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)
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)。
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
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)。
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
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
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
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
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]
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。
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。