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中高檔旅館免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)在我國應(yīng)用節(jié)能效果的初步評價
中高檔旅館免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)在我國應(yīng)用節(jié)能效果的初步評價摘要 本文分析了夏季中高檔旅館空調(diào)冷凝熱免費熱源熱水供應(yīng)系統(tǒng)（HRWH）在我國應(yīng)用的意義，通過計算分析，得到了該系統(tǒng)在我國各主要城市應(yīng)用的節(jié)能效果初步分析，并提出了在今后的研究中，有待解決的幾個問題。
關(guān)鍵詞 免費熱水供應(yīng)系統(tǒng) 冷凝熱 熱島效應(yīng)
0 引言
夏季，旅館類建筑為了滿足賓客對舒適、健康居住環(huán)境以及各種使用功能的要求，需要同時供冷和供熱。在常規(guī)系統(tǒng)中，一般要設(shè)置兩套獨立的系統(tǒng)，分別供應(yīng)冷量和熱量，其優(yōu)點是：熱水供應(yīng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)相互獨立，互不干擾，易于調(diào)節(jié)。但是，近年來隨著我國對"節(jié)能、環(huán)保"問題認(rèn)識的逐漸增強，使得常規(guī)系統(tǒng)在實際運行中所暴露出來的問題也日益嚴(yán)重。因此，本文針對常規(guī)系統(tǒng)志存在的問題，提出了在中高檔旅館中利用空調(diào)冷凝熱量進(jìn)行免費熱水供應(yīng)的新系統(tǒng)（Heat Recovery Water Heating, 簡稱HRWH）。
1 常規(guī)系統(tǒng)在實際運行中存在的問題
常規(guī)系統(tǒng)是指在中高檔賓館中通常存在的空調(diào)系統(tǒng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)，圖1是該系統(tǒng)的運行圖示，從中我們可以發(fā)現(xiàn)以下的問題：
圖1 夏季旅館類建筑常規(guī)熱水供應(yīng)與空調(diào)系統(tǒng)運行方式
（1）空調(diào)冷凝熱的直接排放造成的能量浪費問題
空調(diào)冷凝熱是空調(diào)系統(tǒng)制冷量與制冷機輸入功率之和。從圖1中，我們可以清晰的看到，夏季輸入賓館類建筑的能量大部分以冷凝熱的形式排出，其中包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量、新風(fēng)熱量、太陽輻射得熱量（屬于外擾），照明、空調(diào)用電、人體散熱等（屬于內(nèi)擾）�？照{(diào)設(shè)計中對于中高檔賓館，一般取冷負(fù)荷指標(biāo)為100～150W/m2，而冷凝熱量一般為冷負(fù)荷的1.25倍左右，可見空調(diào)冷凝熱量從數(shù)量上看相當(dāng)龐大。因此，冷凝熱直接排入大氣勢必造成大量寶貴能源的浪費。
（2） 常規(guī)系統(tǒng)中的能耗問題
在夏季冷凝熱直接排放的同時，人們依舊有熱量的需求，如生活熱水供應(yīng)、洗衣房用熱、廚房洗滌用熱以及室內(nèi)游泳池加熱等過程，這些用熱場所的水溫一般不高于65℃，為了滿足這部分用熱量的需求，在中高檔賓館中又要求設(shè)有燃煤（燃油燃?xì)猓╁仩t或電鍋爐供熱系統(tǒng)，無疑又要輸入一次能源，據(jù)調(diào)查[1]，在以上場所消耗的能量達(dá)到30～35kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2，約占賓館類建筑總能耗的8%左右。另外，將空調(diào)冷凝熱排放至大氣仍然要消耗能量，一般的水冷式系統(tǒng)主要包括冷卻消耗及冷卻塔兩個主要部件，其能耗總和將占到賓館空調(diào)系統(tǒng)總能耗的10%左右，折合耗電量約為6.5kWh/m2。
�。�3）常規(guī)系統(tǒng)對環(huán)境的影響
圖1中，我們可以看出，夏季賓館類建筑中常規(guī)熱水供應(yīng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)所造成的環(huán)境污染主要有兩方面因素。其一，是如前所述燃料燃燒排出大量的CO2、SO2和粉塵等有害物，會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境污染破壞（如全球溫暖化、酸雨等）；其二，近年來，隨著工業(yè)化社會的加劇，在夏季另一種環(huán)境問題越來越引起人們的注意，那就是所謂的"熱島效應(yīng)"。據(jù)調(diào)查[2]，世界各主要城市市區(qū)與郊外存在著溫度差，市區(qū)內(nèi)被較高溫度的大氣層籠罩著，溫度差別年平均可達(dá)0.6～1.1℃，發(fā)達(dá)國家中的熱島效應(yīng)更加明顯，日本東京市繁華中心區(qū)與郊區(qū)的溫差可達(dá)8℃。由于環(huán)境溫度的升高，還惡化了分體式空調(diào)機組和窗機的工作環(huán)境，導(dǎo)致系統(tǒng)COP值下降，空調(diào)能耗增加。隨著氣溫每升高1℃，相應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量增加6%，而制冷機冷凝熱與鍋爐房廢熱的直接排放是造成這種熱污染現(xiàn)象的主要因素之一。
�。�4）熱水供應(yīng)系統(tǒng)運行費用問題
在環(huán)保要求高的許多大城市中，已經(jīng)嚴(yán)格限制燃煤鍋爐房的使用。例如上海市，內(nèi)環(huán)線以內(nèi)不允許新建燃煤鍋爐房；北京市，5環(huán)內(nèi)逐步取消和不允許新建燃煤鍋爐房；西安市，從1997年7月1日以后也不再批建燃煤鍋爐房。因此，在中高檔賓館中，以燃?xì)�、燃油、電鍋爐為熱源的供熱系統(tǒng)在逐年增多，而伴隨其來的又是高額的運行費用。一般來講，燃油、燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)的運行費用將達(dá)到燃煤鍋爐房的2.5～3倍，而電鍋爐供熱系統(tǒng)將達(dá)到燃鍋爐房的3.5倍左右。因此，熱水供應(yīng)的能耗費用問題已經(jīng)直接影響到了中、高檔旅館類建筑的經(jīng)濟效益。
2 空調(diào)冷凝熱免費熱水供應(yīng)新系統(tǒng)（HRWH）的優(yōu)點
回收空調(diào)冷凝熱用于熱水供應(yīng)，是在不降低建筑物使用功能和舒適性標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將兩個常規(guī)的獨立性、單向性系統(tǒng)，改造成一個整體性、可循環(huán)性系統(tǒng)。由于省去了常規(guī)鍋爐房熱水供應(yīng)系統(tǒng)，取而代之的是空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)進(jìn)行熱水供應(yīng)，因此可以說該系統(tǒng)所供應(yīng)的熱量是免費的，故稱免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)（HRWH）。運行方式如圖2所示，該系統(tǒng)主要具有以下幾方面優(yōu)點：
圖2 空調(diào)冷凝熱免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)
�。�1）熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱量來自空調(diào)冷凝熱，節(jié)省了原來設(shè)置鍋爐房熱水供應(yīng)系統(tǒng)的能源消耗，對于改造后的空調(diào)系統(tǒng)，輸入基本相同的電能，不僅可以為建筑物提供空調(diào)負(fù)荷，而且同時也提供了熱水供應(yīng)負(fù)荷，大幅提高了空調(diào)系統(tǒng)的能耗利用
率，可以說是一舉兩得。
�。�2）取消了圖1中的燃煤（燃油燃?xì)猓╁仩t，從而消除了由熱水供應(yīng)消耗一次能源而引起的環(huán)境污染。
�。�3）回收了一部分有價值的冷凝熱量，緩解了原系統(tǒng)中的能源浪費問題，并且減少了冷凝熱直接排放所造成的環(huán)境污
染。
�。�4）減少了原空調(diào)系統(tǒng)中冷卻水系統(tǒng)冷卻塔的規(guī)模及其運行費用。
3 免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)（HRWH）在我國應(yīng)用節(jié)能效果的初步評價
前文闡述了免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)在理論上具有一定的實用價值，但是該系統(tǒng)的實際節(jié)能效果與氣象條件、建筑特點及使用功能與因素有很大關(guān)系。本節(jié)選擇香港、上海、西安、北京、烏魯木齊、哈爾濱六個典型城市的氣象資料為計算依據(jù)，將具有相同使用功能的賓館標(biāo)準(zhǔn)雙人房間作為研究對象，對新系統(tǒng)在我國應(yīng)用的前景從量的方面做以初步評價。
3．1 旅館建筑的使用功能及參數(shù)選擇
旅館是綜合性的公共建筑物，它向顧客提供一定時間的住宿，也可以提供飲食、健身、會議、購物等服務(wù)。一般而言，旅館類建筑尤其是中高檔旅館，自身都具有較為獨特的使用功能，可以說每家旅館的實際情況差異很大。為了使各城市間更具有可比性，本文所選擇的六個城市旅館建筑，在與本文相關(guān)的功能部位具有相同參數(shù)，比如空調(diào)區(qū)面積、客房數(shù)、餐位、游泳池容積等。建筑基本參數(shù)值參看表3-1，不同地點建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3-2。
旅館類建筑基本參數(shù) 表3-1 建筑面積（m2）空調(diào)區(qū)面積（m2）客房數(shù)間（間）床位（床）員工（人）餐廳座位（酒吧）洗衣房泳池參數(shù)長×寬×高51000357004008008001000(300)濕洗25×8×1.5（m3） 建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 表3-2 地點外墻窗遮陽系數(shù)窗墻比香港24磚墻K=1.92W/( m2·℃)單層鋼窗K=6.4W/( m2·℃)0.540%上海西安北京37磚墻K=1.49W/( m2·℃)雙層鋼窗K=3W/( m2·℃)0.540%哈爾濱49磚墻K=1.2W/( m2·℃)雙層鋼窗K=3W/( m2·℃)0.7540%烏魯木齊 3.2 熱水供應(yīng)耗熱量計算
中高檔旅館熱水供應(yīng)耗熱量主要包括洗浴、洗滌、洗衣房、游泳池等加熱場所。本節(jié)采用靜態(tài)法，即熱量指標(biāo)法進(jìn)行計算，各用熱場所用熱量指標(biāo)與計算結(jié)果見表3-3。雖然這個結(jié)果不能真實反映各用熱場所逐時用熱量變化規(guī)律，但是由于本文僅考慮其量的大小，并選擇逐天作為研究單位，所以該方法是可取的。從表3-3中，我們可以看出，各用熱場所的耗熱量大小不一，其中洗浴占總耗熱量的60%左右，洗滌和洗衣房用熱分別占到12%和23%，而游泳池加熱耗熱量僅占總耗熱量的5%左右，可以說旅館類建筑中游泳池的存在與否，對熱水供應(yīng)耗熱量的影響不大。
各用熱場所用熱量指標(biāo)耗熱量計算 表 3-3
項目生活熱水洗滌用熱洗衣房用熱游泳池加熱功用客房員工客房餐廳員工循環(huán)水加熱補水加熱單位[L/(d·人)][L/(d·座)][L/(d·座)](m3/h)(m3/d)指標(biāo)20040324.8752.171.03315水溫?zé)崴?5℃；冷水：15℃耗熱量[kJ/(d·房間)]8380016760201122553311365523869791884各用熱場所占總耗熱量百分比49%11%12%14%6%3%4%1%總耗熱量Qh171570[kJ/(d·房間)]燃料量（標(biāo)煤）5.84[kg標(biāo)煤/（d·房間）] 注：洗衣房單位重量干衣熱水用量：25L/kg干衣。
3．3 空調(diào)冷凝熱計算
對空調(diào)冷凝熱（Qc）計算，實際上就是對空調(diào)系統(tǒng)效率負(fù)荷的計算，其值的大小一方面可以衡量空調(diào)系統(tǒng)冷凝熱的供熱能力，另一方面可以確定空調(diào)冷卻系統(tǒng)冷卻塔規(guī)模。因此，本文采用冷負(fù)荷系數(shù)法對各地區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行逐時動態(tài)計算。計算內(nèi)容包括：外墻和屋面瞬變傳熱冷負(fù)荷、外玻璃窗瞬變傳熱冷負(fù)荷、透過玻璃窗的日射得熱冷負(fù)荷、設(shè)備散熱冷負(fù)荷、照明散熱冷負(fù)荷以及人體散熱冷負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷等，各地區(qū)計算結(jié)果見圖3-1。
圖3-1 各地區(qū)冷凝熱與生活熱水熱量逐日分布圖（一）
圖3-1 各地區(qū)冷凝熱與生活熱水熱量逐日分布圖（二）
3.4 結(jié)果分析與比較
經(jīng)過去上述計算，我們得到了各地區(qū)逐日冷凝熱與日熱水供應(yīng)耗熱量的分布值，從而可以得到各地區(qū)應(yīng)用免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)（HRWH）的節(jié)能效果分析。首先定義一個參數(shù)C，逐日冷凝熱能力系數(shù)，定義為：
C=QC/QH
逐日冷凝熱能力系數(shù)C是中高檔旅館日總冷凝熱量與所需熱水供應(yīng)耗熱量的比值，它代表各地區(qū)賓館空調(diào)系統(tǒng)逐日冷凝熱供熱能力，同時也控制著HRWH系統(tǒng)在空調(diào)期內(nèi)的運行模式。當(dāng)C>1時，熱水供應(yīng)負(fù)荷完全由空調(diào)冷凝熱承擔(dān)，還要啟動冷卻塔，排出多余的冷凝熱量；輔助熱源停機；當(dāng)C=1時，熱水供應(yīng)負(fù)荷完全由空調(diào)冷凝熱承擔(dān)，冷卻塔與輔助熱源均處于停機狀態(tài)；當(dāng)C<1時，熱水供應(yīng)耗熱量由空調(diào)冷凝熱和輔助熱水供應(yīng)系統(tǒng)共同承擔(dān)，冷卻塔停止運行。由此可見，各地區(qū)空調(diào)期內(nèi)C≥1的天數(shù)越多，于 HRWH系統(tǒng)越有利。以下是計算結(jié)果及分析。
（1）各城市HRWH系統(tǒng)C值分布
圖3-2、表3-4對各地區(qū)HRWH系統(tǒng)C值分布進(jìn)行了統(tǒng)計，從中可以看出我國大部分典型城市均具有較長的空調(diào)期，南方沿海城市如香港地區(qū)全年有60%的空調(diào)天數(shù)，并且其中C≥1的天數(shù)占64%，上海、西安兩地的空調(diào)期天數(shù)也達(dá)到全年的30%以上，值得一提的是北京、烏魯木齊兩地，雖然其空調(diào)期并不象前幾個地區(qū)那樣漫長，然而空調(diào)期內(nèi)C≥1的天數(shù)分別達(dá)到84%和92%，可以說在空調(diào)期內(nèi)幾乎不用輔助加熱措施，因此這兩地應(yīng)用HRWH系統(tǒng)也是十分有利的。相比之下，哈爾濱地區(qū)不但沒有較為充分的空調(diào)期天數(shù)，而且C值的分布也不是很理想的，不適宜采暖用HRWH系統(tǒng)。
圖3-2 各地區(qū)Ｃ值分布天數(shù)
HRWH系統(tǒng)在我國應(yīng)用的節(jié)能效果初步分析 表3-4 項目地點香港上海西安北京烏魯木齊哈爾濱1空調(diào)期天數(shù)（天）22512713410887672C>1天數(shù)（占空調(diào)期總天數(shù)比例%）103(46)7257)50(37)76(70)69(79)24(36)3C=1天數(shù)（%）41(18)14(11)19(14)15(14)11(13)8(12)41>C≥0.8天數(shù)（%）52(23)28(22)43(32)14(13)7(8)21(31)50.8>C≥0.6天數(shù)（%）23(10)11(9)15(11)3(3)-14(21)6C<0.6天數(shù)（%）6(3)2(1)7(6)---7常規(guī)空調(diào)冷卻塔排熱量峰值220748242614253114250589247235240127[kJ/(d·房)]8HRWH冷卻塔排熱量峰值491787104481544790197566568557[kJ/(d·房)]9HRWH冷卻塔規(guī)模減少百分比（%）77.770.767.868.569.471.410空調(diào)期常規(guī)熱水供應(yīng)系統(tǒng)耗熱量（GJ/房）38.6021.7922.9918.5314.9311.5011空調(diào)期HRWH系統(tǒng)輔助加熱量（GJ/房）2.581.142.120.420.131.1812HRWH系統(tǒng)節(jié)約能量（GJ/房）36.0220.6520.8718.1114.8010.3213節(jié)約能量折合標(biāo)煤量（kg/房）1225.28702.36709.88615.97503.29350.8614節(jié)約能量占常規(guī)系統(tǒng)能耗百分比（%）93.3294.7790.7897.7399.1389.7315各式各樣區(qū)節(jié)能效果比較3.492.002.021.761.431.00 綜上所述，應(yīng)用HRWH系統(tǒng)/的首要條件是擁有較為理想的空調(diào)期天數(shù)以及適宜的C值分布。
�。�2）各城市HRWH系統(tǒng)冷卻塔規(guī)模及運行能耗變化
空調(diào)冷卻系統(tǒng)的峰值排熱代表著冷卻系統(tǒng)冷卻塔的規(guī)模，HRWH系統(tǒng)中為了不影響制冷效果，冷卻水環(huán)路和冷卻消耗的規(guī)模要維持不變，但是由于部分冷凝熱量要承擔(dān)熱水供應(yīng)耗熱量，冷卻塔峰值排熱量會減少，從而引起冷卻塔規(guī)模的變小。從圖3-3、表3-4中我們中以看出，各城市HRWH系統(tǒng)冷卻塔峰值排熱均發(fā)生顯著變化，變化范圍都在70%～80%左右。因此，保守說HRWH系統(tǒng)在全國大部分城市的應(yīng)用中，冷卻塔規(guī)模都會有50%的縮減，節(jié)約了一定的初投資。另外，由于冷卻塔的開啟受C值的控制，因此冷卻塔運行能耗也會發(fā)生變化。從圖3-4中，我們可以看出，冷卻塔能耗的降低也受空調(diào)期天數(shù)及C值影響，其中香港地區(qū)冷卻塔能耗降低到常規(guī)系統(tǒng)的8%，上海、西安兩地在10%左右，北京、烏魯木齊在15%左右，哈爾濱由于空調(diào)期內(nèi)C<1的天數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于C>1的天數(shù)，即空調(diào)期內(nèi)HRWH系統(tǒng)以輔助加熱為主，因此，冷卻塔能耗降低到常規(guī)系統(tǒng)的8%。
圖3-3 各城市HRWH系統(tǒng)冷卻塔規(guī)模變化圖
圖3-4 各城市HRWH系統(tǒng)冷卻塔總排熱量變化
（3）各城市HRWH系統(tǒng)熱水供應(yīng)耗熱量及節(jié)能效果分析
HRWH系統(tǒng)主要節(jié)能點就在于它能提供免費的熱水供應(yīng)耗熱量，下圖以哈爾濱市常規(guī)熱水供應(yīng)耗熱量為基準(zhǔn)，繪制出各城市旅館類建筑在應(yīng)用HRWH前后耗熱量的相對值比較，從圖3-5、表3-4中可以看出，香港地區(qū)空調(diào)期內(nèi)平均每間客房可節(jié)約標(biāo)煤1.22噸，其節(jié)能效果是哈爾濱的3.49倍，上海、西安也可以收到2倍的節(jié)能效果。北京、烏魯木齊在空調(diào)期內(nèi)輔助加熱量接近于零，通過適當(dāng)?shù)男顭崾侄危@兩個地區(qū)有希望在空調(diào)期內(nèi)徹底杜絕鍋爐房及輔助熱源的啟用，因此，北京、烏魯木齊使用HRWH系統(tǒng)也是非常有利的。該系統(tǒng)雖然在哈爾濱地區(qū)同樣能收到一定的節(jié)能效果，但是由于其短暫的空調(diào)期以及C<1的天數(shù)過多，系統(tǒng)在空調(diào)期內(nèi)要頻繁啟動輔助熱源，增添了系統(tǒng)運行復(fù)雜程度，得不償失。
圖3-5 各城市HRWH熱水供應(yīng)系統(tǒng)節(jié)能效果分析
4 HRWH系統(tǒng)的幾個注意問題
(1) .冷凝熱與熱用戶各自的不平衡性
冷凝熱是隨著冷負(fù)荷的變化而變化的，而冷負(fù)荷又是隨著室外氣象參數(shù)、人員流動、地理位置以及時間等參數(shù)變化，因此冷凝熱的變化規(guī)律受多因素的影響；另一方面，雖然夏季旅館類建筑中，存在很多用熱場所，但各用熱場所均為動態(tài)運行，其運行規(guī)律受到工作制度，人員生活習(xí)慣以及天氣情況等因素制約[3]。因此，冷凝熱與熱水供應(yīng)日逐時變化規(guī)律以及季節(jié)性變化規(guī)律呈現(xiàn)出很強的波動性，在今后對該系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，一定要把握好兩者動態(tài)運行特性，從而可以確定比較理想的冷凝熱，以及運行模式。
�。�2）系統(tǒng)形式的研究
空調(diào)冷凝熱作為免費熱源熱水供應(yīng)系統(tǒng)是由空調(diào)系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)組成，為了有效地平衡冷凝熱與熱用戶間的日不平衡性問題，勢必要引入蓄熱系統(tǒng)，如果有大量高溫?zé)崴螅忠尤胍惶谉岜孟到y(tǒng)，考慮到季節(jié)性不平衡問題，需加入輔助熱源。由此可見，該系統(tǒng)的設(shè)計是由實際運行要求而定的，不同的運行情況配備不同的系統(tǒng)。因此，有必要研究一些行之有效的系統(tǒng)形式，降低其復(fù)雜度，拓寬其應(yīng)用范圍。
5 結(jié)束語
本文對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)以及HRWH系統(tǒng)優(yōu)缺點進(jìn)行了比較，通過計算，得到新系統(tǒng)在我國各主要城市應(yīng)用的節(jié)能效果初步分析。研究和應(yīng)用空調(diào)冷凝熱免費熱水供應(yīng)系統(tǒng)（HRWH）是一項既有理論價值，又有重要工程實用價值的課題。從國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀來看，我國對于這方面的研究至少要落后國外20年的時間。而對大型系統(tǒng)的研究，由于其復(fù)雜性、多變性，需要更多的時間與資金的投入，有待解決的難點問題還很多，比如：解決冷凝熱與生活熱水用熱量在時間及量上的不同步問題；熱水供應(yīng)負(fù)荷變化規(guī)律問題；蓄熱裝置在系統(tǒng)運行中的動態(tài)模擬以及系統(tǒng)形式等問題，這些都是我們在今后的工作中要解決的。
參考文獻(xiàn)
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