酒店热水用水规律与热泵热回收系统设计

HEATING VENTILATION &EQUIPMENT

建筑节能

2009年第1期(总第37卷第215期)

No.1in 2009(Total No.215，Vol.37)

酒店热水用水规律与热泵热回收系统设计

周志仁，谭洪卫，王恩丞

(同济大学暖通空调及燃气研究所，上海

200092)

摘要：介绍了空气源热泵热回收系统原理，分析了目前热回收系统研究存在的问题。通过对2家酒店实际热水用水情况调查，分析了

酒店的逐时和逐日的用水规律。并基于实际调查的用水规律，应用EnergyPlus 软件对酒店空调及热水的全年逐时动态负荷模拟，探讨了该酒店的热回收潜力，并对该酒店利用热回收系统进行设计分析。

关键词：酒店；热水用水规律；热回收；空调负荷中图分类号：TU822

文献标志码：A

文章编号：1673-7237(2009)01-0027-04

Study on the Use Law of Dom estic Hot Water in Hotel and Design of Heat Pum p Heat Recovery System

ZHOU Zhi-ren,TAN Hong-wei,WANG En-cheng

(Institute of Heating Ventilation and Air Conditioning,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Abstract:The principle of the heat recovery air-source heat pump system was introduced,and the problems existing in the system were analyzed.Through the field investigation of domestic hot water use in two hotels,the hourly and daily use laws of domestic hot water were concluded,and then all-year hourly dynamic load were simulated by applying software-EnergyPlus.Based on the simulation result,the poten －tial of condenser heat recovery was discussed,and the design of heat recovery system in the hotel was analyzed.

Key w ords:hotel;the use law of domestic hot water;heat recovery;the load of air-conditioning

0引言

随着我国经济水平的不断提高，近十几年来，我国酒店行业发展呈逐年上升趋势，以10%左右的速度增长，而北京2008奥运会和上海2010世博会进一步促使酒店建设水平加速和管理水平的进一步提升。目前，我国江、浙、沪一带酒店客房数量发展最快，如图1。

据不完全统计，有些旅馆类建筑的能耗费用已占到年运营收入的10%~15%，空调能耗占整个酒店类建筑能耗总量的65%左右，是饭店所有能耗设备中最大的[1]。

除了天气外，酒店入住率、星级、建筑年代和总建筑面积等都对建筑能耗有较大的影响。在酒店的电能消耗中，空调是耗能大户，热水供应次之，而照明用电量排在第三位。图2给出了日本酒店全年能耗构成比例关系。

可见酒店类建筑节省能源消耗能显著地降低运营

成本，而空调系统节能又是酒店降低能耗的关键环节。因此，采用热泵热回收技术对酒店节能有重大意义。

空调制冷机组夏季制冷时冷凝热通常为冷负荷的1.2倍左右，而常规空调系统冷凝热通常以废热形式排放到大气中去，这样不但加剧了城市热岛效应，而且浪费了这部分热能。如果把这部分热量回收起来制备生活热水，尤其是在酒店、医院等全年需要供应生活热水且用水温度通常要求不高(40～50℃)的建筑中，回收冷凝热非常有意义。

对于中高档宾馆(三星级以上)，对空调及生活热水供应都有较高需求；特别是夏热冬冷地区，夏季空调冷负荷指标约为100～150W/m 2，查给水排水设计规范按60℃计算生活热水指标为120～160L/(床·d)；按

40m 2/床计算，热水供应需要的热负荷约604kJ/(m 2

·d)(夏季热水加热温差按60-24=36℃计算)。夏季空调冷凝排热量为空调冷负荷的1.2倍左右，夏热冬冷地区空调负荷率和时间频数按文献[1]计算，得夏季总冷凝

收稿日期：2008-12-11；修回日期：2008-12-15

图1江浙沪客房数推移

图2日本的酒店全年能耗构成

图3热回收型热泵机组原理图

热为6914kJ/(m 2·d)，可见夏季只需要回收冷凝排热量的8.7%左右，即可免费制取生活热水。当然逐时空调负荷(对应冷凝热)能否满足逐时生活热水负荷的需求，将在下文作分析。

1空气源热泵冷凝热回收系统原理

火用是衡量能量做功力大小的统一尺度。能量的火用值越大，表示能量可以转变为有用功的部分越多，能量的价值越高，有用程度越大。效率是衡量系统和设备的技术完善程度或热力完善程度的统一指标。火用效率用ηe 表示为：ηe =e q /e p (1)

式中：e q 为被利用或收益的火用，

kJ/kg ；e p 为支付或耗费的火用，kJ/kg 。

而常规空调热泵机组的火用效率为31%左右，

主要火用损失在冷凝器，占到总火用的30%左右。因此，为提高常规空调用空气源热泵机组的火用效率，减少火用损失，可采用风冷+水冷的复合冷凝技术，取代传统空气源热泵单一风冷的冷凝方式，使其同时具有空调热泵和热泵热水器的功能，并通过合理匹配，使空调和热水器协调运行，得到集空调和热水器于一体的多功能热泵系统———热回收型热泵系统(heat recovery heat pump system,HRHPs)。机组系统原理图见图3。

热泵热回收机组具有多功能和全年运行的特点，

通过控制元件的切换可以实现3种运行模式：夏季空调制冷兼制生活热水运行模式；冬季空调供热及制备生活热水运行模式和过渡季节制热水模式。热回收型热泵机组衡量参数通常采用空调性能系数COP a 、生

活热水性能系数COP w 、

综合性能系数COP a+w 等。一些厂家的空气源热泵热回收机组性能参数给出

夏季热回收型热泵机组制冷系数COP a 值可达3.2，

生活热水性能系数COP w 可达2.25。综合性能系数COP a+w 可达5.45。冬季COP a 可达3.51，COP w 可达1.4，机组综合性能系数COP a+w 可达4.91。而过渡季节纯制热水工况COP w 在可达3.69。实际性能将根据系统配置及运行条件而异，需要在实际工程中验证。

2冷凝热回收系统研究尚存在的问题

研究冷凝热回收和免费热水供应系统研究是一

项既有理论价值，又有重要工程实用价值的课题。对大型系统的研究，由于其工况的复杂性、多变性，有待解决的难点问题还很多，比如:如何解决冷凝热与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。

一方面，冷凝热随着冷负荷的变化而变化的，而冷负荷又随室外气象参数、人员流动、地理位置以及时间等多因素的影响，且具有“单峰性”规律,即与室外气温变化规律相似；另一方面，虽然宾馆类建筑中存在很多用热场所，其运行规律受工作制度、人员生活习惯、年龄结构以及天气等因素制约，但主要由酒店经营制度和人员生活习惯影响而具有“双峰性”规律。夏季冷凝热通常是排放到环境中去，可以利用冷凝废热来免费制取生活热水。而在过渡季节和冬季，冷凝热将逐渐被用于采暖，冬季利用一部分冷凝热来制取生活热水则可能会使采暖供热不足。因此，只有掌握我国空调负荷和热水负荷规律，才能为热回收型热泵系统设计研究提供依据。国外对酒店生活热水使用规律研究较多，而国内则十分缺乏这方面的数据，因此，本文重点从酒店的生活热水使用规律着手。

3酒店生活热水用水规律及热回收潜力分析

我国目前对于酒店建筑生活热水供应耗热量的

研究较少，文献资料中的数据及方法大多是针对静态情况，比如说给出用热量指标，以及最大秒流量计算方法等，但只适用于设计工况，不具有对动态工况描述的能力。国内难以获得所需要的热水供应日逐时变化规律。而国外却对此做了大量的工作。

美国ASHRAE 手册中有热水供应(Service Water Heating)的相关章节[2]，其中记录了较为翔实的数据，并有专门的委员会对数据进行更新。国外学者的研究方法多为实地测试，他们将电子流量计布置于各测点，测试每分钟的流量，累计到15min 时计算出平均值，测试周期经常是1年。因此，其研究结果一般都是在数十万个数据基础上统计出来的，可靠性较高，而且，从中可以得到诸如气候、建筑种类、建筑规模以及人口年龄

构成等因素对用热量变化规律的影响[3]。文献[4，

5]显示，热水供应耗热量呈现出一定的季节不平衡性，总的表现是冬季的热水用量要高出夏季20%左右。

笔者对上海2家星级酒店进行实际调查，得出了这2家酒店的用水规律。其中A 宾馆建于1980年的三星酒店，有客房165间，其冷热源形式为电制冷、锅炉采暖及空气源热泵热水器供生活热水。而B 宾馆为2007年投入运营的新建四星级酒店，建筑面积12000m 2，空调

面积10500m 2，其冷热源形式为燃气锅炉供热水，

水冷式制冷机制冷，有客房174间。

图4是A 宾馆的调查数据。可以得出在18：00～20：00内用水量达到最大，占到日用水量的14.5%，早

图5B 宾馆逐时用水规律图

图4A 宾馆用水逐时规律

上6：00～8：00也是一个高峰，达到12%。当天总用水量为156L/床，最大用水量时段每两小时用热水量为23.2L/床。

图5是同一天B 宾馆逐时用热水规律图。20：00～22：00达到最大，占日用水量的25%，而6：00～8：00为第二高峰，占12%，午夜0：00～4：00几乎没有用水。60℃热水用量86L/床，低于A 宾馆；最大用水段每两小时内用水量为21.5L/床，和A 宾馆的23.2L/床接近。

图6是A 宾馆2008年7月2日～10月22日(夏季至过渡季节)的逐日用热水量，平均入住率为71.8%。该宾馆用水量趋势基本为过渡季节用水量高于夏季用水量，这是由日平均温度不同(季节变化引起)所导致的，即日平均温度低，用热水量大；日平均温度高，用热水量小。从图中可以看出该段时间内日用水量范围大多在110～190L/(床·d)之间。

图7是B 宾馆2008年2月11日～2008年10月6日的逐日用水量变化图。平均入住率为50.3%。剔出明显的粗略误差，可以得出其日用水量范围大致为70～170L/d 。同时也可以看出日用水量与日平均气温有明显的关系，在室外气温低时(如冬季)，用水量总体要多些；气温较高时(夏季)，用水量总体要少些。

为了进一步分析宾馆建筑空调冷热负荷和热水负荷的对应关系，以便对宾馆建筑应用冷凝热回收系统做更好的分析。下面以B 宾馆为对象，使用能耗模拟软件EnergyPlus 对其进行全年空调负荷和热水负荷模拟，其中，生活热水schedule 是由实际调查得出的热水规律输入软件的，得出结果如图8～10所示：

从图8可以看出全年空调和热水负荷的对应关系。由于宾馆建筑全年运行，且该宾馆存在内区，故冬季也需要制冷。一年当中大部分时间(4月15～11月15日左右)需要空调制冷，有时候也需要少量再热负荷，但冷负荷(对应冷凝废热)都大于热水负荷，完全可

以提供免费热水，且这7个月的制冷期内为获取免费

生活热水每天需要回收的冷凝热比例为3.9%～55.7%。其余5个月则同时需要空调采暖和生活热水供应，这时候利用部分冷凝热制取生活热水，且冬季利用来制备生活热水的冷凝热比例为23.2%～29.7%。以下以具体某一天逐时负荷来分析热回收潜力。

图9是选取日平均气温中最高的一天之一(7月30日，日平均气温为32.2℃)来分析空调冷负荷和热

图8B 宾馆全年空调和热水负荷模拟结果

热负荷

冷负荷

热水负荷

01/01

01/31

03/02

04/01

05/01

05/31

06/30

07/30

08/29

09/28

10/28

11/27

12/27日期

图6A 宾馆夏季至过渡季节日用热水量规律

图7B 宾馆冬季至秋季日热水用量变化图

图9

B 宾馆7月30日空调和热水负荷

空调冷负荷/k J

/kJ /kJ

图10B 宾馆12月13日空调和热水负荷

图10是选取日平均气温中最低的一天之一(12月13日，日平均气温为-0.4℃)来分析空调热负荷和热水负荷对应关系。为满足生活热水需求，需回收当天总冷凝热的23.2%。

4酒店热泵热回收系统匹配优化探讨

根据B宾馆模拟的空调负荷和热水负荷特点，可以采用热泵热回收系统进行空调及热水系统改造，以便节省运行成本。

B宾馆现有热源为2台承压燃气热水锅炉供热水，一用一备，每台供热量为1400kW。冷源采用2台螺杆式冷水机组制冷，每台机组制冷量为700kW。可采用热泵热回收方式如图11所示。根据模拟的结果得到夏季最大冷负荷为1069kW，而空调冷凝热为冷负荷的1.2倍左右，即冷凝热最大为1283kW，对应当天最大生活热水负荷为74.2kW，只需要回收当天冷凝热总量的4.1%即可满足生活热水负荷需求。冬季由于存在内区需要制冷，所以最大供暖负荷仅为349kW，对应该时刻热水负荷79.5kW，当天则需要利用冷凝热总量的27.4%来满足生活热水需求。夏季生活热水用量按调查的结果(图5)，即每两小时最大热水用量21.5L/床，则每小时按60℃计算的热水流量为2.24t/h，蓄热水箱最小容积应按最大小时流量保证3～5h流量来设计，这里取保证4h供热水得热水箱容积应为9t，而冬季生活热水用量比夏季大20%左右，因此，热水箱容积应该大20%，即热水箱容积应该定为10.8t。由于冬季热负荷远小于夏季冷负荷，因此，选用SALSH-200HE型热回收热泵机组1台，首先考虑满足冬季供热需求，其参数如表1：

图11酒店热回收热泵系统设计系统图

表1SALSH-200HE型热回收热泵机组参数

制冷工况制热工况热水工况

制冷量/kW

566热回收量/kW

399

热水产量/(m3/h)

11.1

总制热量/kW

595

热回收量/kW

238

热水产量/(m3/h)

4.1

制热量/kW

625

热水产量/(m3/h)

13.4

注：各工况热水出水温度均为55℃

另选1台单冷式制冷机组满足夏季其余制冷量需求，其制冷量要求≥503kW(1069-566=503kW)。过渡季节和冬季则不开启。

SALSH-200HE型热回收热泵机组热回收量很大，满足生活热水之后也可以用来供给厨房等处用水。采暖供热量为595-238=356kW，即热回收量占冷凝热的40%，还可以供厨房等用热水。

在过渡季节，如果需要少量空调制冷，则热回收型热泵机组按照制冷工况运行，满足空调负荷后再按热泵热水机组来运行；如果需要少量空调采暖，则先按照制热工况运行，满足空调采暖后再按热泵热水机组运行。若不需要空调，则热回收机组就像热水机组一样高效制取热水。

5结论

本文对上海2家星级酒店生活热水规律进行实际调查，研究了生活热水使用规律，并以一家宾馆为对象进行全年空调和热水负模拟和热回收系统设计分析，得出结论如下：

(1)2家酒店逐时用热水量高峰时刻2h内60℃热水最大用量分别为21.5L/床和23.2L/床。

(2)2家酒店随季节变化的逐日热水用量范围分别为110～190L/(床·d)和70～170L/d，2家酒店数据差别较大，但都和给排水设计规范的120～160L/(床·d)有差别。

(3)B宾馆全年空调和热水负荷模拟结果表明，以上海为代表的夏热冬冷地区宾馆建筑制冷期长，达7个月，利用空调冷凝废热制取生活热水的潜力大。

(4)模拟结果表明夏季最大空调负荷条件下只需要回收冷凝热总量的4%即可获得免费生活热水，而7个月的制冷期内为制取免费生活热水冷凝热回收比例应为3.9%～55.7%。冬季最大采暖空调负荷条件下需要回收总冷凝热的27.4%来制备生活热水，而冬季为制取生活热水冷凝热利用比例为23.2%～29.7%。

参考文献：

[1]谭志宣.饭店节能技术及应用实例[M].北京:化学工业出版社,2006-01.

[2]Service Water Heating.ASHRAE HANDBOOK.1991.

[3]Chad B Dorgan.ASHRAE's New Chiller Heat Recovery Application Guide.ASHRAE Transactions19Vol.95,Part l:152-157.

[4]S C Carpenter,J P Kokko E.Simulating Hot Water Use in Existing Commercial Buildings.ASHRAE Trasactions.1988(2):3-12.

[5]BA Becker,K E Stogsdill.A Domestic Hot Water Use Database. ASHRAE Journal.1990:21-25.

作者简介：周志仁(1984)，男，同济大学暖通空调及燃气研究所在读硕士研究生，供热、供燃气、通风及空调工程专业，研究方向为建筑节能(zhzhr108@gmail.com)。

指导教师：谭洪卫(1959)，男，教授，工学博士，博士生导师，主要研究方向为建筑环境及设备系统、建筑节能技术、可再生能源利用以及城市与建筑环境CFD模拟技术。