熱泵熱回收技術(shù)與太陽能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

熱泵熱回收技術(shù)與太陽能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1工程概況

本工程位于云南省紅河州蒙自地區(qū)，是官房集團投資興建的一座五星級旅游假日酒店，其建筑面積為30321m2，共擁有286間各檔次的客房，其中主樓建筑面積為23265m2、娛樂樓為1781m2、貴賓苑為1589m2，其余為酒店的輔助配套建筑。

整個建筑物根據(jù)功能使用的要求須設(shè)置中央冷暖空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)和暖通的要求是能夠滿足供暖和供冷需要，給排水專業(yè)則要求能夠提供酒店24小時的生活用衛(wèi)生熱水的要求。

考慮到酒店運營受旅游淡、旺季或特殊時期（如：非典防治）制約影響的特殊性，既要求酒店的供冷供暖系統(tǒng)具有良好的部分負(fù)荷調(diào)節(jié)性和高效性，又要求整個酒店空調(diào)系統(tǒng)有一個較低的初投資和運行費用。

根據(jù)氣象資料顯示，蒙自地區(qū)全年室外空氣溫度低于8℃的天數(shù)為零。因此，我們建議甲方采用既環(huán)保又節(jié)能、運行費用經(jīng)濟的風(fēng)冷熱泵熱回收中央空調(diào)系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)一機三用，夏季供冷，冬季供暖，全年提供生活用衛(wèi)生熱水（夏季為全免費提供）。

2風(fēng)冷熱泵空調(diào)熱回收技術(shù)簡介

環(huán)境污染和能源危機已成為當(dāng)今社會的兩大難題，如何在享受舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境的同時付出最少的代價逐漸成為人類的共識，在這種背景下以環(huán)保和健康為主要特征的綠色建筑應(yīng)運而生。盡可能少地消耗能源為建筑物創(chuàng)造舒適環(huán)境已經(jīng)成為空調(diào)的發(fā)展方向，開發(fā)利用天然的冷/熱源能夠為空調(diào)帶來節(jié)能和環(huán)保雙重效益，因而越來越受到人們的重視。

我們身邊的大氣環(huán)境就是一個巨大的天然資源，可以隨意獲取和使用、對設(shè)備無害，是一種理想的天然冷熱源。

空調(diào)在制冷的同時，根據(jù)能量守恒原理要將與制冷量相當(dāng)?shù)臒崃客ㄟ^冷卻塔或冷卻風(fēng)扇向大氣中排放掉，此舉除造成大氣廢熱污染外，還會產(chǎn)生溫室效應(yīng)。而人們又要另外消耗高品位的電力、天燃?xì)狻⑷加偷饶茉磥砑訜醿H45℃的熱水，表面上似乎沒有熱能的損失，實際上伴隨著熱能形式轉(zhuǎn)換過程中的熵?fù)p失，已經(jīng)是一種能源的浪費。能不能呢充分發(fā)揮高品位能量工作效率和利用低品位能量呢？

答案是肯定的，這就是利用熱回收技術(shù)則巧妙的在空調(diào)制冷的同時將被浪費的熱能集中回收來制取衛(wèi)生熱水（或提供冬季采暖用熱）。其方法就是在空調(diào)制冷壓縮機出口側(cè)高溫高壓制冷劑蒸汽與冷凝器進(jìn)行熱交換的部件前串聯(lián)或并聯(lián)一個換熱設(shè)備(制冷劑在空調(diào)制冷循環(huán)中的物化狀態(tài)及性質(zhì)在此不再累敘)，在廢熱沒有被冷卻塔或冷卻風(fēng)機排放到大氣環(huán)境中去之前就將這部分熱量回收提走，這樣既保證了熱量的有效回收再利用，又保護了大氣環(huán)境免受熱污染，而這部分回收的廢熱則可以用來加熱衛(wèi)生用熱水，直接產(chǎn)生二次經(jīng)濟效益，一舉數(shù)得。

在風(fēng)冷熱泵空調(diào)機上應(yīng)用熱回收技術(shù)時，夏天相當(dāng)于增加了一個水冷卻裝置。水冷卻效率比風(fēng)冷卻效率高，空調(diào)制冷機因此可節(jié)能10~15%，而且由于冷凝溫度降低還可延長壓縮機使用壽命。

冬天熱泵則轉(zhuǎn)換為制熱模式，為房間提供采暖用熱媒水。在滿足采暖需求的前提下還可以生產(chǎn)部分衛(wèi)生用熱水。

在春秋季過渡季節(jié)，建筑物既無制冷要求、又無供熱需要，則可以充分利用熱泵設(shè)備的高效熱轉(zhuǎn)換效率來生產(chǎn)衛(wèi)生熱水。

在滿足熱水加熱要求的前提下，其余時間還可以對蓄熱水箱進(jìn)行循環(huán)保溫加熱，大大降低的運行費用。

熱回收技術(shù)還使“一機三用”成為可能。利用熱泵技術(shù)冬季向建筑物供暖、夏季向建筑物供冷、并可同時提供衛(wèi)生熱水，配以“四管制系統(tǒng)”還可以實現(xiàn)夏季無需投入鍋爐的前提下同時制冷、供暖，大大提高了設(shè)備的綜合利用率，性價比極高，其能源利用率為傳統(tǒng)方式的2~3倍，投入1kW的電能可得到3~4kW以上的制冷或供熱的能量(額定工況下)

對于我國這樣一個人口眾多、能源日益緊張，資金有限的實際狀況，在室外氣候條件合適的地區(qū)大力推廣熱泵制冷采暖和制衛(wèi)生熱水，是符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，也是充分保障使用方的社會效益及經(jīng)濟效益的。3太陽能的有效利用

根據(jù)對一次能源替代趨勢的研究結(jié)果表明，到公元2050年，核能將占第一位，太陽能占第二位；到二十一世紀(jì)末，太陽能將取代核能占第一位。這種趨勢的本質(zhì)是：能源發(fā)展從粗放型利用向技術(shù)型轉(zhuǎn)化，從環(huán)境污染向環(huán)境保護轉(zhuǎn)化。

作為利用太陽能資源的產(chǎn)品之一，太陽能熱水器，對環(huán)境保護及能源節(jié)約的作用是顯而易見的：它不消耗常規(guī)能源，利用的是取之不盡、用之不竭的太陽能，安全可靠、免費、無爆炸、漏電、漏氣等造成人身傷害的危險，且自動運行、操作簡單、基本無維修工作。

太陽能熱水器沒有固、液、氣體排污，對環(huán)境無任何不利影響，若有輔助加熱器，則可充分發(fā)揮其功效，在夜間、陰雨天或適度的低溫期間也能使用，可以說是百益而無一害。

針對本工程所在地（蒙自）的氣候特點：

①大氣透明度高（3級）、工業(yè)污染小

②冬季氣溫高：低于8℃的天數(shù)為零，無凍結(jié)危險

③冬季日照率為64%，日照時數(shù)約2600h，年太陽輻射總量為4608~54326MJ/m2·年

④一年中絕大部分時間處于空調(diào)期，采暖期短

如果把太陽能集熱器配合輔助加熱器，結(jié)合前文闡述的空調(diào)熱回收系統(tǒng)獲得的熱量，共同組成“三聯(lián)供”式衛(wèi)生熱水系統(tǒng)，不但可以全年運行、實現(xiàn)CO2、SO2、粉塵等污染物的零排放，而且其免費、無限制獲取的特性使運行具有明顯的經(jīng)濟性。

4中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1基本數(shù)據(jù)：夏季總耗冷量：2093kW冬季總耗熱量：1021kW

衛(wèi)生熱水日均流量：72m3/天最大小時流量：16.5m3/h

衛(wèi)生熱水最大小時耗熱量：960kW

4.2典型中央空調(diào)方案配置:

4.2.1方案①風(fēng)冷熱泵熱回收螺桿式機組+輔助電鍋爐+太陽能熱水器

說明：蒙自地區(qū)冬季熱泵平衡點溫度為6℃，則此溫度下本工程所配風(fēng)冷熱泵熱回收機組總熱回收熱量:

Q1=（314+933+872+465+155）x0.7=1917.3(kW)

這部分回收熱即使扣除冬季采暖用熱1021kW后，余熱896kW仍足以將19.3m3/h的城市管網(wǎng)內(nèi)自來水由10℃加熱至50℃（客房衛(wèi)生熱水峰值流量僅為16.5m3/h）。衛(wèi)生熱水總加熱量為960kW，為了保證壓縮機壽命且高效率工作，熱回收設(shè)備出水溫度不宜超過50℃，而衛(wèi)生熱水出口溫度要求為50℃~60℃（流量為16.5m3/h=4.6升/秒），因此，需配置輔助加熱用電鍋爐將50℃水再次加熱至60℃，則輔助電鍋爐容量確定如下：

Q2=4.187x4.6x(60-50)=192.6（kW）

方案①設(shè)備配置表

方案①空調(diào)主機冷凍水泵

制冷量(kW)熱回收量(kW)夏季耗電（kW）冬季耗電（kW）揚程(mH2O)流量（m3/h）耗電(kW)

主樓大堂244x1臺314706628.046.07.5

主樓A座717x1臺93321720032.0150.022.0

主樓B座658x1臺87219719137.513522.0

娛樂部360x1臺46510510230.072.011.0

貴賓苑120x1臺155353428.022.54.0

合計2099273962459366.5

輔助電熱器Q=200kWx1臺,耗電=200kW

備注①制冷主機為原裝進(jìn)口、低噪音型②冷凍水泵為一用一備③主樓A座中包括一、二層餐廳④主樓B座中包括多功能會議廳和一層商務(wù)用房

方案①系統(tǒng)原理流程圖

4.2.3方案②水冷冷水制冷機組＋電鍋爐

說明：

方案②設(shè)備配置表

空調(diào)主機冷卻塔冷凍水泵冷卻水泵

制冷量(kW)耗電（kW）耗電(kW)耗電(kW)耗電(kW)

主樓1150x2臺240x211x2臺流量m3/h243.037.0三臺流量m3/h280.030.0三臺

揚程mH2O38.0揚程mH2O22.0

貴賓苑117x1臺36x10流量m3/h22.54.0二臺流量m3/h00

揚程mH2O28.0揚程mH2O0

合計241751622.078.060.0

電鍋爐Q=1000kWx2臺,耗電=1000kWx2=2000(kW)

備注主樓包括：大餐廳、多功能會議廳、一層商務(wù)用房、娛樂部

4.3計算用基本數(shù)據(jù)

2部電價：8~10元/kVA·月(紅河州為：10元/kVA·月)

電費：0.59元/kW·h水費：1.5元/m3

值班人員工資：450元/月

冷卻塔水系統(tǒng)補水率：1.5%

水冷制冷主機折舊年限：30年

風(fēng)冷制冷主機折舊年限：25年

制冷額定負(fù)荷率使用時間＝24h/天x住房率x平均負(fù)荷系數(shù)x150天

＝24x70%x50%x150天＝1260(h/年·制冷)

供熱額定負(fù)荷率使用時間＝24h/天x住房率x平均負(fù)荷系數(shù)x60天

＝24x70%x50%x60天＝504(h/年·供熱)

（附注：制冷時間按每年5～10月確定，供熱時間按每年12～次年2月確定）

5中央空調(diào)方案比選

5.1各方案設(shè)備運行能耗、初投資、年運行費用分別見表1、2、3

各方案設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工況下額定電功率表1

項目耗電量(KW)方案1方案2

制冷機夏季(KW)624.0516．0

冬季(KW)593.0（采暖+制衛(wèi)生熱水）----

冷卻塔(KW)----22.0

冷卻水泵(KW)----60.0

冷凍水泵(KW)66.578.0

電鍋爐(KW)200.01000.0x2=2000.0

總計(KW)夏季890.51636.0

冬季859.52078.0

備注①備用泵能耗不計入本表。②含制衛(wèi)生熱水功耗

初投資費用比較表2

項目方案1方案2

電鍋爐(萬元)9.854.66

制冷主機購置費(萬元)436.3304

冷卻塔購置費(萬元)----19.3

冷卻水泵購置費(萬元)----4.86

冷凍水泵購置費(萬元)7.216.78

冷卻水系統(tǒng)閥門、管道、配件及電氣控件購置費(萬元)----5.0

項目方案1方案2

變壓器購置費(萬元)20.048.0

配電設(shè)備購置費(萬元)18.026.0

合計(萬元)491.31468.6

投資差額(萬元)(與方案①之差)0.0-22.71

備注①制冷主機皆采用原裝進(jìn)口產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)型②間接式電鍋爐采用國優(yōu)產(chǎn)品③水泵、冷卻塔(超低噪音型)采用國優(yōu)產(chǎn)品④變（干式）、配電設(shè)備采用國優(yōu)產(chǎn)品⑤方案①未計入換熱設(shè)備費用

年運行費用比較表3

項目方案1方案2

夏季制冷電費(萬元)51.3350.26

冬季供熱電費(萬元)19.6130.36

制衛(wèi)生熱水電費(萬元)13.34（270天）66.70（270天）

2部電價(萬元)500x2x10x12月=12.0800x3x10x12月=28.8

冷卻水系統(tǒng)耗水量(噸/年)----11340

冷卻水系統(tǒng)水費(萬元)----1.70

主機年折舊費(萬元)17.4510.14

值班與維護人員(萬元)2人x12月x450元/月5人x12月x450元/月

合計(萬元)114.81190.66

年運行費用差額(萬元)(與方案①之差)0.0+75.85

備注①衛(wèi)生熱水制取時間：5月~次年2月，按日平均用水量（72m3/天，初水溫10℃、終水溫60℃）來計算加熱用電費②2部電價根據(jù)電力局規(guī)定按12個月計③太陽能熱水由于其間斷性供應(yīng)特點，在此作為安全裕量考慮，不參與比較

6分析及結(jié)論

在本項目中，從初投資來看，方案①(風(fēng)冷熱泵熱回收制冷機組＋輔助電鍋爐)比方案②(水冷冷水制冷機組＋電鍋爐)高22.71萬元(約為方案②總投資的5%)。

從年運行費用來看，方案①比方案②低約76萬元(相當(dāng)于方案①年運行費用的66%、方案②年運行費用的40%)。從計算結(jié)果可以看到，若采用方案①，那么高于方案②的一次性初投資費用

在系統(tǒng)運行不到一年(約5個月)后就能收回成本（相較于方案②），這對依賴于旅游淡、旺季客流量的假日酒店的經(jīng)營成本尤為重要；所以，方案①可作為本項目首選推薦方案。