制冷机房内管路也基本相同, 因此不计入增加成本。水-水热泵机组采用与热回收机组相同品牌产品报价。系统增加建设成本见表7。

　　 热水机组运行时, 一方面耗费压缩机电量制热, 并耗费循环泵电量将热量输送至热水系统;另一方面机组同时产生冷量, 可以减少空调制冷系统 (包括冷水机组、冷却塔及冷却循环泵) 耗电量。加热生活热水的计算耗电量 (N4) 应为热水机组耗电量 (N1) 加上循环水泵耗电量 (N2) 再减去空调冷源系统的节电量 (N3) 。系统能效计算方法与热回收系统相同。

　　 另外由于内区免费供冷实际运行时间及费用目前尚无统计数值, 因此以下步骤系统运行时间仍按制冷季7个月计算, 暂不考虑不开冷水机组时的节能效果。

　　 系统计算步骤如下:

　　 (1) 年制热量Q1。年热水量=平均日热水量×运行天数=最高日热水量×0.8×210=21 329 (m³/年) , Q1=年热水量×4 189× (T1-T2) =2 501 675 (MJ) 。

　　 (2) 热水机组年耗电量。N1=年制热量/ (机组制热COP×COP平均系数×3 600) , 由于机组运行不受空调负荷率影响, 很少低负荷运行, COP平均系数取0.95, 计算得N1=167 771kW·h。

　　 (3) 循环水泵年耗电量N2。循环水泵的耗电输热比按式 (1) 计算。计算得EHR=0.016 54, N2=年制热量×EHR/3 600=11 494 (kW·h) 。

　　 (4) 空调系统年节电量N3。

　　 式中SCOP———考虑了冷水机组、冷却水循环泵及冷却塔耗电量的综合性能系数, 加权平均取4.34^[4]。

　　 计算得N3=124 128kW·h。

　　 (5) 热水系统计算年耗电量N4。N4=N1+N2-N3=55 138 (kW·h) 。

　　 (6) 系统计算能效比。COP1=Q1/ (N4×3 600) =12.6。

　　 (7) 投资回收年限。按电价1.0元/ (kW·h) , 天然气4.03元/Nm³, 天然气低位热值35.99 MJ/Nm³, 燃气锅炉效率95%计算, 冷回收系统投资回收年限为1.9年。

　　 在回收空调冷凝热的各项技术中, 也有不采用热泵技术的方法。通常是在循环冷却水系统中增加一组或几组板式换热器及相应的循环水泵, 为生活热水预热。具体系统见图5。

　　 系统主要特点如下: (1) 系统简单, 不需要能量提升装置; (2) 由于无热泵频繁启动问题, 系统也不需要蓄热水箱; (3) 由于无热泵等能量提升装置, 因此回收热量大幅减少 (下文将分析热回收量) ; (4) 此系统基本费用只有循环泵电费, 运行费用较低; (5) 此系统与空调冷冻水侧无关, 仅对冷却塔进水温度有轻微影响, 理论上有降低冷却塔能耗的正向作用; (6) 系统造价较低。

　　 但在具体工程应用时, 系统效率受冷却水温及冷水温度影响较大, 应根据具体环境参数进行分析。空调冷却水设计循环温度为37/32℃, 在设计工况下, 冷水机组冷凝器出口温度为37℃。但设计工况在工程实际运行中时间较少, 由于环境温度及空调负荷的变化, 冷却水系统运行实际温度远远低于37/32℃。

　　 根据《公共建筑节能设计标准》^[4], 冷水机组的冷凝器进水温度与负荷率关系见表8。

　　 对于夏热冬冷地区而言, 空调季节湿球温度高于全国平均值, 冷却水系统温度应该比表8高, 但目前尚无权威统计数据。根据文献[5]对重庆地区的冷却塔运行温度统计值, 并近似认为成都与重庆地区情况相同, 可得出表9结果。

　　 由表9加权平均计算, 可以认为平均冷凝器进口温度为27.1℃。按冷凝器温升平均4℃计算, 可以近似认为空调季节冷凝器出口平均冷却水温约为31℃。由于冷水温度取值为22℃, 因此本工程可利用冷却水热量将冷水温度提高5℃。由于热泵系统能将冷水升温28℃, 因此可以认为本系统热回收量不到热泵系统的20%。

　　 由于本系统回收热量比热泵系统少, 并且冷却水温度降低对于冷水机组效率影响尚无统计数据, 暂时无法计算此系统的经济效率。因此下文比较不加入本系统, 只比较两种热泵系统。

　　 通过对同一酒店两种热泵系统方案的比较, 可以发现以下几点:

　　 (1) 热回收机组在制冷工况下与相同型号螺杆机比较, COP下降了超过5%。但由于具体机组运行时间尚无权威统计数据, 因此计算能耗时暂时未考虑此因素。但对比冷回收系统, 热回收系统无疑明显增加了制冷的耗电量。因此, 热回收冷水机组对空调制冷系统的效率是有较大影响的。

　　 (2) 由于酒店的特性, 空调系统负荷远大于生活热水负荷, 因此以生活热水为主的冷回收系统设备选型较小, 系统成本也较低。

　　 (3) 当采用冷回收系统时, 水-水热泵机组的制冷量不到整个空调制冷系统制冷量的5%。因此, 空调专业在设计冷源时可不受生活热水系统制约, 选择更加节能的运行模式 (在确定了采用冷回收系统后, 本工程空调专业最终选择了3台同样型号的离心机, 并采用更加节能的一次泵变流量方式运行) 。

　　 (4) 热回收系统由于一机两用, 使得空调制冷系统与生活热水系统联系更加紧密, 也意味着控制更加复杂。

　　 (5) 虽然两种机组标准工况COP差别不算太大, 但由于热回收系统很少以满负荷运行, 平均运行效率较低。综合计算后生活热水系统计算能效比相差1倍, 冷回收系统优势明显。

　　 表10为两种系统的对比。由表10可看出, 在一个标准的五星级酒店机电系统中, 采用冷回收技术的系统型式较采用热回收技术的系统型式有较大的优势。

　　 由于本工程是一家典型规模的五星级酒店, 而酒店又位于我国酒店数量最多的夏热冬冷地区, 具有一定程度的普遍意义。通过对本工程两种技术方案的分析对比, 得出以下初步结论:

　　 (1) 在五星级酒店中采用结合空调制冷系统与生活热水系统的热泵技术, 既可以节省电费, 又能减少锅炉及冷却塔的热排放, 具有非常好的节能减排意义。

　　 (2) 热回收冷水机组厂家宣传的“免费热水”是不科学的, 热回收冷水机组获得“免费”制热量是以制冷效率大幅下降为代价的。

　　 (3) 由于五星级酒店空调制冷负荷与生活热水负荷的特性, 相对于采用全热回收机组的热回收系统, 采用水-水热泵的冷回收系统从初投资、运行成本、以及运行效率来说, 均占有较大优势。

　　 (4) 尽管通常认为冷回收系统在夏热冬暖地区经济性更好, 但通过仔细的设计计算, 大部分夏热冬冷地区的五星级酒店也适合应用。

　　 (5) 从生活热水系统角度来看, 冷回收系统的计算能效比超过12, 是空气源热泵系统的3倍, 并且可以提供空调季节热水系统70%以上的耗热量。冷回收系统具有非常好的经济效益。

　　 (6) 冷却水热量回收系统简单且投资较少, 但回收热量不高, 是否采用应根据具体工程情况进行比较计算。

　　 (7) 进行分析计算时, 根据当地空调季节具体情况, 进行冷水温度、热水温度以及热水用量进行修正对于系统设备选型有重大影响, 是非常必要的。