关键词：节能，热泵，锅炉系统，改造方案
The research of the reconstruction scheme about boiler system replaced by heat pump
Cui Hao
State Grid Shanghai fengxian power supply company 201400
Abstract: The traditional boiler system of a certain hotel in Shanghai was replaced by the heat recovery air cooled heat pump system, which was used as instance to research the specific energy conservation evaluation. Firstly, the weaknesses of the scheme using boiler to support the heat water were analyzed. Then, the design about the next heat recovery heat pump scheme was presented. Finally, according to this specific instance, the amount of energy conservation of the two schemes was evaluated. And the results showed that this kind of evaluation method could be applied into the specific engineering projects and it was feasible.
Keywords: energy conversation, heat pump, boiler system, reconstruction shceme
1.引言
热泵作为一项重要的节能技术,可以把一些直接利用不了的低温热量提升温度后供给生活和生产。它为人们提供了一种能够合理地利用能源、节约矿物燃料和减少环境污染的方法，具有节能和环保的双重效果,可以用电作为主要的动力资源，可实现全年空调的制冷和采暖，同时它不需要一个专门的制冷机房，无冷却水系统，可以节约投资与空间，还可防止冷却塔军团菌的风险和冷却水系统水处理的困难,尤其是酒店很多都在地价昂贵，人口密集的地区，风冷热泵冷热水机组具有明显的优势。
目前一些宾馆、酒店、电厂等利用热泵替代锅炉技术实现空调制冷以及生活热水制备已经达到了较好的节能降耗效果,但对于如何度量节能量还没有验证的方法。近年来对于如何测量热泵替代锅炉的节能效果，也逐渐受到大家的重视。同时，在那些地区和场合热泵可以全部或部分替代锅炉也受到关注。本文希望能够给热泵替代锅炉系统的实际应用提供一些技术支持，试图解决实际应用中出现的问题和纠正一些错误观念，为以后可以重点发展热泵替代锅炉的领域提供一定的参考借鉴。
2.案例参数
案例为一上海某星级酒店空调工程，建筑面为4万平方米。地下一层，地上十三层。1-4层是餐饮服务，桑拿洗浴，会议室，其中含有部分客房。四层以上是标准层，一共260间客房。酒店采用热回收风冷热泵空调方案，建筑空调设计负荷为：供暖季：3443kW；供冷季：4645kW。生活热水负荷为：夏季：758kW；冬季：991kW。表1、表2是空调负荷的设计参数。
表1室外气象参数
| 项目 | 空调计算 干球温度 |
空调计算 湿球温度 |
相对湿度 | 大气压力 | 室外风速 | 备注 |
| 夏季 | 34.6℃ | 28.2℃ | / | 100.57kpa | 3.4m/s | |
| 冬季 | -4℃ | / | 75% | 102.65kpa | 3.3m/s |
| 房间名称 | 夏季 | 冬季 | 新风量 | 噪声标 准 |
备注 | ||
| 温度 (℃) |
相对湿 度(%) |
温度 (℃) |
相对湿 度(%) |
M³/h | dB(A) | ||
| 房间 | 24 | 55 | 60 | 50 | ≤40 | ||
| 会议室 | 25 | 60 | 25 | ≥40 | ≤45 | ||
| 包厢 | 24 | 60 | 30 | / | ≤50 | ||
| 餐厅 | 24 | 60 | 30 | / | ≤50 | ||
| 宴会厅 | 24 | 65 | 30 | ≥40 | ≤50 | ||
| 办公室 | 25 | 55 | 30 | ≥40 | ≤50 | ||
3.改造前的常规方案
因为该建筑是在上海市区内，严格限制使用燃煤锅炉的，天然气供应条件，选用水冷冷水机组+燃气热水锅炉作为替代前的常规方案。
3.1原系统缺点
酒店的传统空调系统的设计图如图1所述，在这个系统中水冷机组是作为夏季的冷源，热水锅炉是作为空调系统冬季的热源，同时还要制取酒店全年所需要的生活热水。这种形式的空调系统的优点为两种装置是互相独立，便于调节。但是对于酒店的锅炉系统而言，其存在着的缺点实远远大于优点。
图1传统冷水机组+锅炉制热水系统
1.酒店类锅炉系统的缺点
对于酒店系统来说，根据需要要为客人提供常规的客房热水和建筑采暖，有的还会提供正餐、茶餐、自助餐、咖啡、洗衣、泳池、休闲洗浴等配套服务，在这其中一些旅客的义务或者酒店工作员工的工作服是洗衣服务的主要对象。酒店极少需要蒸汽。
对于酒店类建筑需要供生活热水的锅炉系统来说，需要提供采暖，而由于酒店的人员的流动和入住情况的不稳定，从而造成了酒店的供热负荷的不稳定。虽然连续加热可以避免锅炉系统的启动、停止的能量损失，但是加热设备都是按照在最不利的运行情况下选择的，而在绝大多数情况下锅炉都是处于低负荷的运行状态,其效率比较低；虽然锅炉系统在间歇供热时能够保证在其运行班次内保持着高的负荷率，但是启动、停止之间的巨大能耗会使燃料的无谓损失加大，系统的热效率不可能达到了较高的水平，而且当系统的间断运行时，锅炉本体、鼓、引风机等的使用寿命都会受到很大的坏的影响。
2.锅炉系统本身的缺点
对于锅炉系统本来来说，冷凝水的回收利用不够。有安装回收装置的热水锅炉和有效使用小于60%。绝大部分的锅炉在设计时，并没有考虑到要设计一个蒸汽冷凝水回收装置；企业并不愿意在已经运行的锅炉系统上再加冷凝水回收装置，因为这样使设备的一次性投入增加，也就增加了成本。还有的有回收装置，但是由于没有采取冷凝水相对应的措施，从而导致了不能回收冷凝水。
对于现在的锅炉系统来说，即使有的锅炉系统安设了冷凝水回收设备，但是还是有冷凝水含铁杂质高的现象，这是因为在安装设备时大多数都是忘记了还要考虑工业锅炉冷凝水系统存在着酸腐蚀问题。
综上所述，我们可以知道酒店类建筑的供热水热水的锅炉的效率是低下的，不能更好的发挥锅炉供热的优点，使用热泵系统来替代锅炉系统已经成为了很多酒店类公共建筑的冷热源的选择。
3.2原系统设备资料
对于以水冷机组+燃气热水锅炉作为空调系统的冷热源的常规方案来说，夏季是由开利公司提供的型号为30HXC300B的螺杆式冷水机组来提供7/12℃的冷水，冬季是由热水锅炉来提供60/50℃的空调热水以及55℃的生活热水，主要设备资料如表1所示。
表1常规方案主要设备表
| 设备名称 | 数量 | 技术参数 | 备注 |
| 螺杆式冷水机组 | 5 | Q制冷量=1031kW | |
| 冷冻水循环泵 | 6 | 流量180m³/h扬程30m | 五用一备 |
| 冷却塔 | 5 | 流量215m³/h∆t=5℃P=7.5kW | |
| 冷却水循环泵 | 6 | 流量215m³/h扬程20m | |
| 燃气真空热水机组 | 2+1 | Q空调供热=2093kw | |
| 空调热水循环泵 | 3 | Q生活热水=360kW | 两用一备 |
| 蓄热水箱 | 1 | 流量180m³/h扬程30m | |
| 生活热水循环泵 | 2 | 40m³ | 一用一备 |
4.1改造后热泵系统设备资料
由开利公司提供的主机雷霆30XQ系列风冷热泵模块和全热回收机组负责酒店的空调和热水供应作为优化方案，省去了冷却水系统和锅炉系统，主要耗能设备如表2所示。下图为热回收冷水机组和空调及生活热水管路图照片。
表2优化方案主要设备表
| 设备名称 | 数量 | 技术参数 | 备注 |
| 模块化风冷热泵机组 （含6台热回收） |
10 | Q冷=500kWQ热=500kW Q热回收=500kW |
|
| 空调水循环泵 | 6 | 流量180m³/h扬程30m | 五用一备 |
| 热水循环泵 | 3 | 流量180m³/h扬程30m | 两用一备 |
| 蓄热水箱 | 1 | 40m³ | |
| 生活热水循环泵 | 2 | 流量30m³/h扬程15m | 一用一备 |
名义制热工况，室外空气干/湿球温度7/6℃，进/出水温度40/45℃。
热回收风冷机组照片 空调及生活热水管路图片
4.2改造后热泵系统设计方案
1.酒店空调系统设计方案
对于热回收风冷热泵方案来说，冷热源主机系统是由模块化全热回收机组与标准风冷热泵机组组成，包括六台模块式全热回收风冷热泵机组和四台模块标准型风冷热泵机组，负责整个建筑空调以及酒店客房部分的生活热水供应。因为酒店平面跨考虑上海的气候的特殊性，在过渡季节存在质量和供暖的现象。故在空调水系统中分上下两区，上区客房及包厢区域采用四管制，下区裙房区域采用二管制。具体布置如下所述：
客房及二层包厢区域冷热源采用四台开利30XQ500全热回收机组，放置在塔楼屋顶。实行四管制，空调热水泵设置三台（两用一备）。冷水供回水温度7/12℃，热水供回水温度45/40℃。裙房区域冷热源采用四台开利30XQ500标准型机组，放在塔楼顶，实行两管制。冷水供回水温度7/12℃，热水供回水温度45/40℃。空调冷水泵两区域共设置六台（五用一备），两区域互为备用。水泵与热泵机组连接方式为先并联后串联。
对于空调系统设置方面:整个系统主环路采用异程式，支环路采用同程式，分支路管处设置平衡阀。对于系统的定压，采用开放式膨胀水箱，设置于塔楼顶。大空间采用全空气空调系统，空调机组设置在夹层机房或专用的空调机房内；酒店客房和包厢部分采用风机盘管+新风系统。
2.酒店生活热水系统的设计方案
(1)生活热水设置要求
裙房区域另外采用两台开利30XQ500模块式全热回收机组，夏季供应裙房冷水，冷水供回水温度7/12℃，同时回收废热作为酒店客房部分的生活热水，生活热水温度55℃。过渡季节和冬季单独作为客房部分的生活热水热源，且为防止冬季热回收机组出力不足难以满足热水负荷情况出现，在补水段设置板式换热器对其进行预热。热水系统设置40m³蓄热水箱，水箱与热回收机组间设置两台热水循环加热泵（一用一备），使卫生热水在水箱与主机间循环，以保证生活热水的温度。具体形式如图2所示：
图2酒店空调系统原理图
(2)热水温度控制策略
热回收机组的热水温度可通过水系统控制实现，该项目采用开利模块式全热回收机组一般拥有两个回路，每个回路设置热回收换热器及风冷冷凝器，故机组的热水温度控制策略如下：
首先机组启动热水泵，然后分为以下三类情况：
a.如果热回收冷凝器无水流则热回收被禁止。
b.控制系统有两个回路，若是回水的温度比温度波动控制范围的下限还要低，那么此时控制系统就会自动地切换到一个回路进入了热回收方式，若是此时要求仍然不能得到满足，那么就需要切换到第二个回路。
c.控制系统自动切换一或两个回路返回到制冷的模式当回水温度高于温度波动控制范围限制时。
当热水回水温度低于20℃时，那么热水循环必须要有由电动三通阀提供的混水。
(3)热水温度波动影响因素
热水回路容量是影响全热回收的热水温度波动范畴的因素（默许水温波动范围为5℃），如表3，控制精度为2℃，每kw制冷量需要40L的热回收用水。例如，一台制冷量为500kW的风冷全热回收机组，控制精度为2℃，则需要20m3的热回收用水的水容量。
表3热水稳定波动与回路容量关系
| 控制温度精度（℃） | 推荐热水容量（L/KW） |
| 2 | 40 |
| 3 | 30 |
| 4 | 20 |
| 5 | 15 |
上海地区的供冷季为5~9月，供暖季为11~3月，4、10月为过度月份（办公楼8~18时一班制，酒店三班制0~24时）。所以对于改造前的锅炉系统我们取约定的测量天数为4天，即供冷季、供暖季、过度月份4月和10月各1天。同样改造后我们也同样约定短暂的测量天数为4天。
因为酒店类建筑的特殊性决定了它全年都要求提供热水，所以它的年热水使用天数D为365天。
对于酒店的生活热水温度：一般要求在50~60℃之间，主要因为大于60℃会加速设备管道的结垢和腐浊，系统热损失也会增加；供水的安全性会降低，低于50℃不容易杀死各种细菌在水中繁殖；(本工程设计55℃)，设计依据《建筑给排水设计规范》GB50015-2003[37]：
(1)热水用水定额
表4热水的用水定额
| 建筑名称 | 单位 | 最高日用水定额（L） | 使用时间（h） | |
| 宾馆客房 | 旅客 | 每床位每日 | 120～160 | 24 |
| 员工 | 每人每日 | 40～50 | 24 | |
对于节能量的计算的具体的数据的测量结果见表6。
表6测量的数据
| 供暖季1月9号 | 供冷季8月5号 | 4月5号 | 10月11号 | |
| Qai | 3987.2 | 2034.6 | 2561.3 | 3129.4 |
| Qri | 4647.8 | 2434.5 | 2992.8 | 3537.6 |
| Ra1i | 22484.7 | 39616.3 | 38547.4 | 26791.3 |
| Ra2i | 10289.2 | 11955.2 | 10988.7 | 10063 |
| Rr1i | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Rr2i | 14398.6 | 10682.5 | 12257.3 | 11848.5 |
将上面数据带入公式(2)、(3)可计算出Ea=1267（吨）、Er=661（吨）
让上述结果带入公式(1)可计算出总得节能量Es
可知Es=606（吨）
由此可知，用节能量的评价方法来进行的节能量的评价可以很清晰很直观的计算出热泵替代锅炉系统的节能量。
6结束语
通过具体的工程实例可以知道对于酒店类建筑来说，用热泵来替代原有的锅炉系统可以避免锅炉处于低负荷运行，并能节省大量的能量，起到了节能减排的作用。也说明本文提出的热泵替代锅炉系统的节能评价是可供参考的，也是可行的。
参考文献
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