青岛中德生态园生活热水系统空气源热泵改造

张晓航 王 勇 王 锴 詹 峰 / ZHANG Xiaohang, WANG Yong, WANG Kai, ZHAN Feng

NACHRöSTUNG DER LUFTQUELLEN-RMEPUMPE DES WARMWASSERSYSTEMS IM DEUTSCHCHINESISCHENKOPARK

AIR SOURCE HEAT PUMP TRANSFORMATION OF DOMESTIC HOTWATER SYSTEM IN QINGDAO SINOGERMAN ECOPARK

1 引言

空气源热泵作为低碳能源技术，已非常成熟并被广泛推广应用。根据北方部分地区煤改电项目的测算数据，热风型与热水型空气源热泵设备的投资费用分别约为120元/m2和270元/m2，供暖季的运行费用约为35元/m2，青岛地区市政供热配套费用为95元/m2，城镇居民采暖费用为30元/m2。市政配套属于建筑项目的终身投资，且热泵机组运行12年后需要淘汰，若选用热泵只进行冬季采暖并不经济。因此，研究全年运行热源设备的经济性和技术性，有助于热泵等新型低碳能源在有特殊供热需求以及没有市政供热配套设施的项目中推广使用。

2 空气源热泵的经济性与技术性评价方法

2.1 增量投资收益率经济性评价

增量投资成本是增量投资带来的经营成本节约与增量投资之比，可以对各种能源设备进行全面的经济性评价。新型低碳能源种类繁多，各种能源使用方案在一次投资成本和设备运营成本方面各有优劣，本文引入增量投资收益率分析的方法（曲建国，1990），对各方案进行客观的经济性分析。

现设CA、CB、CC分别为方案A、B、C的设备一次性投资费用，YA、YB、YC分别为方案A、B、C的运营费用，R1与R2分别为方案A、B和方案A、C的增量投资收益率，计算公式为：

假设R1>R2，则方案B的经济性优于方案C。

2.2 □效率技术性评价

□（Exergy）代表热力系工质的可用能，□效率是收益□与支付□的比值，用来评价能源品质的参数。通过□效率的计算，可以确定能量转换的效果和有效利用程度，进而可以对新型低碳能源设备能源转化的效果和质量进行量化分析。

□效率计算公式为（廉乐明，2007）：

由□效率计算公式可以推导出部分能源设备□效率计算公式（胡亚范 等，2009）。

（1）空气源热泵□效率计算公式：

式中：QH为热泵供出热量；QL为热泵从低温热源获得的热量；m为热泵供出和获得侧的水流量，kg/s；C为水的比热，J/（kg·℃）；T0为基准温度；下标1、2代表进、出水；H、L分别代表高、低温热源。

（2）锅炉□效率计算公式：

式中：m为锅炉加热热水流量，kg/s；ex1为1温度下热水的□值；ex2为2温度下热水的□值；Gf为燃料的质量；exf为燃料的□值。

3 案例分析

青岛中德生态园某酒店是一座涉外三星级标准的酒店，生活热水需全天24h不间断供用，以满足客人的使用需求。原设计中生活热水以太阳能供热为主热源，以燃气发电机为辅助热源，热源热量经过半容积式换热器与自来水换热供给用户，运行策略如图1所示。为实现能源梯级利用，燃气发电机在夏季采用冷热电三联产运行模式，但由于供热企业不同意参照青岛地区供热指导价82.6元/GJ作为生活热水热价，要求按照供热企业内部测算的240元/GJ作为供热价格，导致酒店的供热成本仍居高不下。因此，若继续采用市政供热，酒店需负担较高的供热成本，在此种情况下，酒店考虑新建一套辅助热源以满足运营需求。

图1 酒店原生活热水系统原理示意

3.1 供热方式

酒店生活热水新建辅助热源可选择小功率燃气锅炉、电锅炉和空气源热泵等装置，下文将对3种能源装置的技术性与经济性进行对比分析。

根据酒店规模及星级标准，经计算，酒店生活热水用水量最高时，热源供热功率需达到400kW。由于供热负荷需求的限制，需选用小型燃气锅炉，因此无法实现汽轮发电机组配套，不能实现热电联产，能源利用率低。依据燃气锅炉房设计规范要求（住房和城乡建设部工程质量安全监管司 等，2009），燃气锅炉房宜为地上式结构，因此需增建专用的锅炉房建筑，并配备完善的燃气报警及强排风系统，以保证运营的绝对安全。如果采用燃气锅炉，还需新增燃气源，敷设锅炉专用燃气管道。以上新增的系统设备会增加酒店的一次投资成本。

电锅炉结构简单，设备一次性购置费用低，加热速度快。但电锅炉的工作原理是通过电阻直接将电能转换为低质量热能，□效率低，会造成高质量能源的极大浪费。而且电锅炉设备用电负荷高，改造设计应考虑现有建筑供电余量是否能满足设备运行的需要。

空气源热泵机组是一种高效节能产品，设备技术成熟、安装方便、使用安全、用电负荷低、产热效率高。热泵运行换热效率受室外空气温度影响较大，以某空气源热泵设备参数为例，当室外温度高于15℃时，热泵设备能效比（Coefficient of Performance，COP）达4.0以上，当室外温度低于-15℃时，COP值仅为2.0（图2）。查阅相关设计资料发现，青岛地区属于温带海洋性气候，冬季室外设计温度为-6℃，除个别极寒天气外，热泵设备COP值均可达3.0以上，换热效率较高。另外，参阅国内热泵产品的相关介绍，在未开启电辅助加热情况下，设备最高加热温度为59℃，平时运行温度为50～55℃；根据酒店规定，用户侧出水温度需达到40℃以上，方可满足客户使用需求。

本文以青岛市能源单价及该项目给排水设计计算书作为基础数据，假设空气源热泵全年运行的COP平均值为3.5，供热成本仅包含燃料费用，不计算其他费用，辅助热源年运行负荷和设备一次性投资为估值，投资回收期以供热企业提出的供热单价为基础，比较各能源运行方案。增量投资收益率参照公式1、2，以电锅炉为方案A，以空气源热泵和燃气锅炉分别为方案B和方案C，计算两组增量投资收益率R1、R2，并进行经济性分析（表1）。

对比发现，电锅炉无法实现投资回收，经济性最差；空气源热泵与燃气锅炉的投资回收期接近，但空气源热泵的运行费用仅为燃气锅炉的60%，且其增量投资收益率大于燃气锅炉。通过以上分析发现，空气源热泵在经济性方面最佳。

设定设备供热进、出水温度分别为45℃和55℃，一次网热水循环水流量为40m3/ h，参照公式3、4、5计算电锅炉、空气源热泵和燃气锅炉的□效率，并进行技术性分析（表2）。

对比发现，空气源热泵的□效率最高，说明其能量转换的效果和有效利用程度最高。与其他能源设备相比，空气源热泵可节约大量的高质量能源，无论是在节能总量还是在节能品质方面，将其作为热源都优于其他供热方式。

图2 某空气源热泵COP值随环境温度变化曲线

图3 空气源热泵一次网水系统原理

表1 某酒店项目各能源设备经济性对比

表2 某酒店项目各能源设备.效率技术性对比

3.2 设计技术

为了降低一次性投资成本，原热水系统的管线、设备均予以保留，仅在市政热源的供回水主管选取两处安装三通，通过阀门的切换将市政辅助热源转换为空气源热泵辅助热源。空气源热泵系统作为独立的一次网热水循环管路，通过热水循环泵加压，高温热水（55℃）与二次网冷水（15℃）在半容积式换热器中换热，将冷水加热至43℃后供用户使用。根据酒店规模及星级标准，经过计算，生活热水温度最高时热源供热功率为400kW，选择4台80kW的热泵机组作为热源。一次网热水系统安装4T容量的保温水箱，保证用水高峰时刻的热水供用量；正常用水状况下，热泵机组交替间歇运行，以延长机组使用寿命。为保证一次网热水水质，热泵设备补水处设置软化水设备。

空气源热泵一般安装在通风良好的位置，热泵风扇上部3m内无障碍物，以保证空气对流换热效率。冬季运行时，空气源热泵会根据运行情况自动开启保护模式，换热盘管进入“化霜”状态，产生大量的冷凝水，因此机组附近需要有良好的排水设施。空气源热泵系统还应考虑原有设备管线排布、设备荷载、配电电源的距离等因素，经原设计人员、业主、设备厂家、酒店管理人员等现场查看，共同确认将酒店负一层地下车库作为设备安装位置。

生活热水系统原理如图3所示，系统图纸完成后，由热泵厂家对平面布置图纸、管线图纸、电气自控图纸进行深化设计。改造施工图需经原设计审核，以确认方案切实可行，经业主批准后，方可按图施工。

图4 设备机组安装就位

图5 设备机组群控面板

3.3 施工技术

设备基础设有减震装置，以减少机组运行震动对基础、管道的影响（图4）。为了减少管道腐蚀锈渍对水质的影响，一次网管路采用镀锌钢管，并采用卡压连接方式，提高施工速度。

管路保温采用橡塑材料，整洁美观且便于施工。现场施工应特别注意冷凝水管道坡度的敷设要求，确保热泵的积水盘在负压状态下不积水。经现场确认，原配电室变压器电源余量达600kW后，酒店可与供电公司联系安装电表、电气开关事宜，以解决设备新增用电负荷的问题。

3.4 设备运营

一次网保温水箱内设置温度传感器与设备机组群控面板连接（图5），酒店管理方可根据热水使用情况设置设备启停温度。当罐内水温低于48℃时，机组设备开启运行；当罐内水温达到55℃时，机组设备进入休眠状态。

该改造项目完工后，经过近10个月的运营，经酒店管理方反映生活热水系统运营状况良好。设备在春、夏、秋三季每月运行的耗电量约1500kWh，冬季每月约2500kWh，与采用市政热源作为辅助热源相比，具备良好的经济效益。

4 结语

通过投资回收期、增量投资收益率和□效率的计算分析发现，与其他能源设备相比，空气源热泵系统的经济性和技术性最好，与太阳能热水系统联合运行，将取得良好的节能效益与经济效益。

另外，在进行设备改造时，应该以原有的图纸设计、现有的设备安装情况为基础，尽量利用原有设备管线，降低不必要的投资，通过不断优化，最终确认最优的改造方案。

[1] 曲建国. 增量投资收益率法在多方案选优决策中的应用[J]. 吉林大学学报( 工学版 ), 1990(01).

[2] 廉乐明, 等. 工程热力学 ( 第五版 ) [M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007.

[3] 胡亚范, 谈宏莹, 张永贵. 热泵供热系统的□评价方法[J]. 建筑科学, 2009,25(10).

[4] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司, 中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施[M]. 北京: 中国计划出版社, 2009.