水水热泵热水系统在高端酒店中的应用研究

0 引言

截至2019年第四季度，我国星级饭店数量达到10 130家，其中四星级以上酒店2 856家。对于酒店生活热水系统，大多数采用热力、蒸汽锅炉、热水锅炉、热泵等作为主要热源。2010年以后随着相关政策推动，才逐步开始推广采用高效热泵替换传统热源，但大多以空气源热泵为主，而采用水源热泵的多利用湖泊、江河及地下水作为低温水热源，具有一定的局限性。近几年，公司逐步尝试采用水水热泵利用酒店空调系统的冷冻水和冷却水作为低温水热源制备生活热水，并取得了良好的效果。本文以广州某五星级酒店为例，通过合同能源管理方式对酒店热水系统进行了改造，对于新的热水系统如何充分利用酒店冷热平衡，如何时刻保持高效运行，下面将通过大量的数据分析和验证找到答案。

1 高端酒店生活热水热源现状

目前，中国星级饭店的热水热源形式主要包括市政热力（北方城市为主）、蒸汽锅炉、热水锅炉、热泵等形式，各形式生产单位热水成本见表1。

由表1可知，热泵是目前最为节能的热源形式之一，其中便包括水水（源）热泵。通过对上海近30家星级饭店调研进行综合能源审计，本文发现热水热源形式分布情况：采用传统蒸汽锅炉或热水锅炉作为热水热源的占72．41%，采用纯热泵机组作为热水热源的占20．69%，余下的6．9%则采用混合式热源（如采用热水锅炉+热泵+太阳能），由此可见，采用热泵替换传统热源设备仍具有巨大的空间和市场。

2 水水热泵热水系统定义

水水热泵作为水源热泵的一种，通过利用水环路将小型的水源热泵机组并联在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特点的热泵系统

。酒店的水水热泵热水系统则是以回收建筑物水循环环路中的余热来制备生活热水的系统，这里的水循环环路主要是指空调系统的冷冻水或者冷却水。在我国南方地区，高端酒店通常需要常年为客户提供制冷和生活热水需求，而因制冷产生的余热主要通过冷却塔散发至环境中。有研究表明，在夏季，约65%的能量是通过冷却塔散发至室外（见图1），冬季时，为满足部分宴会区域或者客房制冷需求，仍然需要开启制冷系统。综上，高端酒店具备利用自身余热作为热源生产生活热水的前提条件。

水水热泵热水系统工作原理（见图2)：夏季时，打开电动阀V3和V4同时关闭电动阀V1和V2，蒸发器接入空调冷却水管路，在制备生活热水的同时可以降低冷却水水温；冬季时，打开电动阀V1和V2同时关闭电动阀V3和V4，将蒸发器接入空调冷冻水管路，在制备生活热水的同时为酒店提供免费供冷。

首先，对于水水热泵来说，当蒸发器进水温度低到一定程度时，热泵的制热性能系数趋于稳定，通过分析，本文发现当蒸发器进水温度低于16℃，热泵COP基本保持稳定（见图6）。对于广州等南方地区来说，冬季时冷却水温度通常都维持在15℃以下，此时冷却水工况对热泵COP的提高有限。

3 两种低温水热源下热泵系统与空调系统能耗分析

水水热泵制热性能系数（COP）与多种因素有关，例如水流量、蒸发器供水温度、冷凝器出水温度等，青岛大学李帅通过建立能耗模型，研究热泵机组在不同工况下的制热性能系数，其结果表明在定流量工况下，蒸发器进水温度每增加1℃，热泵制热性能系数平均提高2．3%，冷凝器出水温度每下降1℃，热泵制热性能系数平均提高2．3%

。当蒸发器接入冷冻水时，蒸发器进水温度低，热泵COP低，但可以减少制冷机部分制冷电耗；当蒸发器接入冷却水时，蒸发器进水温度高，热泵COP高，此时冷却水温度下降亦会相应提高冷机效率。另外，根据开利水源热泵样本介绍，在制热工况下蒸发侧进水温度并不是越高越好，其建议低温热源水的温度范围为10～20℃，最低不低于7℃。在两种低温热源工况下，需要综合考虑热泵系统和空调系统能耗，然后判断哪种工况更节能，下面根据实际案例进行对比分析。

直线度误差是指被测实际要素对其理想直线的变动量[4]，本文选取激光测径仪所发射的激光帷幕边界为理想要素，通过x平移台带动塞规沿x方向平移，测量塞规在某位置处的轮廓最低点距理想要素的距离变化，计算出该条素线的直线度。对于直径在激光测径仪量程内塞规，当其处于工件坐标系z方向零点位置时，可以直接测量其轮廓最低点到激光光幕边界的距离，测量流程如下：

3.1 系统改造概况

如今，兼任了贵州省大数据产业发展应用研究院首任院长的梅宏，正不断壮大具有核心竞争力的大数据产业，推动着贵州大数据产业集群发展。

《治谱》代表了宋元以来官箴书的主要模式与类型，如果说它体现了晚明官箴书对宋元的继承性，那么以下三种类型官箴书则是晚明的创新与发展。

该五星级酒店位于广州市，空调系统采用四管制，全年有制冷需求，以冬季为例，平均每日供冷量约为16 000 kWh。生活热水则采用热水锅炉，平均每日提供热水热量约11 000 kWh。改造后，采用两台制热量为430 kW的螺杆式高温水水热泵+蓄热水箱替代原热水锅炉提供一次热媒水，基本满足了酒店全年热水需求。热泵蒸发器侧同时接入空调系统的冷冻水主干管和冷却水主干管，通过电动阀进行两种工况的切换，同时新增一个电动三通阀（图2阀门V8）根据蒸发器的进水温度自动调节开度，保证蒸发器的进水温度保持在设定值（此方案中设定为23℃，参考图6结果）。

3.2 热泵系统切换前后能耗变化

其次，制冷机对冷却水温度上下限均有一定要求，一般认为当冷却水温低于16℃时，就有可能影响冷机运行甚至导致制冷机无法正常开机。

在热泵出水设定温度不变的情况下，由冷冻水工况切换为冷却水工况后，最直观的变化是蒸发器进水温度提高（如图3)。冷冻水工况下，蒸发器平均进水温度为12．03℃，出水温度11．06℃，温差0．97℃；冷却水工况下，蒸发器平均进水温度25．53℃，出水温度24．01℃，温差1．52℃。进水温度的提高可以提高换热效率。

冷冻水工况时，热泵制热水的同时产生的冷量直接进入空调冷冻水。本次测试中，空调系统开启两台制冷机，平均冷冻水流量670 m

/h，制冷机冷冻水进、出水平均温差4．7℃，瞬时制冷量为3 684 kWh，热泵蒸发器侧流量91 m

/h，进、出水温差1．4℃，瞬时制冷量为150 kWh，热泵产冷量占总冷量需求的比例为150/（3 684-150)=1．4%，占比量很小。假设制冷机制冷系数为4．5，理论上，每天可以节约冷机耗电量约800 kWh。

蒸发器效率的提升减少了热泵运行时间，冷冻水工况下，部分时段两台热泵机组需要同时开机，而在冷却水工况下，一台机组即可满足制热需求（如图4)。根据记录，切换前单台热泵平均日运行时间27．1 h，切换后单台热泵平均日运行时间18 h，热泵开机时间足足减少了9．1 h。

3）热泵制热性能系数

对于热泵是否节能，主要看热泵的制热性能系数，通过安装的电表和能量计分别记录了切换前后的热泵日用电量和日产热量（见表2)。冷冻水工况下，日产热量5 670．7 kWh，日用电量2 172．7 kWh，平均COP为2．61，冷却水工况下，日产热量5 950．5 kWh，日用电量1 697．2 kWh，平均COP为3．51，COP提高了34．3%。

为了准确分析两种工况下热泵系统和空调系统的能耗变化，在4月份选取酒店业务量、天气情况相近的两天进行分析。

3.3 空调系统切换前后能耗变化

热泵系统蒸发器不管是接入冷冻水还是冷却水，通常情况下都可以减少空调系统能耗，比如冷冻水工况时，其产冷量可以减少制冷机的用电量，冷却水工况时，热泵产冷量导致冷却水温降低，两种工况下哪种更有利于空调系统节能，下面作进一步分析。

1）冷冻水工况下空调系统节电量

一是公众参与的专门立法层次仍然太低，系统性不够，难以支撑环境共治的社会需要。尽管公民和社会组织热心于给中央环境保护督察组反映情况，但只是短时间的现象，由于社会监督政府的环境行政公益诉讼制度没有确立，社会参与环境保护的积极性总体不足。在信息公开方面，各地虽然都公开了空气污染等环境信息，一些排名靠后的地方党委和政府压力大，但是舆论监督仍然以微信发牢骚等形式出现，处于无序状态。

2）热泵运行时间

其实，在追求文学艺术的漫漫过程中，就已经显示出自己的价值了，不用经过别人认同才能彰显。自我的价值不需第三者认证，我只在意自己的兴趣指数，其他都是次要的！

2）冷却水工况下空调系统节电量

冷却水工况时，经过热泵蒸发器的冷却水温下降了1．52℃（见图3)，此时制冷机冷却水的进水温度由切换前的28．7℃下降到了25．2℃（见图5）。据测算，冷却水温度每上升1℃，冷机的制冷效率下降约4%

，同理，在一定温度范围内，冷却水温度每上升1℃，保守认为冷机的制冷效率上升3%，假设冷机每天用电量7 800 kWh，则每天节电量约为819 kWh，如果考虑到冷却塔风机、冷却泵节约的电量，此时空调系统的日节电量将大于冷冻水工况。

3.4 冬季水水热泵热源的选择

通过以上分析可知，当热泵蒸发器接入冷却水工况时更加节能，但这种情况只针对于夏季，当冬季时（针对该地区酒店冬季时段定义为制冷负荷小，日平均环境温度小于17℃的月份），通过实际运行效果和相关数据分析可知，此时采用冷冻水工况反而更加合理和安全。

①[美]弗朗西斯·福山：《政治秩序的起源：从前人类时代到法国大革命》（毛俊杰译），广西师范大学出版社，2014，第 364 页。

1）蒸发器进出水温度

最后，冬季时酒店本身冷量需求较少，冷冻水出水温度能保持在16℃左右，即可满足部分客房的制冷需求，如果通过开启制冷机提供制冷，显然能源消耗较大。而如果将热泵蒸发侧接入冷冻水，就可以减少或者避免开启制冷机。

4 结束语

节能改造不单是指简单的节能设备替换，在本案例中，通过水水热泵替换锅炉提供生活热水，通过合理的设计和后期的精细管理，基本能够满足酒店全年的热水需求，与锅炉消耗大量天然气相比，采用热泵后，酒店的热水生产成本大大降低。但是，节能设备替换只是合同能源管理的第一步，如何保证节能设备和系统的稳定、高效运行，亦是整个合同能源管理中的重要一环，通过本次分析论证本文得出以下结论：

1）利用酒店空调系统冷冻水或冷却水作为低温热源的热泵热水系统，适用于全年有制冷需求，热水和制冷负荷稳定的高端酒店。

2）当夏季酒店制冷需求量大时，选择冷却水作为低温水热源，热泵蒸发器进水温度提高同时制冷机冷凝器进水温度下降，可以将热泵的制热效率提高34．3%，制冷机的制冷效率提高10%左右。

两组诊断结果依据腕关节不稳定情况、关节面压缩坍塌、关节面分离、关节面骨块3块以上、骨折伴下尺桡半脱位、桡骨缩短、尺偏角改变等检测项目[2]。

由此，随着中国经济转型的稳步向前，特别是中国国家电网公司电力技术的质量和性能领先所有国家，我们将大范围的越来越多地采用特高压这一新型技术，也逐步成为各国使用的技术。这一冠绝全球的特高压技术推向全球，以较低的成本让更多的人享受美好生活的技术，满足人民未来美好生活需要，促进人类命运共同体建设。

3）当冬季酒店冷负荷相对较少时，选择冷冻水作为低温水热源，既避免了因接入冷却水导致冷却水温过低影响冷机运行，又可以减少制冷机开启时间。

以上研究成果在多个水水热泵热水系统改造中得到了广泛应用，并取得了较好的节能效果。随着水源热泵技术的不断提升，运维经验的不断积累，相信在以后的建筑节能改造中，热泵技术将会得到更大的推广和应用。

［1］陆亚俊，马最亮，邹平华.暖通空调［M］.中国建筑工业出版社，2017.

［2］李帅.水源热泵系统运行调控与能耗优化［D］.青岛：青岛大学，2015:34-37.

［3］佟萌.关于冷却水及冷冻水温对制冷机效率影响的研究［J］.北京，2016，5（2）.