1 前言

众所周知，热带和亚热带地区宾馆中空调用冷量和热水供应量是相当大的。通常情况下，空调和热水供应是由两个独立的冷热源如冷水机组和燃油、气锅炉等来供应的。这将使得冷凝热、CO₂、SO₂、NO_x、粉尘等的排放量增加，从而导致能源利用效率的降低和环境的破坏^[1，2，3]。因此，在已经运行多年的宾馆冷水机组更换及热水系统的改造中，如何将制冷和热水供应综合考虑，降低能耗和减少对环境的污染，实现空调和热水供应的可持续发展，是本文研究的出发点。这就为利用热泵技术改造现存的宾馆热水供应系统提供了可能性。由于利用热泵技术在生产热水的同时，可免费为空调系统提供冷水，反之亦然。因此，整个系统的能源利用效率将大大提高。

由于热带和亚热带地区热水供应系统和空调系统几乎全年运行，因此，该系统节能潜力巨大。为此，本文主要讨论在不用辅助加热系统的情况下，利用热泵技术改造现有宾馆热水供应系统时几个重要问题。首先比较宾馆的热水供应负荷曲线和冷负荷曲线，判断是否有足够的空调冷负荷作为低位热源用来加热热水；其次通过热泵供热负荷随出水温度的变化特点及供应热水的卫生要求，确定最佳的贮水温度；通过负荷曲线的比较确定贮水罐的大小、个数。给出利用水-水热泵、空气-水热泵改造现存热水供应系统的原理图，探讨热泵机组、现存冷水机组、空调机组和热水供应系统之间的相互关系，并给出合理的控制方案，从而保证机组高效运行和系统的可靠性。

2 可用热量的检验 

利用热泵技术改造宾馆现有的热水供应系统，首要的任务就是检验宾馆中是否有足够的空调冷负荷作为低位热源用来加热热水。如果热量不够，就要考虑其它辅助热源如电锅炉等。通过对比楼宇管理系统或楼宇运行管理人员所记录的空调冷负荷数据和热水供应热负荷数据，这种检验很容易完成。我们将采用香港某宾馆的运行数据来展示这种检验方法。该宾馆为香港一五星级酒店，由两台5吨7000kPa的蒸汽炉和4台6.8m³容积式热水加热器组成一套中央热水供应系统的热源，向用水点提供60°C 的热水。该酒店采用中央空调系统。基于宾馆本身性质和亚热带的气候特点，空调和热水供应全年每天24小时不间断运行。

图1给出了宾馆每月27日这一天的热水供应负荷和空调冷负荷的变化情况，从图中可以看出每天总的冷负荷全部大于当日总的热水供应热负荷。但是，这并不能保证每小时的冷负荷可以满足热水供应热负荷的需求。为此，我们将选择一年中最冷的二月日负荷情况再做进一步的分析。

对二月份以小时为间隔纪录的热水供应负荷和空调冷负荷的详细分析表明，一天中有几个小时的热水供应负荷大于空调冷负荷，这种情况通常发生在半夜。作为例子，图2给出了二月份典型日的以小时为间隔纪录的热水供应负荷和空调冷负荷的对比情况。图中显示热水供应负荷在全天24小时内波动较大，峰值950 kW，低谷值50 kW，而空调冷负荷仅在500 kW和620 kW之间小范围内波动。峰值热水供应负荷950 kW出现在半夜，从凌晨1：00到5：00，由于宾馆旅客入睡，热水供应负荷逐渐少，在黎明时分降到100 kW，此后时间内，热水供应负荷在300 kW和600 kW之间徘徊。从图2可以看出，除23点和1点之外，空调负荷均大于热水供应负荷。这表明除2个峰值之外，从空调负荷中回收的热量可以满足热水供应的要求。由于热泵容量的确定是以平均负荷为基础，而不是峰值负荷，因此，必须利用热水贮存罐来解决热水供应负荷和空调冷负荷不匹配的特性。

在改造热水系统过程中，原有的热水贮水罐是可以利用的，主要是要考虑其尺寸是否够用。通常来讲，贮水罐容积越大越好，然而造价和空间却限制了尺寸无限扩大。一般来讲，贮水罐的容积应该等于任意峰值负荷时的最大供水量。在这种情况下，贮水罐的容积不仅能够满足峰值需要，而且，还应满足空调负荷较少的小时之间累积的热水供应量的需要。在图2所示的热水供应负荷条件下，如果热水贮存罐足够大，则在半夜峰值热负荷到来之间，热泵将能够产生足够的热水满足其需要。

3 系统改造的方案

目前，常用的热水供应形式有集中热水供应和局部热水供应系统两种，前者是利用中央热源加热热水后再送往各个用水点，后者是在用水点自行生产热水。通常情况下，大多数宾馆热水供应系统采用集中形式，这是由于热水供应系统所具有的热水贮水罐可以满足系统的峰值热水需求。实际应用中，宾馆热水供应系统最好两种热水供应形式结合使用。在利用热泵技术改造现有宾馆热水供应系统时，水-水热泵和空气-水热泵均可以利用，下面分别加以介绍。

3．1 水-水热泵热水供应原理

在宾馆中，水-水热泵适合于集中供应洗浴热水和空调用冷水。其节省的运行费用和环境保护效益是巨大的，因为，冷水可以看作生产热水的副产品，反之亦然。

图3给出了某水-水热泵的运行特征图。从中可以看出，随着热水出水温度的升高，机组的制热量、制冷量、制热COP和制冷COP都逐渐减小。例如，当热水出水温度为35℃时，其制热量、制热COP和制冷COP分别为36.4 kW、3.3和 2.3，然而当热水出水温度为65℃时，他们分别减少到11.9 kW 、1.1和0.07。这说明在这种出水温度下，热泵相当于电加热器在运行，它的制冷效果基本可以忽略。由此看来，热水贮水罐的贮水温度是影响热泵运行效率的重要参数。理想情况下，热水温度最好保持在40 ℃左右，这样可满足人们洗浴时直接用水。然而从卫生学的观点出发，贮存水的温度不能低于55℃，考虑到允许从热水贮存罐到用水点5℃的温差，因此，热水贮水温度可以保持在60℃，从而既满足卫生要求又能使系统高效运行。

图4给出了水-水热泵热水供应系统的原理图，从中可以看出，当热泵运行时，12℃的空调回水先进入热泵蒸发器进行预冷，然后再回到冷水机组，因此，冷水机组消耗的电量可以减少。另一方面，由热水循环泵驱动，热水循环通过热泵冷凝器，每一次循环使得水温增加5℃。在这样的过程中，随着出水温度的提高，免费冷量逐渐减少，因此，冷水机组需要根据入口冷水温度进行调节。当贮存罐中的热水温度达到60℃时，热泵则停止运行，此时，空调冷量完全由冷水机组供应。尽管如此，由于系统可以从热泵热水制备中获得免费冷量，从而使得冷水机组的运行费用大大降低；如果空调冷负荷和热水供应热负荷相当，且二者出现时间相同，使得热泵可以连续运行的话，主制冷机安装容量则可以减少。

图3 制冷量、制热量、制冷COP、制热COP 随热水出水温度的变化（空调回水12℃）

图 4 利用水-水热泵改造方案原理图

3．2 空气-水热泵热水供应原理

与水-水热泵相比，空气-水热泵更适合于宾馆建筑某一局部位置的热水供应。如图5 所示，空气-水热泵不是用来预冷空调回水，而是直接用来预冷新风，蒸发器可以放在新风机组新风入口的前面，在宾馆建筑新风负荷相当大的情况下，设有很多新风机组，每个可以负担一层或几层。因此，可以利用空气-水热泵机组进行局部热水供应系统的改造，使得每个热水系统负责一层或几层客房或厨房等。其热水贮水罐的容量可以参照前述方法，系统的控制见图5。

图 5 利用空气-水热泵改造方案原理图

4 结束语

利用热泵技术改造热带或亚热带地区宾馆建筑热水供应系统时，空气-水热泵和水-水热泵都是很好的选择。其实质就是要检验宾馆的空调冷负荷和热水供应热负荷，以确保有足够的低位热量用来加热热水，因此，楼宇管理系统所记录的运行负荷数据是非常有价值的。此外，由于热泵可以同时制冷和制热，改造后的系统不仅能够提高运行效率、降低运行费，减少对环境的污染，而且有可能降低冷水机组的装机容量，具有极其重要的经济效益和社会效益。

值得注意的是，本文所讲的利用热泵技术改造的热水系统排除了利用传统的辅助热源。但当系统中需要的热水温度过高或热水负荷比冷负荷大的太多或峰值热水供应负荷过大、热水贮存装置不能满足时，热泵可以用来预热传统燃煤锅炉或电锅炉的给水，这样的系统仍能节省大量的运行费用。

参考文献

[1] Deng SM. Energy and Buildings, 2003,35 (8): 775～784

[2] Deng SM, Burnett J. International Journal of Hospitality Management, 2002, 21(4): 371～380

[3] Deng SM, Burnett J. International Journal of Hospitality Management, 2002,21(1): 57～66