朱海明

(约克(中国)商贸有限公司广州分公司,广东广州510067)

引言

节约能源是我国的基本国策。根据2010年7月1日起实施的 《广东省节约能源条例》第四十条第一款规定,鼓励推广余热、余气、沼气、余压、垃圾、生物质能、煤矸石、油母页岩等资源综合利用发电技术。酒店的热回收和热泵应用日趋广泛,相对于锅炉、电加热等传统方式,热泵或热回收能够极大地节约能源。目前使用空调原理来制取生活热水主要包括如下几种方式:1)空气源热泵直接制取生活热水[1]。2)水源热泵在制冷的同时制取生活热水[2]。3)空调冷水机组的显热热回收[3]。4)空调冷水机组的全热热回收或部分热回收[4]。5)空调冷却水热回收[5]。

1 项目概述

某宾馆作为广东省监管商贸酒店重点用能单位,十二五期间需要完成18%的节能指标。目前该宾馆使用5台冷水机组制冷,其中包括2台600RT水冷离心式冷水机组,1台550RT水冷螺杆式冷水机组以及2台450RT溴化锂吸收式冷水机组。其中冷水机组使用年限均已经超过20年,机组所使用的制冷剂已经停产,日常维护费用较高。宾馆生活热水由市政蒸汽加热制取,为了减少蒸汽耗量,计划通过更换一台制冷量为600RT热水空调机组的方式,采用热回收或热泵运行方式来制取宾馆用的生活热水。目前宾馆的高峰日生活热水用量为120m3。由于工程限制,天面仅允许增加50m3的生活热水水箱,当热水量供应不足时,采用蒸汽补充加热热水方式进行生活热水的制取。本方案通过对显热热回收、全热热回收、热泵热水机组进行综合对比分析,从经济性、节能型方面进行综合论述。这里方案1指的是显热热回收制取生活热水方案,方案2指的是全热热回收制取生活热水方案,方案3指的是空气源热泵制取生活热水方案。

2 经济性分析

根据给排水设计规范[6],高峰日用水量计算如下:

式中:

Vh—高峰小时用水量,L;

Kh—高峰小时用水量系数,根据规范取4.58;

Vt—全天总热水用量,L;

n—热水使用时间,小时

计算得到高峰小时用水量为22.9L,这里为了保守计算,假设全天用水集中在19∶00～22∶00四个小时内用完,那么每个小时耗水量为30m3。

2.1 热回收计算

显热热回收的计算根据某厂家的数据,按照13%冷凝热的显热回收量进行计算,由于热回收的热量与空调负荷有关,这里根据设计规范给出空调设计日冷负荷的分布曲线如图1所示,根据实际运行情况按照最热月开启2台600RT离心机组作为设计负荷,为简化计算模型,在75%,50%,25%负荷率时空调负荷根据设计日负荷成等比例变化,空调运行天数按照ARI标准的计算系数分布如表1所示。

图1 设计日空调全天逐时负荷分布图

表1 空调全年运行天数分布

热回收热量按照式 (2)进行计算:

Qh=Qc×η×3.516×(1+1/COP)(2)

式中:

Qh—热回收热量,kW;

Qc—冷负荷,RT,由于仅1台进行热回收,

当Qc＞600时,取Qc=600进行计算;

η—热回收比率,这里显热热回收 COP为0.13,全热回收为1;

COP—制冷量与功率之比。这里显热热回收的COP为5.12,全热热回收为3.86。

小时热回收热水量按照式 (3)进行计算:

式中:

V—小时热回收热水量,L;

Qh—热回收热量,kW;

△t—水从常温加热到生活热水温度的温差,这里按照15℃加热到55℃,温差为40℃。

显热热回收和全热热回收计算结果如图2及图3所示,这里选取100%负荷率时制取的生活热水量进行对比,其他负荷率时计算分析相同。

从图2可以看到,在使用显热热回收制取生活热水时,由于制取量较少,到晚上开始大量使用生活热水时,生活热水水箱中已经储满50m3热水,在高峰用水时,由于小时补充水量较少,38m3热水均需要蒸汽补充加热。

从图3可以看到,在使用全热热回收制取生活热水时,由于制取量较多,仅需在1小时内即可制取50m生活热水充满水箱,在高峰期不需要补充蒸汽生产的热水。由于全热回收时热水温度的升高,使得机组效率降低,这里根据厂家数据3.86计算全热回收需要增加的电费。

最终两种热回收方案运行费用计算结果如表2所示,其中1吨蒸汽可以生产的55℃热水量可以按照式 (4)、(5)计算。蒸汽采用蒸汽换热器进行换热加热生活热水,蒸汽价格为200元/吨,电价为1元/kWh。显热热回收全年运行费用节省22.73万元,而全热热回收全年运行费用节省31.82万元。

式中:

M—生产1kg的热水所耗用蒸汽量,吨;

ht1—194℃市政饱和蒸汽的焓值,2788kJ/kg;

ht2—市政蒸汽加热热水凝结后凝结水的焓值,这里凝结水的温度为60℃,251kJ/kg;

ht3—15℃自来水焓值,69kJ/kg;

ht4—55℃生活热水焓值,235kJ/kg

表2 显热回收和全热回收全年运行费用分析

图4 空气源热泵热水机组全年运行分析

2.2 空气源热泵制取生活热水计算

当采用空气源热泵制取生活热水时,其控制目标为水箱中的水位和水温,与空调冷负荷无关,因此,在选取机组时,仅与热水需求有关。机组产水率的大小可以根据负荷需求情况进行迭代计算,计算目标以无需蒸汽补充加热为依据,为方便日后将热泵用于夜间 (23∶00～6∶00)供冷需求,这里将热泵制取热水的运行时间定为9小时。其中机组产水率为10m3/h,机组的制热量为465kW,热泵机组COP根据厂家数据选取为3.2。最终计算结果如图4所示,由于水箱大小的限制,在高峰期仍需要蒸汽补充加热热水共30m3。

热泵热水机组的全年运行分析如表3所示,可以看到如采用热泵热水机组制取热水,虽然可以节省蒸汽用量但是并未节省运行费用,这是由于空气源COP较低造成的,这里采用冬季制热水工况机组COP进行计算,在一定程度上增加了机组的运行电费。

表3 空气源热泵热水机组全年制取热水

3 综合分析

根据上述3个方案的分析,对其经济性和机组投资分析如表4所示,可以看到,采用显热热回收方式投资回收期为5.4年,采用全热回收方式其投资回收期为4.0年,而采用热泵热水机组+单冷冷水机组方式增加了年运行费用。在本方案中,由于水箱容量及热回收机组台数的限制,使得其在高峰期减少了蒸汽补充量。因而优势较为明显,从节能角度来看,本项目中推荐使用全热回收。由于蒸汽价格在一定时期内是变化的,这里对不同蒸汽价格时的空气源热泵相对于蒸汽加热热水的经济性进行比较,如表5所示,可见,仅当蒸汽价格为320元/吨时,其节省运行费用与显热热回收相当,当蒸汽价格为360元/吨时,其节省运行费用与全热回收相当。而单从空气源热泵与蒸汽加热热水进行经济性对比时,只有当蒸汽价格为240元/吨时,空气源热泵在运行费用上的经济性才能得到体现。

表4 3种热水方案综合投资回收分析

表5 不同蒸汽价格下空气源热泵与蒸汽全年运行费用对比

4 结论

根据上述分析,可以得到如下结论:

(1)采用单台600RT螺杆式冷水机组显热热回收可以减少运行费用22.7万元,其初投资为122万元,投资回收期为5.4年;采用单台600RT螺杆式冷水机组全热热回收可以减少运行费用31.8万元,初投资为128万元,投资回收期为4年;采用单台120RT空气源热泵热水机组+500RT离心式冷水机组增加了运行费用,初投资为177万元。

(2)显热热回收可以在不影响主机制冷性能的情况下进行热回收,其热回收量在本方案可以满足大部分的热水需求,在有备用辅助热源或可实施多台显热回收的情况下,可建议酒店使用显热热回收。

(3)全热热回收可以较大程度回收空调冷凝热,在本方案中,由于水箱容量及热回收机组台数的限制,使得其在高峰期减少了蒸汽补充量。因而优势较为明显,从节能角度来看,本项目中推荐使用全热回收。

(4)当蒸汽价格为200元/吨时,相对于使用蒸汽加热生活热水,采用空气源热泵热水机组来制取热水并不能节省运行费用。在本项目中不推荐使用。只有当蒸汽价格为240元/吨时,空气源热泵在运行费用上的经济性才能得到体现。

[1]林小茁,倪龙,江辉民等.公共建筑用空气源热泵热水机组初探[J].建筑科学,2009,(2):55-59

[2]唐琦.桂林某酒店河水源热泵及生活热水系统设计[J].制冷与空调,2010,(4):56-60

[3]郑就.冷水机组的显热热回收计算及效益分析[J].制冷与空调,2008,(1):163-165

[4]林晓丽.全热回收型冷水机组的应用[J].暖通空调,2011,(5):67-71

[5]王瑞滨,马丽.以空调冷却水为热源的热泵机组制备生活热水的设计介绍[J].给水排水,2010,(2):87-89

[6]GB 50015—2003建筑给水排水设计规范[S].