中高档旅馆免费热水供应系统在我国应用节能效果的初步评价_石油

0 引言
　　
　　夏季，旅馆类建筑为了满足宾客对舒适、健康居住环境以及各种使用功能的要求，需要同时供冷和供热。在常规系统中，一般要设置两套独立的系统，分别供应冷量和热量，其优点是：热水供应系统与空调系统相互独立，互不干扰，易于调节。但是，近年来随着我国对"节能、环保"问题认识的逐渐增强，使得常规系统在实际运行中所暴露出来的问题也日益严重。因此，本文针对常规系统志存在的问题，提出了在中高档旅馆中利用空调冷凝热量进行免费热水供应的新系统（heat recovery water heating, 简称hrwh）。
　　
1 常规系统在实际运行中存在的问题
　　
　　常规系统是指在中高档宾馆中通常存在的空调系统与热水供应系统，图1是该系统的运行图示，从中我们可以发现以下的问题：
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图1 夏季旅馆类建筑常规热水供应与空调系统运行方式
　　
　　（1）空调冷凝热的直接排放造成的能量浪费问题
　　空调冷凝热是空调系统制冷量与制冷机输入功率之和。从图1中，我们可以清晰的看到，夏季输入宾馆类建筑的能量大部分以冷凝热的形式排出，其中包括围护结构传热量、新风热量、太阳辐射得热量（属于外扰），照明、空调用电、人体散热等（属于内扰）。空调设计中对于中高档宾馆，一般取冷负荷指标为100～150w/m²，而冷凝热量一般为冷负荷的1.25倍左右，可见空调冷凝热量从数量上看相当庞大。因此，冷凝热直接排入大气势必造成大量宝贵能源的浪费。
　　（2） 常规系统中的能耗问题
　　在夏季冷凝热直接排放的同时，人们依旧有热量的需求，如生活热水供应、洗衣房用热、厨房洗涤用热以及室内游泳池加热等过程，这些用热场所的水温一般不高于65℃，为了满足这部分用热量的需求，在中高档宾馆中又要求设有燃煤（燃油燃气）锅炉或电锅炉供热系统，无疑又要输入一次能源，据调查，在以上场所消耗的能量达到30～35kg标准煤/m²，约占宾馆类建筑总能耗的8%左右。另外，将空调冷凝热排放至大气仍然要消耗能量，一般的水冷式系统主要包括冷却消耗及冷却塔两个主要部件，其能耗总和将占到宾馆空调系统总能耗的10%左右，折合耗电量约为6.5kwh/m²。
　　（3）常规系统对环境的影响
　　图1中，我们可以看出，夏季宾馆类建筑中常规热水供应系统与空调系统所造成的环境污染主要有两方面因素。其一，是如前所述燃料燃烧排出大量的co₂、so₂和粉尘等有害物，会导致生态环境污染破坏（如全球温暖化、酸雨等）；其二，近年来，随着工业化社会的加剧，在夏季另一种环境问题越来越引起人们的注意，那就是所谓的"热岛效应"。据调查，世界各主要城市市区与郊外存在着温度差，市区内被较高温度的大气层笼罩着，温度差别年平均可达0.6～1.1℃，发达国家中的热岛效应更加明显，日本东京市繁华中心区与郊区的温差可达8℃。由于环境温度的升高，还恶化了分体式空调机组和窗机的工作环境，导致系统cop值下降，空调能耗增加。随着气温每升高1℃，相应空调系统的设备容量增加6%，而制冷机冷凝热与锅炉房废热的直接排放是造成这种热污染现象的主要因素之一。
　　
　　（4）热水供应系统运行费用问题
　　在环保要求高的许多大城市中，已经严格限制燃煤锅炉房的使用。例如上海市，内环线以内不允许新建燃煤锅炉房；北京市，5环内逐步取消和不允许新建燃煤锅炉房；西安市，从1997年7月1日以后也不再批建燃煤锅炉房。因此，在中高档宾馆中，以燃气、燃油、电锅炉为热源的供热系统在逐年增多，而伴随其来的又是高额的运行费用。一般来讲，燃油、燃气锅炉供热系统的运行费用将达到燃煤锅炉房的2.5～3倍，而电锅炉供热系统将达到燃锅炉房的3.5倍左右。因此，热水供应的能耗费用问题已经直接影响到了中、高档旅馆类建筑的经济效益。
　　
2 空调冷凝热免费热水供应新系统（hrwh）的优点
　　
　　回收空调冷凝热用于热水供应，是在不降低建筑物使用功能和舒适性标准的前提下，将两个常规的独立性、单向性系统，改造成一个整体性、可循环性系统。由于省去了常规锅炉房热水供应系统，取而代之的是空调冷凝热回收系统进行热水供应，因此可以说该系统所供应的热量是免费的，故称免费热水供应系统（hrwh）。运行方式如图2所示，该系统主要具有以下几方面优点：
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 空调冷凝热免费热水供应系统
　　
　　（1）热水供应系统的热量来自空调冷凝热，节省了原来设置锅炉房热水供应系统的能源消耗，对于改造后的空调系统，输入基本相同的电能，不仅可以为建筑物提供空调负荷，而且同时也提供了热水供应负荷，大幅提高了空调系统的能耗利用
率，可以说是一举两得。
　　（2）取消了图1中的燃煤（燃油燃气）锅炉，从而消除了由热水供应消耗一次能源而引起的环境污染。
　　（3）回收了一部分有价值的冷凝热量，缓解了原系统中的能源浪费问题，并且减少了冷凝热直接排放所造成的环境污
染。
　　（4）减少了原空调系统中冷却水系统冷却塔的规模及其运行费用。
　　
3 免费热水供应系统（hrwh）在我国应用节能效果的初步评价
　　
　　前文阐述了免费热水供应系统在理论上具有一定的实用价值，但是该系统的实际节能效果与气象条件、建筑特点及使用功能与因素有很大关系。本节选择香港、上海、西安、北京、乌鲁木齐、哈尔滨六个典型城市的气象资料为计算依据，将具有相同使用功能的宾馆标准双人房间作为研究对象，对新系统在我国应用的前景从量的方面做以初步评价。
　　
　　3．1 旅馆建筑的使用功能及参数选择
　　旅馆是综合性的公共建筑物，它向顾客提供一定时间的住宿，也可以提供饮食、健身、会议、购物等服务。一般而言，旅馆类建筑尤其是中高档旅馆，自身都具有较为独特的使用功能，可以说每家旅馆的实际情况差异很大。为了使各城市间更具有可比性，本文所选择的六个城市旅馆建筑，在与本文相关的功能部位具有相同参数，比如空调区面积、客房数、餐位、游泳池容积等。建筑基本参数值参看表3-1，不同地点建筑维护结构参数见表3-2。
　　
　　　　　　　　旅馆类建筑基本参数 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3-1

　　　　　　　建筑维护结构参数　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3-2

　3.2 热水供应耗热量计算
　　中高档旅馆热水供应耗热量主要包括洗浴、洗涤、洗衣房、游泳池等加热场所。本节采用静态法，即热量指标法进行计算，各用热场所用热量指标与计算结果见表3-3。虽然这个结果不能真实反映各用热场所逐时用热量变化规律，但是由于本文仅考虑其量的大小，并选择逐天作为研究单位，所以该方法是可取的。从表3-3中，我们可以看出，各用热场所的耗热量大小不一，其中洗浴占总耗热量的60%左右，洗涤和洗衣房用热分别占到12%和23%，而游泳池加热耗热量仅占总耗热量的5%左右，可以说旅馆类建筑中游泳池的存在与否，对热水供应耗热量的影响不大。
　　
　　　　　　　　各用热场所用热量指标耗热量计算　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表 3-3

　注：洗衣房单位重量干衣热水用量：25l/kg干衣。
　　
　　3．3 空调冷凝热计算
　　对空调冷凝热（q_c）计算，实际上就是对空调系统效率负荷的计算，其值的大小一方面可以衡量空调系统冷凝热的供热能力，另一方面可以确定空调冷却系统冷却塔规模。因此，本文采用冷负荷系数法对各地区空调冷负荷进行逐时动态计算。计算内容包括：外墙和屋面瞬变传热冷负荷、外玻璃窗瞬变传热冷负荷、透过玻璃窗的日射得热冷负荷、设备散热冷负荷、照明散热冷负荷以及人体散热冷负荷、新风负荷等，各地区计算结果见图3-1。
　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　图3-1 各地区冷凝热与生活热水热量逐日分布图（一）
　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　图3-1 各地区冷凝热与生活热水热量逐日分布图（二）
　　
　　3.4 结果分析与比较
　　
　　经过去上述计算，我们得到了各地区逐日冷凝热与日热水供应耗热量的分布值，从而可以得到各地区应用免费热水供应系统（hrwh）的节能效果分析。首先定义一个参数c，逐日冷凝热能力系数，定义为：

　　　　　　　　　　　　　　　c=q_c/q_h

　　逐日冷凝热能力系数c是中高档旅馆日总冷凝热量与所需热水供应耗热量的比值，它代表各地区宾馆空调系统逐日冷凝热供热能力，同时也控制着hrwh系统在空调期内的运行模式。当c>1时，热水供应负荷完全由空调冷凝热承担，还要启动冷却塔，排出多余的冷凝热量；辅助热源停机；当c=1时，热水供应负荷完全由空调冷凝热承担，冷却塔与辅助热源均处于停机状态；当c<1时，热水供应耗热量由空调冷凝热和辅助热水供应系统共同承担，冷却塔停止运行。由此可见，各地区空调期内c≥1的天数越多，于 hrwh系统越有利。以下是计算结果及分析。
　　（1）各城市hrwh系统c值分布
　　图3-2、表3-4对各地区hrwh系统c值分布进行了统计，从中可以看出我国大部分典型城市均具有较长的空调期，南方沿海城市如香港地区全年有60%的空调天数，并且其中c≥1的天数占64%，上海、西安两地的空调期天数也达到全年的30%以上，值得一提的是北京、乌鲁木齐两地，虽然其空调期并不象前几个地区那样漫长，然而空调期内c≥1的天数分别达到84%和92%，可以说在空调期内几乎不用辅助加热措施，因此这两地应用hrwh系统也是十分有利的。相比之下，哈尔滨地区不但没有较为充分的空调期天数，而且c值的分布也不是很理想的，不适宜采暖用hrwh系统。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3-2　各地区Ｃ值分布天数

　　　　　　　　hrwh系统在我国应用的节能效果初步分析 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3-4

　综上所述，应用hrwh系统/的首要条件是拥有较为理想的空调期天数以及适宜的c值分布。

　　（2）各城市hrwh系统冷却塔规模及运行能耗变化
　　
　　空调冷却系统的峰值排热代表着冷却系统冷却塔的规模，hrwh系统中为了不影响制冷效果，冷却水环路和冷却消耗的规模要维持不变，但是由于部分冷凝热量要承担热水供应耗热量，冷却塔峰值排热量会减少，从而引起冷却塔规模的变小。从图3-3、表3-4中我们中以看出，各城市hrwh系统冷却塔峰值排热均发生显著变化，变化范围都在70%～80%左右。因此，保守说hrwh系统在全国大部分城市的应用中，冷却塔规模都会有50%的缩减，节约了一定的初投资。另外，由于冷却塔的开启受c值的控制，因此冷却塔运行能耗也会发生变化。从图3-4中，我们可以看出，冷却塔能耗的降低也受空调期天数及c值影响，其中香港地区冷却塔能耗降低到常规系统的8%，上海、西安两地在10%左右，北京、乌鲁木齐在15%左右，哈尔滨由于空调期内c<1的天数要远远多于c>1的天数，即空调期内hrwh系统以辅助加热为主，因此，冷却塔能耗降低到常规系统的8%。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图3-3 各城市hrwh系统冷却塔规模变化图
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3-4 各城市hrwh系统冷却塔总排热量变化
　　
　　（3）各城市hrwh系统热水供应耗热量及节能效果分析
　　hrwh系统主要节能点就在于它能提供免费的热水供应耗热量，下图以哈尔滨市常规热水供应耗热量为基准，绘制出各城市旅馆类建筑在应用hrwh前后耗热量的相对值比较，从图3-5、表3-4中可以看出，香港地区空调期内平均每间客房可节约标煤1.22吨，其节能效果是哈尔滨的3.49倍，上海、西安也可以收到2倍的节能效果。北京、乌鲁木齐在空调期内辅助加热量接近于零，通过适当的蓄热手段，这两个地区有希望在空调期内彻底杜绝锅炉房及辅助热源的启用，因此，北京、乌鲁木齐使用hrwh系统也是非常有利的。该系统虽然在哈尔滨地区同样能收到一定的节能效果，但是由于其短暂的空调期以及c<1的天数过多，系统在空调期内要频繁启动辅助热源，增添了系统运行复杂程度，得不偿失。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3-5 各城市hrwh热水供应系统节能效果分析
　　
4 hrwh系统的几个注意问题
　　
　　(1) .冷凝热与热用户各自的不平衡性
　　冷凝热是随着冷负荷的变化而变化的，而冷负荷又是随着室外气象参数、人员流动、位置以及时间等参数变化，因此冷凝热的变化规律受多因素的影响；另一方面，虽然夏季旅馆类建筑中，存在很多用热场所，但各用热场所均为动态运行，其运行规律受到工作制度，人员生活习惯以及天气情况等因素制约。因此，冷凝热与热水供应日逐时变化规律以及季节性变化规律呈现出很强的波动性，在今后对该系统的研究与应用中，一定要把握好两者动态运行特性，从而可以确定比较理想的冷凝热，以及运行模式。
　　（2）系统形式的研究
　　空调冷凝热作为免费热源热水供应系统是由空调系统和热水供应系统组成，为了有效地平衡冷凝热与热用户间的日不平衡性问题，势必要引入蓄热系统，如果有大量高温热水要求，又要加入一套热泵系统，考虑到季节性不平衡问题，需加入辅助热源。由此可见，该系统的设计是由实际运行要求而定的，不同的运行情况配备不同的系统。因此，有必要研究一些行之有效的系统形式，降低其复杂度，拓宽其应用范围。
　　
5 结束语
　　
　　本文对常规空调系统以及hrwh系统优缺点进行了比较，通过计算，得到新系统在我国各主要城市应用的节能效果初步分析。研究和应用空调冷凝热免费热水供应系统（hrwh）是一项既有理论价值，又有重要工程实用价值的课题。从国内外研究的现状来看，我国对于这方面的研究至少要落后国外20年的时间。而对大型系统的研究，由于其复杂性、多变性，需要更多的时间与资金的投入，有待解决的难点问题还很多，比如：解决冷凝热与生活热水用热量在时间及量上的不同步问题；热水供应负荷变化规律问题；蓄热装置在系统运行中的动态模拟以及系统形式等问题，这些都是我们在今后的工作中要解决的。
　　
参考文献
　　
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　　2 一色尚次等，余热回收利用系统实用手册，北京：机械工业出版社，1988。
　　3 s.kumar, t. a. reddy. hot water usage of a large hotel in southeast asia. ashrae transactions, 1986 vo1.96, pt. 2: 715～719。