太阳能与空调冷凝热回收在酒店中的一体化设计
盛健吴兆林周志钢虞海峰郝玉影(上海理工大学)
摘要利用太阳能和酒店中央空调冷凝热回收的热量制取酒店生活热水,解决以往酒店热水均由电加热或锅炉(燃煤、燃气或燃油) 提供带来的高能耗、高费用和高环境破坏的问题。介绍设计方案、控制方案、节能亮点,并提出工程中需要进一步改进的技术难题。该方案利用绿色能源(太阳能) 和有害废热(中央空调冷凝热) 使中央空调机组的运行效率得到提升。
关键词太阳能;冷凝热回收;优化控制;酒店;中央空调
以能源费用为主体的全年运行费用约占酒店全年营业总收入的20 %左右,节能不仅是响应国家号召,同时也可提高酒店利润。地球每年可获得5161 ×1024 J 的太阳能,太阳能取之不尽、用之不竭、清洁并可再生,是未来主要能源之一。中央空调冷水机组在运行时排出大量冷凝热,为制冷量的1118～113 倍。这些低品位能量通常通过冷却塔排入大气,对城市热岛效应作用非常明显。回收部分冷凝热用于制取酒店所需的生活热水,是变废为宝的节能方法。
酒店是综合性的公共建筑物,集饮食、住宿、健身、会议等于一身。其最大的耗能是为客人提供生活热水和空调所消耗的能量。利用锅炉制取生活热水会浪费大量宝贵的矿物资源。夏季太阳辐射大大增加酒店中央空调的负荷,中央空调往往会因为工况太恶劣而出现故障。若能够利用太阳能制取热水,既减少了酒店的日射负荷,又能够以清洁的方式制取热水[124 ] 。基于上述分析,笔者以上海某酒店为蓝本,进行太阳能利用与冷凝热回收制取热水的一体化设计。
1 设计方案1.1.1 系统原理
在标准设计工况下,水冷冷水机组冷却水进、出口温度分别为32 ℃和37 ℃,冷凝热属于低品位热能[ 5 ] ,一般情况,这些热能均作为废热通过冷却塔排入大气。高温水源热泵可以将这些冷凝热作为其蒸发器的热源,吸收热量后提升热能品位,通过热泵冷凝器将热量释放到城市上水中,不断加热水使之达到需要的温度。在此之前,板式换热器与中央空调的部分冷凝水先进行换热,以预冷冷凝水和预热城市上水,一方面降低中央空调冷却水温度,改善机组运行工况;另一方面降低高温水源热泵的换热负荷,使其主要起升温的作用,或提高太阳能加热水的速率。
太阳能加热环路并联在热水箱上,当有可利用的太阳能时,开启这个环路,利用太阳能给水加热,节能环保。但太阳能受季节、天气和昼夜的影响,另外,考虑到冬季中央空调系统不工作,高温水源热泵也无法发挥作用,只利用太阳能将无法满足酒店的用水要求,故还需并联一个锅炉环路(在特殊情况下,锅炉作为后备热源使用) 。系统参见图1 。该方案能够最大限度地利用太阳能,并且能够尽可能地回收水冷冷水机组的冷凝热,减少废热的排放,改善机组工作环境,提高机组性能。同时,由于机组性能的提高,故可以在设计时适当降低机组的容量,节省供电增容费和用电集资费,为酒店降低成本。
12 系统运行控制
11211 注水控制
控制器发出信号,打开补水泵和补水阀,向热水系统注水,中央空调冷却水部分流过板式换热器和热泵蒸发器,但高温水源热泵机组不启动(以
便充分利用太阳能) ,阀3 和4 打开,其余阀关闭,使补给水总是从热水箱下部进入,避免与上部较热的水混合,影响取水口水温。当水位达到设定
值时,液位开关发出信号关闭补水泵和补水阀,热水系统进入加热阶段。
1.1.2.1.2 加热控制
设tt 为在太阳能集热器中的温度计测量的水温, tx 为在热水箱底部的温度计测量的水温,有:
①tt > 65 ℃> tx ,说明此时天气晴朗,有充足的太阳能可以利用,启动太阳能加热环路,将热水加热到设定温度。
②65 ℃> tt > tx ,说明此时太阳能并不是很充足,但又不像阴雨天那样完全没有太阳能可利用,此时还有可利用的热能Q = cm( tt - tx ) ,先启动太阳能加热环路,利用这部分热能;当tt = tx 时,关闭太阳能加热环路,利用锅炉加热环路或热泵加热环路,将热水加热到设定温度。
③tx > tt ,说明此时没有可利用的太阳能(如阴雨天) ,直接启动锅炉加热环路或热泵加热环路,将热水加热到设定温度。情况①下,只须太阳能加热即可,多发生在晴朗夏季的白天。其他季节的白天系统运行多数是在情况②下,即太阳能只能提供部分热能,还需锅炉或热泵辅助。情况③下,完全依靠热泵加热环路或锅炉加热环路,多发生在阴雨天、晚上等。
为了减少使用锅炉的时间,首先控制器检测中央空调是否在运行。若为真值(在运行) ,则有中央空调冷凝热可以回收,启动热泵加热环路;若为假值(不在运行) ,则无中央空调冷凝热可以回收,启动锅炉加热环路。当加热水箱的温度达到设定值(65 ℃) 时,系统停机。
上述控制分析中:补水环路为补水泵和补水阀开,阀3 和4 开,其余阀关闭;太阳能加热环路为循环泵2 开,阀5 ,4 和1 开,其余阀关闭;热泵加热环路为循环泵1开,阀6 ,3 和2 开,其余阀关闭;锅炉加热环路为循环泵3 开,阀2 ,4 ,7 和8 开,其余阀关闭。
2 节能亮点2.1.1 太阳能的利用
将酒店的屋顶利用起来, 架设太阳能集热器,一方面,能够减少太阳辐射给酒店带来的巨大的热负荷、降低空调能耗,另一方面,用收集的热量制取酒店的生活热水,运行费用低。运行时只需1 台循环水泵,相对于锅炉(燃煤、燃气或燃油) 而言,运行费用非常少。在晴朗天气,尤其是酷热的夏季,太阳能可将水加热至沸腾,且加热速率高。
2.1.2 热水箱的优化设计
由于水的密度与其温度密切相关,当水温高于4 ℃时,随着温度的升高,水密度减小[6 ] ,见图3 。
在对水箱中的水加热时,会因温度的不同而形成自然的混合。一方面,虽然系统没有热量损失,但却使水箱中冷水温度上升,热水温度下降,降低
了抽出的水与外部换热器的温差,从而影响换热效率;另一方面,混合作用使热用户取水口的水温变化较大,影响洗浴的舒适性。
目前,市场上大量使用的太阳能热水器的蓄热水箱有盘管式、套筒式和开式水箱。使用普通蓄热水箱,假设流入热水温度为80 ℃,箱内冷水温度为30 ℃,则热水进入后与冷水混合再被抽出加热。试验测量得出,对水箱加热30 min 后,水箱内的温度分布还很不均匀,在进出口的中轴线及附近温度基本达到设定温度(65 ℃) ,而热水箱近壁面的水,尤其是拐角的水,温度还不足50 ℃,导致水箱中的感温探头所测温度不具有代表性,放出的水忽冷忽热。架设折流板后,情况有所改善。但水箱的维护和清洗均比较麻烦。而使用如图1 所示的自然分层式热水箱后,通过系统控制,热水一直从水箱上部进入,冷水从水箱下部抽出,利用水的密度不同而自然分层,热水较轻处于上层、冷水较重处于下层,逐层被抽出加热,可以减少热量的损失,加快水温升的速率,提高加热的均匀性,洗浴时更舒适[ 7 ] 。
2.1.3 回收中央空调冷凝热
中央空调运行季节的日照较好,但阴雨天和晚上太阳能不再起作用,而中央空调仍然运行,若用热泵机组回收冷凝热,一方面能够提高中央空调的效率,另一方面比燃烧锅炉更为节省、更为环保[829 ] 。
2.1.4 合理的控制方案
在控制设计上,尽量使用太阳能,从图2 可以看出,当系统注水完毕后,控制器首先检测太阳能是否能够使用,这就确保了最大限度地利用太阳能。只要太阳能集热器中的水温高于热水箱中的水温, 就利用这部分能量, 直到太阳能无富余为止。
在太阳能不能被利用的情况下,首先控制系统检测中央空调机组是否运行,只要中央空调运行就启动热泵加热环路而不是锅炉加热环路,这就尽可能利用了较为廉价、环保的高温水源热泵加热方式。在以上2 种方式均没有使用条件时,启用锅炉加热环路。可见,较目前使用的锅炉加热方案和中央空调冷凝热回收方案相比,本方案均可以较少地使用锅炉,最大限度使用太阳能,节能环保效果明显。
2.1.5 系统匹配分析
由于该工程系统复杂,太阳能和中央空调冷凝热均为动态变化的,且变化幅度很大,因此,系统的匹配问题是该工程的核心问题。
1) 考虑到最不利工况为冬季的晚上,此时既没有太阳能也没有冷凝热,且对生活热水的需求量最大,因此选择锅炉时必须考虑到这一情况,应能够满足此工况下的需求,这是锅炉的选择依据。
2) 中央空调冷凝热的回收是通过流过板式换热器的冷凝水实现的,因此板式换热器换热量的大小是回收冷凝热的关键。理论上是越大越好,既能更多地回收冷凝热也能满足热泵吸热端的要求。但是随着板式换热器的增大,冷凝热回收的效果增长减缓,因此板式换热器的大小应通过冷凝热回收率、热泵吸热端、成本这3 个量的最优化计算确定。
3) 考虑到酒店屋顶可利用面积和成本,认为由于太阳能的成本较低,充分利用可利用的屋顶资源,设计尽可能大的太阳能集热器。
4) 只要中央空调开启,热泵加热环路就可以工作,但是考虑机组的安全性,通过热泵吸热端的冷凝水的流量和这些冷凝水所能降低的温度Δt(即从冷凝水温度降至0 ℃以上,确保这些冷凝水不结冰) ,热泵蒸发器可吸收的热量为Q = cqmΔt ,依此选择热泵。
3 结论与思考
