惠豫川 黃書(shū)晨

河南某項(xiàng)目冷暖及洗浴熱水供應(yīng)系統(tǒng)方案分析

惠豫川 黃書(shū)晨

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045）

以河南省某在建項(xiàng)目為例，闡述了該項(xiàng)目的四季空調(diào)冷熱源方案和洗浴中心的全年熱水供應(yīng)措施，包括系統(tǒng)的控制策略及全年運(yùn)行方案等。在供冷季將洗浴中心與機(jī)房冷源相結(jié)合，對(duì)水源熱泵主機(jī)冷凝器側(cè)的出水進(jìn)行熱回收，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了該系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果，為該技術(shù)在工程中的應(yīng)用和推廣提供設(shè)計(jì)參考。

冷熱源；熱水供應(yīng)；熱回收；經(jīng)濟(jì)效益；節(jié)能效果

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展和人民生活水平的普遍提高，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)在飛速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著能源日益枯竭的問(wèn)題，能源生產(chǎn)量和消費(fèi)量雖同步快速增長(zhǎng)，但存在較大的能源缺口且呈逐步變大的趨勢(shì)（如圖1）。相關(guān)資料顯示，一些歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑能耗占總能耗近40%，國(guó)內(nèi)建筑能耗約占總能耗的1/3，已與工業(yè)能耗、交通能耗一道成為我國(guó)三大“能耗大戶(hù)”，其中50%以上的建筑消耗大多集中在冬季采暖與夏季制冷空調(diào)[1,2]。節(jié)約能源是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，為了推動(dòng)全社會(huì)節(jié)約能源，提高能源利用效率，保護(hù)和改善環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》等一系列相關(guān)法律法規(guī)。創(chuàng)新發(fā)展節(jié)能技術(shù)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)[3,4]。因此設(shè)計(jì)合理的冷熱源方案和采取有效的節(jié)能技術(shù)措施勢(shì)在必行，關(guān)系著社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

本文以實(shí)際工程為例，結(jié)合項(xiàng)目所處地域，為工程范圍內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)和洗浴中心設(shè)計(jì)合理的冷熱源及熱水供應(yīng)方案，在供冷季將洗浴中心與水源熱泵主機(jī)相結(jié)合，對(duì)主機(jī)冷凝器側(cè)的散熱量進(jìn)行有效回收，用以洗浴中心儲(chǔ)熱罐內(nèi)水的預(yù)加熱，以期獲得較好的節(jié)能效果。

圖1 近年來(lái)我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)情況

1 系統(tǒng)冷熱源和熱水供應(yīng)方案

本工程位于河南省，地處我國(guó)寒冷地帶，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，供暖季有集中供熱（市政熱源）。本方案的設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2，各閥門(mén)的開(kāi)閉情況如表1所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

1--—水源熱泵主機(jī)；2—酒店大樓空調(diào)系統(tǒng)；3—冷卻塔；4—洗浴中心儲(chǔ)熱水罐；5—大板換（70平米）；6—小板換（10平米）7—空氣源熱泵熱水機(jī)（2臺(tái)）；8—空氣源熱泵熱水機(jī)（8臺(tái)）

表1 各閥門(mén)的開(kāi)閉情況

注：A—D為電磁閥（組），E—K為截止閥組，“√”表示開(kāi)啟，“×”表示關(guān)閉，電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)將在后文詳細(xì)說(shuō)明。

（1）供冷季方案

截止閥組E、H、K開(kāi)啟，其余各截止閥組關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入供冷季運(yùn)行模式。

酒店大樓空調(diào)系統(tǒng)冷源采用水源熱泵主機(jī)，主機(jī)位于已建好的冷熱源機(jī)房?jī)?nèi)，其蒸發(fā)器側(cè)通過(guò)雙管系統(tǒng)與酒店大樓各層末端相連，以滿足大樓冷量需求，并根據(jù)后期擴(kuò)展需要，施工時(shí)預(yù)留有兩根DN200的二期建設(shè)管道。洗浴中心熱水供應(yīng)采用熱泵主機(jī)與空氣源熱泵熱水機(jī)相結(jié)合的方式，水罐內(nèi)冷水先由冷凝器側(cè)冷卻水直接混合預(yù)熱，水溫達(dá)到設(shè)定溫度后，再由2臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)對(duì)罐內(nèi)水進(jìn)行再加熱，以達(dá)到洗浴中心對(duì)水的質(zhì)和量的需求。值得一提的是，在上述方案基礎(chǔ)上并聯(lián)接入冷卻塔，從而能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供給水源熱泵主機(jī)冷凝器需求的冷卻水，且不影響主機(jī)的正常運(yùn)行效果。

（2）過(guò)渡季方案

需要說(shuō)明，過(guò)渡季市政集中供熱尚未開(kāi)始或剛剛結(jié)束的時(shí)間段內(nèi)，由于天氣較冷，室內(nèi)仍需供熱。采用10臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)，其中2臺(tái)為洗浴中心提供洗浴熱水，8臺(tái)為酒店大樓服務(wù)。此時(shí)，打開(kāi)截止閥組J、K，其余各截止閥組關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入過(guò)渡季運(yùn)行模式。

（3）供暖季方案

開(kāi)啟截止閥組F、G，關(guān)閉其余各截止閥組，利用市政集中供熱管網(wǎng)，采用兩個(gè)板式換熱器，大板換（70m2換熱面積）提供酒店大樓所需熱量，小板換（10m2換熱面積）加熱洗浴中心用水。

2 供冷季冷卻水利用和系統(tǒng)控制策略

2.1 常規(guī)冷卻水處理方式

熱泵主機(jī)等冷熱源系統(tǒng)中冷卻水溫度較高，常規(guī)手段通過(guò)冷卻塔或其它冷卻水方式實(shí)現(xiàn)熱泵的正常運(yùn)行，不僅會(huì)增加常規(guī)冷卻系統(tǒng)的冷卻任務(wù)、使得冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、初投資和運(yùn)行費(fèi)用增加，而且沒(méi)有有效利用冷凝器的散熱，不利于節(jié)能。

2.2 儲(chǔ)水罐液位控制策略

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)熱罐內(nèi)液位控制裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)洗浴中心熱水使用情況，熱水的使用導(dǎo)致水罐內(nèi)的液位下降，液位達(dá)到罐體內(nèi)設(shè)定高度后，罐內(nèi)的液位控制傳感器感受變化、將信號(hào)傳遞給液位控制繼電器，此時(shí)電磁閥D和補(bǔ)水泵開(kāi)啟進(jìn)行補(bǔ)水，液位控制裝置控制原理如圖3所示。

圖3 液位控制裝置控制原理圖

2.3 儲(chǔ)水罐與冷卻塔的切換控制策略

循環(huán)水泵設(shè)置于冷卻水回水管道上，為儲(chǔ)水罐和冷卻塔共用。溫度傳感器設(shè)置于儲(chǔ)熱水罐內(nèi)，通過(guò)控制器控制電磁閥組A、B、C及空氣源熱泵熱水機(jī)7的水泵的啟閉。溫度傳感器可實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的溫度信號(hào)傳遞給各電磁閥組，當(dāng)儲(chǔ)熱水罐內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí)，電磁閥組B開(kāi)啟，同時(shí)聯(lián)動(dòng)電磁閥組A、C和水泵關(guān)閉，罐內(nèi)冷水被循環(huán)預(yù)熱，此時(shí)空氣源熱泵熱水機(jī)二次加熱到洗浴用熱水溫度后供給洗浴中心，同時(shí)電磁閥組A、C和水泵開(kāi)啟，聯(lián)動(dòng)電磁閥組B關(guān)閉，此時(shí)主機(jī)冷凝器的冷卻水出水進(jìn)入冷卻塔被冷卻后回流入熱泵主機(jī)，溫度控制裝置原理如圖4所示。

圖4 溫度控制裝置原理

水源熱泵主機(jī)制冷量隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而降低且變化較緩慢，而輸入功率隨進(jìn)水溫度的升高而升高變化較快[5]。本方案考慮制冷量、輸入功率及水源熱泵自身的制冷特性，將洗浴中心的儲(chǔ)熱水罐與冷卻塔的切換溫度設(shè)置為32℃，即可保證水源熱泵主機(jī)的制冷效率不受影響。且如果洗浴熱水需求量減少，可以將切換的溫度值設(shè)定的更低，既能滿足洗浴中心熱水供應(yīng)，又可使熱泵主機(jī)的運(yùn)行效率更高。

從熱力學(xué)原理上講，高低溫混合，是一個(gè)熵增過(guò)程，但對(duì)能源效率影響不大[6]。利用熱泵熱水機(jī)或板換先將水加熱到較高溫度，使用時(shí)冷水與儲(chǔ)熱水罐內(nèi)熱水混合調(diào)溫，以達(dá)到最適宜的用水溫度。在一定條件下，熱泵的出水溫度越高，主機(jī)能耗越大，但從滅活軍團(tuán)菌的角度出發(fā)，熱水溫度越高對(duì)滅活軍團(tuán)菌越有利，綜合考量滅活軍團(tuán)菌的效果、熱泵的能效比、以及防燙傷的安全性等多種因素，確定洗浴中心熱水供水溫度為55℃左右[7]。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合實(shí)際情況，洗浴中心與冷熱源機(jī)房距離較近，增加的管道及溫度控制裝置等的投入成本相比于項(xiàng)目總投資可忽略不計(jì)，所以該方案相比于常規(guī)方案，基本未有設(shè)備、管道或附件等的購(gòu)置費(fèi)用的增加。下面分別從洗浴中心空氣源熱泵熱水機(jī)側(cè)和冷卻塔側(cè)兩個(gè)方面分析供冷季系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.1 洗浴中心空氣源熱泵熱水機(jī)側(cè)運(yùn)行費(fèi)用分析

洗浴中心儲(chǔ)熱罐內(nèi)的水由自來(lái)水儲(chǔ)水管組補(bǔ)入，初始水溫僅20℃左右。設(shè)計(jì)方案將儲(chǔ)熱水罐和水源熱泵主機(jī)相結(jié)合，通過(guò)冷凝器側(cè)的出水與罐內(nèi)水的混合對(duì)洗浴用熱水預(yù)熱，經(jīng)前文分析可知預(yù)熱溫度可達(dá)32℃左右。在計(jì)算年逐時(shí)氣象條件下，供冷季水源熱泵主機(jī)運(yùn)行時(shí)間為每年的5～9月份，洗浴中心每日運(yùn)行時(shí)間為8:00～20:00，在冷卻水量能夠滿足洗浴中心用水預(yù)熱的情況下，空氣源熱泵熱水機(jī)的年均運(yùn)行時(shí)間較常規(guī)方案減少了h。供冷季洗浴中心的平均熱水用量為200t/天，折算成熱水小時(shí)用量為=16.67t/h（每日按12h），預(yù)熱前后水的溫差為℃，由此可計(jì)算得出儲(chǔ)熱罐內(nèi)水

（1）

式中，為水的比熱容，取4.2kJ/(kg?℃)，計(jì)算得出kW。

空氣源熱泵熱水機(jī)減少的電耗主要為電制冷機(jī)組耗電量[8]：

3.2 冷卻塔側(cè)運(yùn)行費(fèi)用分析

（3）

上述計(jì)算分析得出的冷卻塔側(cè)和洗浴中心側(cè)節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用之和，即為該設(shè)計(jì)方案較常規(guī)方案節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用為萬(wàn)元，年節(jié)約能耗折算成標(biāo)準(zhǔn)煤約12.05噸/年。

4 結(jié)論

（1）該冷暖及洗浴熱水供應(yīng)系統(tǒng)可通過(guò)閥門(mén)的切換來(lái)調(diào)整四季系統(tǒng)運(yùn)行模式，既能滿足酒店大樓全年的冷暖需求，又能保證洗浴中心的四季熱水供應(yīng)。

（2）供冷季采用洗浴中心與水源熱泵主機(jī)相結(jié)合的形式，有效地回收了從熱泵冷凝器的散熱量，不僅減少了能量的浪費(fèi)、節(jié)省了能耗，而且降低了冷卻塔的冷卻任務(wù)、減少了熱污染，且如果洗浴熱水需求量減少，可以將切換的溫度值設(shè)定的更低，如此熱泵主機(jī)的運(yùn)行效率便會(huì)更高。

（3）該系統(tǒng)初投資與常規(guī)系統(tǒng)基本接近，而年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省了9.8萬(wàn)元，年節(jié)約能耗折算成標(biāo)準(zhǔn)煤約12.05噸/年，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和節(jié)能效益。

（4）從整個(gè)能源發(fā)展戰(zhàn)略上看，該系統(tǒng)的運(yùn)行積極響應(yīng)了國(guó)家“節(jié)能減排”政策，節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展極具廣闊的前景，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

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Project analysis of Cooling, Heating Capacity and Bath Water Supply System for a Project in Henan Province

Hui Yuchuan Huang Shuchen

( School of civil Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Based on a project under construction as an example of Henan province, this paper expounded the four seasons air conditioning heat and cold source schemes and annual hot water supply measures for the bath center, including the system of control strategy and annual operation plan and so on. In the cold season, the bath center was connected with the cold source of the machine room, and heat recovery was carried out for water source heat pump main condenser. According to the calculation results,the economic benefit and energy saving effect of the system compared with the conventional system were analyzed, which provided design reference for the application and promotion of this technology in engineering.

Cold and heat source; Hot water supply; Heat recovery; Economic benefit; Energy saving effect

1671-6612（2019）06-605-04

TK02

A

惠豫川（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1562379496@qq.com

2019-03-19