溫泉度假村酒店熱水系統節能改造設計分析

某五星級酒店于2004年7月試營業，2005年1月23日正式開業，集度假、會議、商旅、餐飲于一體，占地面積12.8萬m2，建筑面積6.2萬m，綠化面積11.2萬m，主樓高78m。

在酒店十多年的經營使用中，酒店的機電系統暴露出不少的問題，這些問題有的影響了客人的體驗，有的造成運行管理不方便，有的維護保養費用較高，有的不夠節能環保，有的管道和系統故障不可能在日常維護保養得到處理，這些問題都有待于在機電系統壽命中期進行檢驗、梳理和解決完善；另一方面，隨著時間的推移和技術的進步，目前酒店的機電系統硬件狀況已經逐漸不能適應現行規范標準等的要求和現時經營、節能的需要，需要做一些前瞻性的預測和判斷。

根據酒店工程部提供的2005～2014年的酒店逐月用電、用氣抄表數據及空調系統冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔和空調末端的用電估算數據，對酒店2005～2014逐年能耗分析如圖1所示。

將本酒店與本地區近年建設的同等檔次酒店上述能耗值進行對比發現，本酒店的能耗屬于中等偏上，說明本項目有一定的節能改造潛力。

?根據酒店工程部提供的天然氣數據對2014年酒店的天然氣用量做拆分，結果如圖2所示。其中生活熱水與采暖鍋爐用量占44%，洗衣房鍋爐用量占38%，其余為廚房用氣。

對酒店而言，生活熱水需要全年24 h供應，目前本酒店采用燃氣熱水鍋爐來生產全部的生活熱水；另一方面，酒店空調系統的用量很大，而且由于公共區域內區的存在，一年四季均存在較大的供冷量。

酒店熱水節能改造首先需選擇高效節能的熱源，在南方地區一般設置水水熱泵和空氣源熱泵兩種。由于本項目為改造項目，無法找到合適的位置放置空氣源熱泵，且本地區政府文件也要求“采用集中空調系統，有穩定熱水需求，建筑面積在10000 m2以上的新建(含改建、擴建)公共建筑，應當配套設計和建設空調廢熱回收利用裝置”。項目所在地空調制冷時間較長，空調余熱量足以覆蓋全年約9個月的生活熱水需求，如直接利用冷卻水只是對生活熱水進行預熱，達不到生活熱水使用溫度要求，則鍋爐也一直需要開啟。為盡量減少鍋爐開啟時間，建議在酒店中增設1套熱回收型水-水熱泵機組，將原來需要通過冷卻塔排入大氣的空調系統冷凝熱用于生產生活熱水，減少熱水鍋爐系統的燃氣用量，預計可帶來較大的節能效益。

配置足夠容量的熱回收機組后，可以覆蓋全年約9個月的生活熱水需求，即全年有3/4的時間無需通過燃氣鍋爐生產生活熱水。從圖2中可以看到，酒店的鍋爐房用氣量占全年用氣總量的44%，其中大部分用量在生活熱水上。根據熱水耗熱量和采暖耗熱量估算，生活熱水用氣占全年用氣總量的30%，則全年可節約大約22.5%的用氣量，即11.9萬m3天然氣，折合燃氣費57萬元。經查閱一般廠家資料，熱回收型水-水熱泵機組專門供生活熱水COP一般為4，則機組的年用電量約25萬kW·h，折合電費約25萬元。也就是說初步預測，使用上述熱回收系統后，酒店全年可節約能源費用約32萬元（上述數據根據酒店以前多年經營狀況平均入住率約60%估算）。

本次改造熱源系統需要投資費用估算見表1。

從表1可知，本次投資預計可在5年內回收成本。為此，本項目建議增設水-水熱泵提供生活熱水。過度季及冬季回收量不足時，采用洗衣房機房內本次改造前已增設的蒸汽鍋爐供應。

業主根據我院意見進行綜合對比分析，最終確定酒店生活熱水系統主要進行以下幾項改造：

（1）屋頂蒸汽鍋爐、熱水鍋爐由于年久失修，效率低下，直接取消。為保證供應生活熱水及采暖安全，經復核在洗衣房機房本次改造前已增設的蒸汽鍋爐余量足夠，故作為酒店的備用熱源。這樣，平時約9個月時間不需要開啟鍋爐，只是冬季開啟鍋爐作為生活熱水熱源的補充及采暖熱源。

（2）為更好地節約能源，根據本地區氣候特點，在空調機房增設水水熱泵作為生活熱水第一熱源，此機組只作為生活熱水熱源，空調制冷則保留現有主機不變。

（3）為最大限度利用空調余熱，提升能源綜合效益，將健康中心生活熱水熱源也改為由水-水熱泵和蒸汽鍋爐提供。

進行雙熱源——水-水熱泵+蒸汽鍋爐設計，水-水熱泵供熱量是關鍵，只有合理計算確定其供熱量，才能保證熱源改造后設備投資運營綜合效益最大。參考現行《建筑給水排水設計規范》耗熱量及供熱量公式計算結果見表2、表3。

注：此計算為冬季時，冷熱水溫度分別為10 ℃、60 ℃；水的比熱為4.187 kJ/（kg·℃）；水的密度為1 kg/L。

熱泵+蒸汽兩種熱源常規設計時，大都是熱泵換熱對應一組換熱器1、蒸汽換熱對應另一組換熱器2，換熱器1與換熱器2串聯，且只有換熱器2的出水溫度滿足使用水溫要求，換熱器1主要起到預熱作用。系統示意如圖3所示。

此系統雖然運行較穩定，控制簡單，但經過分析發現：此系統水水熱泵只是預熱，蒸汽鍋爐全年都需要運行，對于節能改造效果有一定影響；其次，兩組換熱器分別需要按規范計算的熱水儲量進行儲存，總容積較大，增加了初始投資。為了更好地利用空調余熱盡量少開啟蒸汽鍋爐，也為了減少換熱器總容積，對上述傳統雙熱源系統進行優化，也參考我院其他一些項目雙熱源系統，最終采用如圖4系統。

從多個項目反饋信息獲悉，此系統在初投資、運行能耗和熱水水溫穩定性等方面都要優于傳統系統。

一次側的系統設計初始，考慮在酒店屋頂熱水箱機房和健康中心機房將現有保溫熱水箱分別更換為容積式換熱器，水-水熱泵熱源供應熱水熱媒管和蒸汽鍋爐供應蒸汽熱媒管分別供至此兩處，均與容積式換熱器進行換熱，冷水被加熱后儲存于容積式換熱器中。由酒店換熱器和健康中心換熱器分別供應各自生活熱水。后來，經過對比分析，健康中心耗熱量較小，相對于酒店耗熱量所占比例很小。為了減小設備投資，考慮將酒店屋頂容積式換熱器容積增加少許，冷水經水-水熱泵熱源和蒸汽鍋爐熱源加熱后儲存于酒店容積式換熱器中，然后接管供應酒店生活熱水和健康中心熱水。系統示意見圖5。

本項目同時采用水水熱泵熱源和蒸汽鍋爐熱源，為更好地利用空調余熱提高系統能效比，閥門切換控制尤為重要。本項目雙熱源系統運行工況如下：

（1）容積式換熱器既可串聯運行也可并聯運行；一般串聯運行，閥門A1、A3、A6、B3、B5、C3、C5、D2、D5、閥2打開，其余閥門關閉。若需并聯運行，閥門A1、A2、A6、A7、B1、B2、B6、C1、C2、C6、D1、D2、D6、閥2打開，其余閥門關閉；且并聯運行需保證水箱的均衡性。

（2）當容積式換熱器A清洗或出現問題不能使用時閥門A6關閉，A7打開。

（3）通過控制一次側電動二通閥的開度保證板換二次側出水溫度保持在設定值（如59 ℃）。

（4）通過調節電動三通閥容積式換熱器側的出水流量，保證三通閥容積式換熱器側出水溫度不低于設定值（如56 ℃）。

（5）出水總管出水溫度低于設定溫度時（如50 ℃），開啟閥門A4，加熱容積式換熱器A，持續加熱一段時間后（如20 min）后，出水溫度仍低于設定溫度（如50 ℃），打開閥門B4，對容積式換熱器B進行加熱。繼續加熱一段時間后（如20 min），出水溫度若仍低于設定溫度（如50 ℃），打開閥門C4，對容積式換熱器C進行加熱。出水溫度若仍低于設定溫度（如50 ℃），打開閥門D4，對容積式換熱器D進行加熱，當容積式換熱器內水溫高于設定溫度時（如60 ℃），關閉各自閥門，停止加熱。

由于健康中心原有熱源均為空氣源熱泵，其中生活熱水用空氣源熱泵設于地下室機房，采暖用空氣源熱泵設于屋面?，F更換為統一由酒店供應熱源后，所有空氣源熱泵閑置。為了盡量利用現有設備，采用合理的熱源，考慮通過修改管道連接，利用這些閑置空氣源熱泵。

經計算，泳池初次加熱所需耗熱量為150 kW，平時運行耗熱量60 kW?，F有空氣源熱泵，地下機房為健康中心原有5臺27 kW/臺供生活熱水+泳池原有2臺60 kW/臺供泳池熱水空氣源熱泵，屋面為健康中心原有2臺180 kW/臺供采暖用空氣源熱泵。經對比，兩處空氣源熱泵即使在冬季極端天氣提供70%供熱量，仍可以滿足泳池耗熱量需求而不必另外設置電輔助加熱。但屋面單臺機組供熱功率較大，若改為供泳池熱水相比地下室效率會低許多，且平時運行維護費用也較高。故最終選擇地下室空氣源熱泵作為泳池熱源。

由于泳池水對普通空氣源熱泵換熱器會有腐蝕，考慮本項目原有泳池用熱泵可以滿足平時運行需求，只是初次加熱時需要用到原有健康中心用熱泵，為了簡化改造管路，在泳池循環管接通原健康中心生活熱水用熱泵處加設閥門及放空閥，這樣初次加熱達到使用溫度后關閉此閥并放空原健康中心熱泵管路內水，以防止長時間腐蝕。泳池循環熱水系統改造示意見圖6。

本項目為正在改造項目，參考之前已運行類似規模兩個酒店項目，分別采用兩種系統一年運行能耗數據對比見表4所示。

由表4數據可知，一年節約費用約45.6萬元，由于前述項目平均年入住率偏低，故這兩個項目能耗對比可節省能源費比前述本項目預計每年可節省能源費32萬元還要高。這說明此系統實際運行節省的能耗也相當可觀，正好驗證此系統在節能改造中有廣泛的應用前景和空間。

增加水-水熱泵熱源，按雙熱源系統進行設計在酒店特別是南方地區供冷時間較長區域能顯著節約能源。

本項目中雙熱源系統設計是我院在多個酒店熱水設計中和空調專業同事一起研發，在實踐中運行較穩定、節能效果最明顯的一種系統方式，尤其在南方地區熱水系統改造中有很廣泛的應用空間。