肖 亮 張瑜琴 張 輝 丁 建

（基準(zhǔn)方中建筑設(shè)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(dá)峰，2060年碳中和”方針，致力為改變?nèi)驓夂蜃龀鲐暙I(xiàn)?？照{(diào)能耗帶來的碳排放也越發(fā)成為焦點。我國城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市酒店、醫(yī)院、工廠、學(xué)校、劇院等建筑拔地而起。建筑能耗主要包括空調(diào)能耗、生活用水能耗、生活用電能耗，且空調(diào)能耗占建筑能耗的46%?？照{(diào)能耗、生活用水能耗之間缺少關(guān)聯(lián)。空調(diào)末端吸收室內(nèi)熱量、主機(jī)產(chǎn)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(jī)組等加熱。如果回收空調(diào)末端吸收熱量進(jìn)行預(yù)熱生活熱水，可降低燃?xì)庀牧俊⒔档徒ㄖ芎?，減少碳排放。

熱泵熱回收機(jī)組在空調(diào)水系統(tǒng)的應(yīng)用非常關(guān)鍵，如果合理運(yùn)用，其綜合節(jié)能率可達(dá)到28%，將對國家提出的“雙碳經(jīng)濟(jì)”有巨大貢獻(xiàn)。

1 空調(diào)系統(tǒng)熱回收主要形式

目前，空調(diào)系統(tǒng)主要熱回收形式為風(fēng)冷熱泵熱回收、水冷熱回收系統(tǒng)、水冷冷卻水熱回收（冷水機(jī)組疊加串聯(lián)系統(tǒng)方案可提高熱回收機(jī)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(diào)水冷凍水系統(tǒng)熱泵熱回收機(jī)組的應(yīng)用。水冷冷凍水熱回收主要有三種方式，常規(guī)方案、優(yōu)先并聯(lián)方案、優(yōu)先旁通方案。如圖1所示。

將三種設(shè)計方案比較可得出優(yōu)先旁通方案最合理，如圖1（c）所示，熱回收冷水機(jī)組的供、回水管接在多臺單冷冷水機(jī)組的回水主管上，冷凍水回水溫度最高，而且不受空調(diào)冷凍水系統(tǒng)負(fù)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(diào)負(fù)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(qū)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(diào)水系統(tǒng)。

2.2 空調(diào)負(fù)荷組成情況

地下室內(nèi)區(qū)，夏季冷負(fù)荷300kW，冬季熱負(fù)荷140kW，內(nèi)區(qū)冬季冷負(fù)荷40kW；裙房，夏季冷負(fù)荷3314kW，冬季熱負(fù)荷2186kW，內(nèi)區(qū)冬季冷負(fù)荷520kW；塔樓，夏季冷負(fù)荷2613kW，冬季熱負(fù)荷1331kW，內(nèi)區(qū)冬季冷負(fù)荷100kW；夏季空調(diào)總冷負(fù)荷6227kW，冬季總熱負(fù)荷3657kW，內(nèi)區(qū)冬季總冷負(fù)荷660kW?？紤]冬季酒店塔樓5%的客人對空調(diào)舒適性有個性訴求，酒店方要求提供100kW冷負(fù)荷?？照{(diào)逐時負(fù)荷計算如圖2所示。

圖2 酒店夏季、冬季逐時空調(diào)負(fù)荷

2.3 空調(diào)冷熱源主機(jī)設(shè)備

酒店空調(diào)冷熱源主機(jī)設(shè)備參數(shù)見表1。根據(jù)該項目空調(diào)冷凍水出水溫度（7℃～12℃）分析得出，熱泵熱回收機(jī)組全年的COP值均較高（4.3～5.1），機(jī)組高效運(yùn)行非常節(jié)能，如圖3所示。冬季酒店冷負(fù)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(jī)組均能滿負(fù)荷運(yùn)行。

圖3 熱泵熱回收機(jī)組COP值變化

表1 酒店空調(diào)冷熱源主機(jī)設(shè)備參數(shù)

該項目熱泵熱回收機(jī)組采用優(yōu)先旁通方式（如圖4所示），夏季采用冷水機(jī)組和熱泵機(jī)組制冷（冷凍水出水溫度為7℃），其他季節(jié)采用冷卻塔和熱泵熱回收機(jī)組制冷（過度季節(jié)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(jī)組全年處于高效狀態(tài)（COP值均大于4.3以上）運(yùn)行。并且優(yōu)化熱泵熱回收機(jī)組回水管位置和冷水主機(jī)一致，均設(shè)置于集水器上，避免熱泵熱回收機(jī)組的水泵直接抽取空調(diào)回水主管中的冷凍水，發(fā)生抽空現(xiàn)象而產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致冷水機(jī)組水泵發(fā)生嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象。

圖4 空調(diào)主機(jī)側(cè)水系統(tǒng)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(qū)，低區(qū)酒店裙房（1F～4F）和塔樓5F、酒店泳池（4F）、重力Ⅰ區(qū)（24F～28F）、重力Ⅱ區(qū)（18F～23F）、重力Ⅲ區(qū)（12F～17F）、重力Ⅳ區(qū)（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(qū)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(shè)計總耗熱量為2562.7kW，地下室設(shè)置20m的儲熱水罐；塔樓6層設(shè)置12m的儲熱水罐；塔樓17層設(shè)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(jī)組產(chǎn)熱量為600kW，持續(xù)加熱儲水罐內(nèi)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(shè)計小時供熱量

3.2 酒店裙房和塔樓的熱水機(jī)房布置

地下室負(fù)1層、6層、17層（避難層）換熱機(jī)房分別獨立設(shè)置臥式閉式儲水罐，用于儲存45℃熱水（熱泵熱回收機(jī)組作為熱源，預(yù)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(qū)域用水末端，對應(yīng)換熱機(jī)房水系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 酒店塔樓（客房）/裙房功能區(qū)生活熱水系統(tǒng)圖

根據(jù)酒店方提供類似項目數(shù)據(jù)分析（如圖6所示），該項目熱泵熱回收機(jī)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(diào)冷負(fù)荷和生活熱水需求分析，選型熱泵熱回收機(jī)組、儲熱水罐，且設(shè)備之間需要合理搭配運(yùn)行，既滿足空調(diào)冷水系統(tǒng)最低冷負(fù)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(diào)系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)均高效節(jié)能運(yùn)行。

圖6 熱泵熱回收機(jī)組產(chǎn)熱、儲水罐儲熱、酒店生活熱水需求量與酒店入住率關(guān)系

4 碳排放和經(jīng)濟(jì)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(jī)組+燃?xì)忮仩t組合提供，計算過程非常復(fù)雜。該文簡化處理，僅分析熱泵熱回收機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t全年各自的碳排放和運(yùn)行費用。方案一，采用熱泵熱回收機(jī)組作為熱源；方案二。采用燃?xì)鉄崴仩t作為熱源，分別均持續(xù)提供600kW生活熱水（溫度為45℃）。燃?xì)獬簾崴仩t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(yùn)行各類數(shù)據(jù)計算結(jié)果匯總[6]

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

從表3可以直觀分析得出，全年運(yùn)行費用方案一比方案二節(jié)約100萬元，熱泵熱回收機(jī)組作為熱源同時產(chǎn)生冷凍水，實際運(yùn)行更加節(jié)能和節(jié)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(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”這一目標(biāo)提供強(qiáng)大助力。方案一初投資需要增加320W左右，后期運(yùn)營3.2年回收成本。

5 結(jié)語

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

該項目為夏熱冬冷地區(qū)，冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷需求660kW，分析得出熱泵熱回收機(jī)組能全年運(yùn)行，同理在炎熱地區(qū)（制冷時段較長地區(qū)）采用該系統(tǒng)，設(shè)備性能會更加高效、節(jié)能，節(jié)約成本。反觀，寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)（制冷時段較短地區(qū)）采用該系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益會大幅降低，需要采用電鍋爐或者空氣源熱泵機(jī)組作為主要熱源，才能實現(xiàn)節(jié)約能耗和降低碳排放。對空調(diào)用冷和生活熱水同時需求的類似項目（例如酒店、學(xué)校、商業(yè)綜合體、工廠等項目）具有非常好的參考價值。