利用熱泵技術(shù)改造熱帶或亞熱帶地區(qū)賓館的熱水供應(yīng)系統(tǒng)

利用熱泵技術(shù)改造熱帶或亞熱帶地區(qū)賓館的熱水供應(yīng)系統(tǒng)摘要：熱帶和亞熱帶地區(qū)賓館中空調(diào)用冷量和熱水供應(yīng)量是相當(dāng)大的。通常情況下，空調(diào)和熱水供應(yīng)是由兩個(gè)獨(dú)立的冷熱源如冷水機(jī)組和燃油、氣鍋爐等來(lái)供應(yīng)的。這將使得冷凝熱、CO2、SO2、NOx、粉塵等的排放量增加，從而導(dǎo)致能源利用效率的降低和環(huán)境的破壞。本文介紹如何利用熱泵技術(shù)改造熱帶或亞熱帶地區(qū)賓館現(xiàn)有的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。首先比較賓館的熱水供應(yīng)負(fù)荷曲線和冷負(fù)荷曲線，確定日冷負(fù)荷是否滿足熱水供應(yīng)；其次通過(guò)熱泵供熱負(fù)荷隨出水溫度的變化特點(diǎn)及供應(yīng)熱水的衛(wèi)生要求，確定最佳的貯水溫度；通過(guò)負(fù)荷曲線的比較確定貯水罐的大小、個(gè)數(shù)。給出利用水-水熱泵、空氣-水熱泵改造現(xiàn)存熱水供應(yīng)系統(tǒng)的原理圖，探討了熱泵機(jī)組、現(xiàn)存冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組和熱水供應(yīng)系統(tǒng)及之間的相互關(guān)系，給出合理的控制方案，從而保證機(jī)組高效運(yùn)行和系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵字：水-水熱泵空氣-水熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)1前言眾所周知，熱帶和亞熱帶地區(qū)賓館中空調(diào)用冷量和熱水供應(yīng)量是相當(dāng)大的。通常情況下，空調(diào)和熱水供應(yīng)是由兩個(gè)獨(dú)立的冷熱源如冷水機(jī)組和燃油、氣鍋爐等來(lái)供應(yīng)的。這將使得冷凝熱、CO2、SO2、NOx、粉塵等的排放量增加，從而導(dǎo)致能源利用效率的降低和環(huán)境的破壞[1，2，3]。因此，在已經(jīng)運(yùn)行多年的賓館冷水機(jī)組更換及熱水系統(tǒng)的改造中，如何將制冷和熱水供應(yīng)綜合考慮，降低能耗和減少對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)空調(diào)和熱水供應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展，是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。這就為利用熱泵技術(shù)改造現(xiàn)存的賓館熱水供應(yīng)系統(tǒng)提供了可能性。由于利用熱泵技術(shù)在生產(chǎn)熱水的同時(shí)，可免費(fèi)為空調(diào)系統(tǒng)提供冷水，反之亦然。因此，整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率將大大提高。由于熱帶和亞熱帶地區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)幾乎全年運(yùn)行，因此，該系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大。為此，本文主要討論在不用輔助加熱系統(tǒng)的情況下，利用熱泵技術(shù)改造現(xiàn)有賓館熱水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)幾個(gè)重要問(wèn)題。首先比較賓館的熱水供應(yīng)負(fù)荷曲線和冷負(fù)荷曲線，判斷是否有足夠的空調(diào)冷負(fù)荷作為低位熱源用來(lái)加熱熱水；其次通過(guò)熱泵供熱負(fù)荷隨出水溫度的變化特點(diǎn)及供應(yīng)熱水的衛(wèi)生要求，確定最佳的貯水溫度；通過(guò)負(fù)荷曲線的比較確定貯水罐的大小、個(gè)數(shù)。給出利用水-水熱泵、空氣-水熱泵改造現(xiàn)存熱水供應(yīng)系統(tǒng)的原理圖，探討熱泵機(jī)組、現(xiàn)存冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組和熱水供應(yīng)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，并給出合理的控制方案，從而保證機(jī)組高效運(yùn)行和系統(tǒng)的可靠性。2可用熱量的檢驗(yàn)

利用熱泵技術(shù)改造賓館現(xiàn)有的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，首要的任務(wù)就是檢驗(yàn)賓館中是否有足夠的空調(diào)冷負(fù)荷作為低位熱源用來(lái)加熱熱水。如果熱量不夠，就要考慮其它輔助熱源如電鍋爐等。通過(guò)對(duì)比樓宇管理系統(tǒng)或樓宇運(yùn)行管理人員所記錄的空調(diào)冷負(fù)荷數(shù)據(jù)和熱水供應(yīng)熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，這種檢驗(yàn)很容易完成。我們將采用香港某賓館的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)展示這種檢驗(yàn)方法。該賓館為香港一五星級(jí)酒店，由兩臺(tái)5噸7000kPa的蒸汽爐和4臺(tái)6.8m3容積式熱水加熱器組成一套中央熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源，向用水點(diǎn)提供60°C的熱水。該酒店采用中央空調(diào)系統(tǒng)?；谫e館本身性質(zhì)和亞熱帶的氣候特點(diǎn)，空調(diào)和熱水供應(yīng)全年每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行。圖1給出了賓館每月27日這一天的熱水供應(yīng)負(fù)荷和空調(diào)冷負(fù)荷的變化情況，從圖中可以看出每天總的冷負(fù)荷全部大于當(dāng)日總的熱水供應(yīng)熱負(fù)荷。但是，這并不能保證每小時(shí)的冷負(fù)荷可以滿足熱水供應(yīng)熱負(fù)荷的需求。為此，我們將選擇一年中最冷的二月日負(fù)荷情況再做進(jìn)一步的分析。對(duì)二月份以小時(shí)為間隔紀(jì)錄的熱水供應(yīng)負(fù)荷和空調(diào)冷負(fù)荷的詳細(xì)分析表明，一天中有幾個(gè)小時(shí)的熱水供應(yīng)負(fù)荷大于空調(diào)冷負(fù)荷，這種情況通常發(fā)生在半夜。作為例子，圖2給出了二月份典型日的以小時(shí)為間隔紀(jì)錄的熱水供應(yīng)負(fù)荷和空調(diào)冷負(fù)荷的對(duì)比情況。圖中顯示熱水供應(yīng)負(fù)荷在全天24小時(shí)內(nèi)波動(dòng)較大，峰值950kW，低谷值50kW，而空調(diào)冷負(fù)荷僅在500kW和620kW之間小范圍內(nèi)波動(dòng)。峰值熱水供應(yīng)負(fù)荷950kW出現(xiàn)在半夜，從凌晨1：00到5：00，由于賓館旅客入睡，熱水供應(yīng)負(fù)荷逐漸少，在黎明時(shí)分降到100kW，此后時(shí)間內(nèi)，熱水供應(yīng)負(fù)荷在300kW和600kW之間徘徊。從圖2可以看出，除23點(diǎn)和1點(diǎn)之外，空調(diào)負(fù)荷均大于熱水供應(yīng)負(fù)荷。這表明除2個(gè)峰值之外，從空調(diào)負(fù)荷中回收的熱量可以滿足熱水供應(yīng)的要求。由于熱泵容量的確定是以平均負(fù)荷為基礎(chǔ)，而不是峰值負(fù)荷，因此，必須利用熱水貯存罐來(lái)解決熱水供應(yīng)負(fù)荷和空調(diào)冷負(fù)荷不匹配的特性。在改造熱水系統(tǒng)過(guò)程中，原有的熱水貯水罐是可以利用的，主要是要考慮其尺寸是否夠用。通常來(lái)講，貯水罐容積越大越好，然而造價(jià)和空間卻限制了尺寸無(wú)限擴(kuò)大。一般來(lái)講，貯水罐的容積應(yīng)該等于任意峰值負(fù)荷時(shí)的最大供水量。在這種情況下，貯水罐的容積不僅能夠滿足峰值需要，而且，還應(yīng)滿足空調(diào)負(fù)荷較少的小時(shí)之間累積的熱水供應(yīng)量的需要。在圖2所示的熱水供應(yīng)負(fù)荷條件下，如果熱水貯存罐足夠大，則在半夜峰值熱負(fù)荷到來(lái)之間，熱泵將能夠產(chǎn)生足夠的熱水滿足其需要。3系統(tǒng)改造的方案目前，常用的熱水供應(yīng)形式有集中熱水供應(yīng)和局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)兩種，前者是利用中央熱源加熱熱水后再送往各個(gè)用水點(diǎn)，后者是在用水點(diǎn)自行生產(chǎn)熱水。通常情況下，大多數(shù)賓館熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用集中形式，這是由于熱水供應(yīng)系統(tǒng)所具有的熱水貯水罐可以滿足系統(tǒng)的峰值熱水需求。實(shí)際應(yīng)用中，賓館熱水供應(yīng)系統(tǒng)最好兩種熱水供應(yīng)形式結(jié)合使用。在利用熱泵技術(shù)改造現(xiàn)有賓館熱水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，水-水熱泵和空氣-水熱泵均可以利用，下面分別加以介紹。3．1水-水熱泵熱水供應(yīng)原理在賓館中，水-水熱泵適合于集中供應(yīng)洗浴熱水和空調(diào)用冷水。其節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)境保護(hù)效益是巨大的，因?yàn)?，冷水可以看作生產(chǎn)熱水的副產(chǎn)品，反之亦然。圖3給出了某水-水熱泵的運(yùn)行特征圖。從中可以看出，隨著熱水出水溫度的升高，機(jī)組的制熱量、制冷量、制熱COP和制冷COP都逐漸減小。例如，當(dāng)熱水出水溫度為35℃時(shí)，其制熱量、制熱COP和制冷COP分別為36.4kW、3.3和2.3，然而當(dāng)熱水出水溫度為65℃時(shí)，他們分別減少到11.9kW、1.1和0.07。這說(shuō)明在這種出水溫度下，熱泵相當(dāng)于電加熱器在運(yùn)行，它的制冷效果基本可以忽略。由此看來(lái)，熱水貯水罐的貯水溫度是影響熱泵運(yùn)行效率的重要參數(shù)。理想情況下，熱水溫度最好保持在40℃左右，這樣可滿足人們洗浴時(shí)直接用水。然而從衛(wèi)生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，貯存水的溫度不能低于55℃，考慮到允許從熱水貯存罐到用水點(diǎn)5℃的溫差，因此，熱水貯水溫度可以保持在60℃，從而既滿足衛(wèi)生要求又能使系統(tǒng)高效運(yùn)行。圖4給出了水-水熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)的原理圖，從中可以看出，當(dāng)熱泵運(yùn)行時(shí)，12℃的空調(diào)回水先進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行預(yù)冷，然后再回到冷水機(jī)組，因此，冷水機(jī)組消耗的電量可以減少。另一方面，由熱水循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，熱水循環(huán)通過(guò)熱泵冷凝器，每一次循環(huán)使得水溫增加5℃。在這樣的過(guò)程中，隨著出水溫度的提高，免費(fèi)冷量逐漸減少，因此，冷水機(jī)組需要根據(jù)入口冷水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)貯存罐中的熱水溫度達(dá)到60℃時(shí)，熱泵則停止運(yùn)行，此時(shí)，空調(diào)冷量完全由冷水機(jī)組供應(yīng)。盡管如此，由于系統(tǒng)可以從熱泵熱水制備中獲得免費(fèi)冷量，從而使得冷水機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用大大降低；如果空調(diào)冷負(fù)荷和熱水供應(yīng)熱負(fù)荷相當(dāng)，且二者出現(xiàn)時(shí)間相同，使得熱泵可以連續(xù)運(yùn)行的話，主制冷機(jī)安裝容量則可以減少。圖3制冷量、制熱量、制冷COP、制熱COP隨熱水出水溫度的變化（空調(diào)回水12℃）圖4利用水-水熱泵改造方案原理圖3．2空氣-水熱泵熱水供應(yīng)原理與水-水熱泵相比，空氣-水熱泵更適合于賓館建筑某一局部位置的熱水供應(yīng)。如圖5所示，空氣-水熱泵不是用來(lái)預(yù)冷空調(diào)回水，而是直接用來(lái)預(yù)冷新風(fēng)，蒸發(fā)器可以放在新風(fēng)機(jī)組新風(fēng)入口的前面，在賓館建筑新風(fēng)負(fù)荷相當(dāng)大的情況下，設(shè)有很多新風(fēng)機(jī)組，每個(gè)可以負(fù)擔(dān)一層或幾層。因此，可以利用空氣-水熱泵機(jī)組進(jìn)行局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)的改造，使得每個(gè)熱水系統(tǒng)負(fù)責(zé)一層或幾層客房或廚房等。其熱水貯水罐的容量可以參照前述方法，系統(tǒng)的控制見(jiàn)圖5。圾圖越5踐笨利用空姨氣裳-叢水熱泵改造方腔案原理圖4結(jié)束語(yǔ)雨利用熱泵技術(shù)涂改造熱帶或亞醒熱帶地區(qū)賓館選建筑熱水供應(yīng)呆系統(tǒng)時(shí)，空遣氣嚇-金水熱泵和朵水掉-嚼水熱泵都是很討好的選擇。其查實(shí)質(zhì)就是要檢脖驗(yàn)賓館的空調(diào)疤冷負(fù)荷和熱水協(xié)供傻應(yīng)熱負(fù)荷，以折確保有足夠的沸低位熱量用來(lái)漂加熱熱水，因妨此，樓宇管理?xiàng)澫到y(tǒng)所記錄的偶運(yùn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)刻是非常有價(jià)值爭(zhēng)的。此外，由悲于熱泵可以同易時(shí)制冷和制熱創(chuàng)，改造后的系對(duì)統(tǒng)不僅能夠提雨高運(yùn)行效率、辦降低運(yùn)行費(fèi)，形減少對(duì)環(huán)境的溉污染，而且有羊可能降低冷水深機(jī)組的裝機(jī)容迷量，具有極其舒重要的經(jīng)濟(jì)效兆益和社會(huì)效益肝。腳值得注意的是鄉(xiāng)，本文所講的小利用熱泵技術(shù)萌改造的熱水系冶統(tǒng)排除了利用六傳統(tǒng)的輔助熱梨源。但當(dāng)系統(tǒng)糞中需要的熱水選溫度過(guò)高或熱估水負(fù)荷比冷負(fù)游荷大的太多或帝峰值熱水供應(yīng)愿負(fù)荷過(guò)大、熱互水貯存裝置不燕能滿足時(shí)，熱塔泵可以用來(lái)預(yù)捷熱傳統(tǒng)燃煤鍋艙爐或電鍋爐的虛給水，這樣的冰系統(tǒng)仍能節(jié)省啦大量的運(yùn)行費(fèi)鳴用。參考文獻(xiàn)發(fā)[1]De打ngSM.姑Energ授yand誘Buildi咽ngs,2五003,35鹿(8):創(chuàng)77欣5壇～猛784運(yùn)[2]De軍ngSM,偽Burne