李 寧,李愷淵,王 建
(1.國(guó)網(wǎng) (杭州) 綜合能源服務(wù)有限公司,浙江 杭州 310020;2.杭實(shí)綜合能源科技 (杭州) 有限公司,浙江 杭州 310020)
杭州作為世界級(jí)的旅游城市,擁有著數(shù)量眾多各種等級(jí)的酒店。隨著對(duì)能耗總量及強(qiáng)度“雙控”要求及浙江省飯店單位綜合能耗限額政策的實(shí)施,節(jié)能降耗已經(jīng)成為酒店行業(yè)必須重視的問題。
生活熱水系統(tǒng)是酒店必不可少的重要設(shè)施,其運(yùn)行水平直接影響到客人的入住體驗(yàn),通常采用燃?xì)忮仩t(蒸汽鍋爐、常壓熱水鍋爐或冷凝真空熱水鍋爐等)作為熱源。對(duì)于杭州的酒店,生活熱水耗氣量基本與冬季采暖耗氣量相當(dāng),約占酒店燃?xì)饪偤牧康娜种?。燃?xì)忮仩t直接消耗一次能源,熱效率一般為80 %~90 %,且隨著時(shí)間的推移,效率逐步降低,能耗逐年升高。在近些年的改造中,對(duì)廢熱余熱的回收利用已成為生活熱水系統(tǒng)節(jié)能的重要措施,如利用空氣源熱泵回收洗衣房、地下車庫(kù)、廚房冷庫(kù)外機(jī)、換熱間、鍋爐房?jī)?nèi)的廢熱;利用水源熱泵回收冷凝水、冷凍水中的余熱;利用換熱器回收鍋爐煙氣、冷凝水中的余熱等。余熱、廢熱資源千差萬別,與酒店的設(shè)備配置、經(jīng)營(yíng)情況及運(yùn)維管理密切相關(guān),因此需結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)性地制定方案。
酒店生活熱水熱源系統(tǒng)的構(gòu)建或改造需從熱源結(jié)構(gòu)上分析和論證,還必須考慮到太陽(yáng)能及空氣源熱泵受到季節(jié)等自然氣候影響的特性:如杭州“黃梅天”或連續(xù)陰雨雪的時(shí)段,太陽(yáng)能幾乎不能加熱;而對(duì)于空氣源熱泵系統(tǒng)而言,全年大部分時(shí)段均表現(xiàn)出高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì),但在冬季低溫高濕環(huán)境中會(huì)頻繁結(jié)霜化霜,系統(tǒng)效率大大降低,甚至不能正常運(yùn)行,出于穩(wěn)定性考慮,通常情況下需要增大空氣源熱泵系統(tǒng)的容量配置或采用電加熱補(bǔ)充。綜上所述,提出了一種太陽(yáng)能+空氣源熱泵(室外放置)+冷凝鍋爐的多源互補(bǔ)系統(tǒng)方案。
生活熱水熱源形式多種多樣,可根據(jù)酒店的實(shí)際情況予以利用,但首先需要從熱源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做一定的考慮,合理的能源結(jié)構(gòu)是節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)。
燃?xì)忮仩t通過燃燒化石能源釋放熱量加熱熱水,其運(yùn)行穩(wěn)定可靠,但需要消耗寶貴的天然氣資源。蒸汽鍋爐一般效率約為80 % (逐年下降),產(chǎn)出蒸汽0.4~0.8 MPa,運(yùn)行中存在爆炸風(fēng)險(xiǎn);承壓熱水鍋爐的效率約為90 % (逐年下降),產(chǎn)出60~90 ℃熱水,運(yùn)行中存在爆炸風(fēng)險(xiǎn);常壓熱水鍋爐的效率約為82 % (逐年下降),產(chǎn)出60~90 ℃熱水,運(yùn)行較為安全;真空熱水鍋爐效率約為92 % (衰減小),出水溫度60~90 ℃,運(yùn)行安全性高;新型冷凝鍋爐可以進(jìn)一步獲得煙氣冷凝水中的熱量,效率會(huì)提高一些,約為103 % (衰減小),出水溫度60~80 ℃,排煙溫度甚至可降至約70 ℃,運(yùn)行安全性高。
隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展,空氣源熱泵在供熱采暖方面得到越來越廣泛的應(yīng)用,也逐漸成為酒店生活熱水的重要熱源系統(tǒng),但是室外放置的空氣源熱泵機(jī)組受環(huán)境影響較大:室外溫度低,則熱泵的效率較低,產(chǎn)熱量及出水溫度均有明顯的下降,嚴(yán)重時(shí)甚至不能滿足熱水需求;在一定相對(duì)濕度及溫度條件下,蒸發(fā)器側(cè)會(huì)不斷結(jié)霜除霜,目前除霜的方式有很多,但均是以犧牲效率或增加能耗為代價(jià),結(jié)霜除霜周期內(nèi),機(jī)組產(chǎn)熱量及效率下降,相對(duì)能耗上升。
根據(jù)日本學(xué)者對(duì)不同空氣源熱泵測(cè)試得出的結(jié)論,室外相對(duì)濕度和干球溫度是熱泵結(jié)霜的重要因素,室外溫度在-12.8~5.8 ℃之間,相對(duì)濕度大于67 %時(shí),熱泵發(fā)生結(jié)霜;在室外溫度小于-12.8 ℃時(shí),由于空氣中絕對(duì)含濕量較低,不發(fā)生結(jié)霜;在相對(duì)濕度小于67 %時(shí),由于空氣露點(diǎn)溫度低于室外換熱器表面溫度,也不發(fā)生結(jié)霜。某空氣源熱泵機(jī)組性能曲線(見圖1)顯示,室外溫度在-5~10 ℃的區(qū)間內(nèi),熱泵機(jī)組的參數(shù)變化較大,制熱量及制熱性能隨著溫度的降低存在比較明顯的下降。
圖1 某空氣源熱泵機(jī)組性能曲線
杭州地處長(zhǎng)江中下游區(qū)域,屬夏熱冬冷地區(qū),夏季高溫高濕、冬季低溫高濕。杭州地區(qū)全年逐日干球溫度和杭州地區(qū)全年逐日相對(duì)濕度如圖2、3所示。
圖2 杭州地區(qū)全年逐日干球溫度
圖3 杭州地區(qū)全年逐日相對(duì)濕度
結(jié)合以上熱泵機(jī)組性能及室外氣候環(huán)境的分析發(fā)現(xiàn),杭州地區(qū)12月至次年2月的大部分時(shí)段,熱泵機(jī)組均處在結(jié)霜區(qū)域,熱泵的產(chǎn)熱量及效率下降較大。因此如為了滿足冬季時(shí)段熱水加熱要求,需將空氣源熱泵機(jī)組配置容量加大,但即便如此,在某些時(shí)段內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況,因此需增加輔助加熱系統(tǒng)。
杭州地區(qū)12月至次年2月,平均氣溫約為5 ℃,最低氣溫低于0 ℃,近年的極端低溫可達(dá)-10 ℃,大部分時(shí)段在0~5 ℃區(qū)間波動(dòng),相對(duì)濕度大部分時(shí)段高于60 %。
太陽(yáng)能系統(tǒng)加熱能耗幾乎為零,是酒店熱水熱源的重要節(jié)能措施,但太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)存在成本較高、安裝受場(chǎng)地限制、集熱過程受天氣影響嚴(yán)重、連續(xù)陰雨雪天氣不能加熱等劣勢(shì),從理論上說太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不能作為酒店熱水的穩(wěn)定熱源使用,需要增加輔助熱源。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助熱源的加熱能力應(yīng)按照不計(jì)太陽(yáng)能集熱器供熱能力的常規(guī)熱水系統(tǒng)計(jì)算,即太陽(yáng)能可作為降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗的方式,但不能作為穩(wěn)定熱源,在熱源系統(tǒng)配置方面,即使太陽(yáng)能熱泵計(jì)算容量可以滿足需求,但仍需全負(fù)荷配備其他加熱熱源。
杭州地區(qū)的太陽(yáng)輻射隨季節(jié)大致呈一定規(guī)律變化(見圖4),夏季輻射量高,冬季輻射量低,年總輻射量約為4 300 MJ/m2,日照年平均為5 h/日,總?cè)照? 819.9 h,太陽(yáng)能熱水保證率低于40 %,屬于太陽(yáng)能輻射資源一般區(qū)域。
圖4 杭州地區(qū)太陽(yáng)日總輻射隨季節(jié)變化趨勢(shì)
為最大程度地降低生活熱水熱源部分的能耗,同時(shí)保證熱水的供應(yīng),采用太陽(yáng)能+空氣源熱泵+冷凝鍋爐的多熱源互補(bǔ)熱源作為生活熱水的加熱熱源。太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)加熱生活熱水的能耗幾乎為零(不計(jì)循環(huán)水泵能耗),因此在場(chǎng)地允許的條件下,綜合考慮投資等因素,盡量大地配置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),以減少加熱能耗??諝庠礋岜美碚撋峡梢宰鳛槿晟顭崴姆€(wěn)定熱源使用,但若單獨(dú)采用空氣源熱泵,則需設(shè)置輔助加熱設(shè)備,以保證在特殊溫濕度條件下的正常供應(yīng),也勢(shì)必會(huì)加大系統(tǒng)配置及運(yùn)行能耗,因此按照室外日平均溫度大于10 ℃配置空氣源熱泵系統(tǒng),以保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率及可靠性;在室外日平均溫度小于10 ℃時(shí),空氣源熱泵的性能下降較大,在此部分時(shí)段內(nèi),按照冬季最不利溫度對(duì)空氣源熱泵各參數(shù)進(jìn)行校核,測(cè)算熱水供熱能力,不足部分采用冷凝鍋爐補(bǔ)充。
太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)采用雙水箱形式,分別設(shè)置加熱水箱和儲(chǔ)熱水箱(與生活熱水儲(chǔ)熱水箱共用)。由于在一天內(nèi)太陽(yáng)能加熱也具有明顯的波動(dòng)性,一般上午時(shí)段水溫逐漸升高,至中午加熱到設(shè)定溫度,此時(shí)打開供水泵將熱水補(bǔ)至生活熱水儲(chǔ)水箱,若因天氣原因水溫一直較低,中午過后水溫仍不能升至設(shè)定溫度,則補(bǔ)至空氣源熱泵加熱水箱中進(jìn)行二次加熱。
如圖5所示,空氣源熱泵與冷凝鍋爐串聯(lián),按梯級(jí)分別對(duì)生活熱水進(jìn)行加熱,生活熱水回水及冷水補(bǔ)水首先進(jìn)入空氣源熱泵加熱水箱中加熱,一般情況下,除冬季外,水箱水溫可加熱至設(shè)定溫度,加熱水箱與儲(chǔ)熱水箱通過管道聯(lián)通,熱水自然進(jìn)入熱水儲(chǔ)水箱中,再通過變頻供水泵送至用水末端。太陽(yáng)能熱水加熱水箱及空氣源熱泵加熱水箱分別設(shè)置冷水補(bǔ)水。太陽(yáng)能加熱循環(huán)按照自身邏輯運(yùn)行,當(dāng)水箱水溫達(dá)到設(shè)定溫度后,開啟變頻供水泵供至熱水儲(chǔ)水箱中??諝庠礋岜玫倪\(yùn)行以空氣源熱泵加熱水箱中的水溫為控制條件,當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱,當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行;冷凝鍋爐運(yùn)行控制以儲(chǔ)熱水箱的水溫為控制條件,當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱,當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行。
圖5 多源互補(bǔ)生活熱水熱源系統(tǒng)(開式系統(tǒng))
由于太陽(yáng)能加熱在一天中存在較為明顯的時(shí)段性和不均衡性,同時(shí)閉式系統(tǒng)需根據(jù)不同的壓力分區(qū)設(shè)置加熱設(shè)備,因此僅將太陽(yáng)能加熱的熱水作為生活熱水系統(tǒng)的補(bǔ)水加以利用。太陽(yáng)能加熱同樣采用雙水箱設(shè)置,太陽(yáng)能集熱器及加熱水箱自成系統(tǒng),當(dāng)水溫加熱至設(shè)定溫度后由不同揚(yáng)程的供水泵根據(jù)需求補(bǔ)充至不同壓力分區(qū)的熱水儲(chǔ)水罐中以供使用。
如圖6所示,空氣源熱泵與冷凝鍋爐串聯(lián)加熱,生活熱水回水及冷水補(bǔ)水進(jìn)入空氣源熱泵加熱罐中,空氣源熱泵加熱溫度較低的補(bǔ)水及回水,提高其運(yùn)行效率,水加熱后在補(bǔ)水壓力的推動(dòng)下進(jìn)入儲(chǔ)熱罐中,隨后供至用水末端。除冬季以外,空氣源熱泵均可滿足加熱需求,無需冷凝鍋爐加熱,如熱水儲(chǔ)水罐中的水溫不能滿足需求,則啟動(dòng)冷凝鍋爐加熱。
圖6 多源互補(bǔ)生活熱水熱源系統(tǒng)(閉式系統(tǒng))
太陽(yáng)能熱水加熱水箱及空氣源熱泵加熱罐需分別設(shè)置冷水補(bǔ)水,開式水箱按照太陽(yáng)能熱水循環(huán)控制邏輯補(bǔ)水,加熱罐根據(jù)實(shí)時(shí)壓力變化補(bǔ)水。太陽(yáng)能加熱循環(huán)按照自身邏輯運(yùn)行,當(dāng)水箱水溫達(dá)到設(shè)定溫度后,開啟供水泵供至儲(chǔ)水罐中。空氣源熱泵的運(yùn)行以空氣源熱泵加熱水罐的水溫為參數(shù),當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱,當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行;冷凝鍋爐運(yùn)行控制以儲(chǔ)熱水罐的水溫為參數(shù),當(dāng)水溫小于設(shè)定溫度時(shí)開始加熱,當(dāng)水溫大于設(shè)定溫度后停止運(yùn)行。
依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)及酒店熱水需求,在綜合考慮太陽(yáng)能、空氣源熱泵及冷凝鍋爐各自優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,給出了三種熱源的配置組合方案并分析了系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略,可實(shí)現(xiàn)熱源的綜合利用,最大化地節(jié)能降耗及不利氣候條件下熱水的正常制取,為酒店生活熱水節(jié)能改造提供了一種可行的方案。同時(shí),在具體的改造中還需充分考慮氣候變化及實(shí)際用水特點(diǎn)進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)和設(shè)備配置,尤其是空氣源熱泵、冷凝鍋爐及各水箱的容量配置需結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)一步分析計(jì)算,最佳的適配是多源互補(bǔ)熱源系統(tǒng)成功實(shí)施的根本保證。