既有大型性公共建筑供暖制冷節(jié)能改造方案實例優(yōu)化分析

齊有軍 張素艷

摘 要：結(jié)合寒冷地區(qū)（B區(qū)）氣候特征和公共建筑能耗情況，綜合考慮公共建筑本身具備的保溫條件，以秦皇島市某總建筑面積18000m2的科技會展中心為例，對建筑物原有暖通設備進行節(jié)能改造設計。本文對比了原有的電鍋爐供暖、市政供暖、地源熱泵供暖、空氣源熱泵供暖四種供暖系統(tǒng)，對建筑物的暖通系統(tǒng)進行了改造設計，深度分析了改造前、后的能耗數(shù)據(jù)及供暖、制冷的經(jīng)濟性。改造后經(jīng)過一個供暖制冷周期運行，結(jié)果表明利用清潔能源供暖制冷改造技術(shù)并配合后期合理的運營與管理模式，該大型性公共建筑能耗由原有的89萬元/供暖季的運營成本降至26萬元/供暖季，節(jié)約標準煤約630噸/供暖季，經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著，甲方滿意度達91%以上。

關(guān)鍵詞：節(jié)能改造；既有大型性公共建筑；供暖制冷；清潔能源；方案優(yōu)選

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.020

1 前言

為貫徹落實習近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第14次會議上關(guān)于“推進北方地區(qū)冬季清潔取暖”重要講話精神，及因地制宜推廣地熱能、空氣熱能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源分布式、多能互補應用的新型取暖模式。空氣源熱泵供暖作為一種清潔的供暖形式，在我國北方特別是京津冀地區(qū)具有良好的應用前景[1-3]。當下隨著國家“煤改清潔能源”政策的推廣，2017年5月，河北省住建廳印發(fā)《河北省城鎮(zhèn)供熱“十三五”規(guī)劃》提出，到十三五末，全省縣城及以上城市集中供熱和清潔能源供熱基本實現(xiàn)全覆蓋，清潔供熱率達到95%以上。選用空氣源熱泵機組做為供暖設備，在我國控霾、治霾等環(huán)境污染的治理中能發(fā)揮積極的作用[4]。特別是既有大型公共建筑能耗尤為突出，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國既有大型公共建筑以不足4%的城鎮(zhèn)建筑面積占比消耗了25%以上的城鎮(zhèn)建筑總電耗。由于公共建筑體量大，單位面積能耗比其他類型建筑高很多，因此公共建筑節(jié)能改造的潛力巨大，是我國節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略重點。

本文以既有大型性公共建筑冬季供暖夏季制冷工程實例為分析對象，通過對比分析多種供暖方式，以實際應用場景驗證了采用清潔能源的供暖方式的合理性和經(jīng)濟性。

2 工程概況

秦皇島市某科技會展中心于2010年完工，總建筑面積18395.09m2

，其中地上4層，建筑面積16160.73 m2，主要為展館及辦公室；地下1層建筑面積1057.10m2，主要為機房；另人防建筑面積1177.26 m2。采用集中空調(diào)系統(tǒng)的大型性公共建筑。科技會展中心周邊沒有鋪設市政供暖管線，因此設計時采暖使用電鍋爐自供暖。該建筑建成年代較近且保溫隔熱效果良好，采暖系統(tǒng)運行能耗較高，主要在于電鍋爐本身的能耗及在設計時負荷選取過大。供暖運行后導致熱力站耗電占總耗電的40%之多，能源沒有得到高效的利用，且熱力站效率較低。

3 熱力站系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及分析

3.1 基本情況

（1）目前科技會展中心設置采暖電鍋爐2臺，單臺熱功率0.72MW；供暖一次泵3臺，參數(shù)為流量243m3/h，揚程24.5m，功率22kW；二次泵3臺，參數(shù)為流量245m3/h，揚程32m，功率37kW。3臺變壓器，每臺變壓器容量為800kVA。

（2）設置1個蓄熱水槽，容量為200t，蓄熱水溫差40℃（90/50℃），總蓄熱量9302kW。

3.2 電鍋爐運行現(xiàn)狀

通過對能源統(tǒng)計表及運行記錄內(nèi)數(shù)據(jù)的整理，對電鍋爐經(jīng)運行現(xiàn)狀進行初步分析，電鍋爐2017年度5個月供暖期，鍋爐用電達到127.0萬kWh，電費約89萬元。不含空調(diào)末端電費。

3.3 主要問題診斷分析

對科技會展中心供熱期間的月能耗進行分析，以2017年2月為例電耗分項拆分，2月總用電量為41.3萬kWh，其中鍋爐用電為23.3萬kWh，占月耗電量的56%；熱站其他設備用電量約2.7萬kWh，占月耗電量的7%；空調(diào)末端用電量約12.0萬kWh，占月耗電量的29%；其他用電（照明插座，動力等）3.3萬kWh，占月耗電量的8%。

4 節(jié)能改造方案

4.1 方案確定

該建筑是本地區(qū)具有代表性的公共建筑，本項目對科技會展中心的熱力站電鍋爐進行節(jié)能改造，提升其能源利用水平。依據(jù)秦皇島市氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)可知，秦皇島市的氣候類型屬于暖溫帶半濕潤季風氣候。因毗鄰海洋，冬季漫長無嚴寒。常年的年平均氣溫在11℃左右，一月最冷，月平均氣溫-4.8℃，極端最低溫度為-20.8℃；七月最熱，月平均氣溫25℃，極端最高溫度為38。因此，根據(jù)中國建筑氣候區(qū)劃圖可查該大型性公共建筑屬于寒冷地區(qū)（B區(qū)）氣候特征。

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘可知建筑物外保溫及維護結(jié)構(gòu)保溫效果良好，并結(jié)合秦皇島氣象數(shù)據(jù)，針對電鍋爐供暖耗電量過高問題，本項目建議采用空氣源熱泵代替原有的電鍋爐進行供暖。選用低溫熱水機組（室外環(huán)境溫度-25℃）型，工作狀態(tài)白天工作時間段早8：00-17：00室內(nèi)展廳及辦公室供暖溫度保證20±2℃，走廊保證16℃，夜晚室內(nèi)保持低溫運行在5℃。因此滿足國家供暖標準，現(xiàn)有變壓器也不需要額外增容。

4.2 方案比較

4.2.1 對電鍋爐改造方案的比較分析

除電鍋爐外，冬季供暖方式一般有燃氣鍋爐、地源熱泵、空氣源熱泵及市政供暖等（其中空調(diào)末端用能無論采取何種供暖方式都無法節(jié)?。捎诎惭b燃氣鍋爐需要泄爆口及一定的安全面積，本項目無安裝條件，所以燃氣鍋爐不列入本方案考慮范圍內(nèi)。

下文綜合考慮項目投資成本、運營成本、投資回收期、使用壽命、施工難度及風險防控等方面，將目前的電鍋爐供暖與接入市政熱力、地源熱泵和空氣源熱泵四種供暖方式，計算一個完整的供暖季（秦皇島供暖季為5個月）進行方案經(jīng)濟性對比分析，詳細見表1。

通過以上數(shù)據(jù)進行比較分析可知：

（1）市政供暖：按照面積收費，節(jié)省運營成本21.8萬元；按照計量收費，節(jié)省運營成本25.2萬元；

（2）地源熱泵供暖，節(jié)省運營成本67.9萬元；

（3）空氣源熱泵供暖，節(jié)省運營成本62.6萬元。

4.2.2 地源熱泵與空氣源熱泵經(jīng)濟、能效分析

（1）經(jīng)濟性分析。地源熱泵的初投資較高，投資回收期長。空氣源熱泵初投資較低，除冬季室外溫度過低的其他時段，空氣源熱泵運行成本與地源熱泵相當，而且后期維修更換簡便，不增加額外施工成本。

（2）能效（COP）分析。地源熱泵運行1～2年期間，地下水和土壤全年溫度波動小，冬季地下土壤溫度也能保持在15℃，COP可達到3.0～4.5。但冬季持續(xù)供熱若干年后，機組從地下持續(xù)吸熱，將降低地下恒溫層的溫度，導致機組能效逐年降低，供熱費用也將隨之增加。

（3）風險防控。接入市政熱力管網(wǎng)流程繁瑣，在接入熱力申請及施工過程中，與各個相關(guān)部門配合難度大；從科技會展中心方申請接入市政熱力，至驗收竣工/面積復核完成、可正式供熱，改造實施周期過長（約1～2年）。

地源熱泵于冬季持續(xù)供熱若干年后，可能會出現(xiàn)“吸不到熱”的情況出現(xiàn)，則將導致熱泵無法運行（變?yōu)椤半婂仩t”）；地源熱泵的后期使用與施工質(zhì)量關(guān)系密切，地源熱泵系統(tǒng)的施工主要分為鉆井成井、洗井、回填、回灌等方面，根據(jù)本地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖土層性質(zhì)可知，成井施工難度較大，對于專業(yè)施工地源熱泵的打井回灌工作沒有相應的培訓與資格認證，打井人員技術(shù)參差不齊，以上將導致井深與孔徑達不到標準、井內(nèi)故障難以維修、回灌材料不合格等問題頻發(fā)。

空氣源熱泵冬季制熱時受氣候條件制約。在溫度過低的室外環(huán)境下應用時，系統(tǒng)運行不佳，能效比較低，超低溫時可能會結(jié)霜，能效隨著時間的推移會有一定衰減。

5 節(jié)能改造后綜合效果分析

5.1 室內(nèi)環(huán)境及滿意度

該項目節(jié)能改造已完成，已經(jīng)過一整個供暖制冷周期。該建筑夏季室內(nèi)展廳和辦公室可保持溫度26℃，相對濕度50%～65%；冬季室內(nèi)可保持溫度18℃，相對濕度為25%～40%。室內(nèi)CO2 濃度符合中國《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》中規(guī)定的最高濃度為0.1%的要求。

經(jīng)過供暖制冷一個周期運行后，乙方針對夏、冬季節(jié)各個時段分別進行了回訪，主要針對室內(nèi)冷和熱環(huán)境、空氣品質(zhì)等方面。夏季滿意度95%，冬季滿意度87%，綜合滿意度91%。這表明用戶對室內(nèi)環(huán)境非常滿意，改造后所營造的辦公、參觀和學習環(huán)境給人以舒適的感受。

5.2 運行能耗

對整個夏季進行能耗統(tǒng)計，建筑物空調(diào)系統(tǒng)用電量為9.8 （kWh）/m2，而中國普通公共建筑空調(diào)系統(tǒng)夏季平均運行能耗為16.1 （kWh）/m2，在夏季該建筑空調(diào)耗能僅占同類建筑空調(diào)系統(tǒng)用電量的60%。冬季五個月供暖結(jié)束，整個系統(tǒng)耗電量24.6（kWh）/m2，寒冷地區(qū)辦公建筑的約束值電耗為60（kWh）/m2，該建筑供暖能耗僅為同類型建筑能耗的41%。

6 結(jié)論

寒冷地區(qū)（B區(qū)）通過選取典型示范建筑，以既有大型性公共建筑成功改造為實例，驗證了選用清潔能源設備供暖制冷改造方案的合理性并得出以下結(jié)論：

（1）既有大型性公共建筑供暖能耗偏高，可以從建筑實測能耗及測試數(shù)據(jù)出發(fā)，合理匹配負荷率，選用合理的節(jié)能改造技術(shù)和后期良好的運營與管理模式從而有效降低能耗；

（2）本項目采用空氣源熱泵的供暖方式來代替電鍋爐，供熱效率提高約337%，一個供暖季五個月節(jié)電能量約為89.3萬kWh/供暖季，電費約62萬元人民幣，節(jié)約標準煤630噸，經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著。對減輕環(huán)境污染，建設低碳、節(jié)約型社會具有重大意義。

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作者簡介：齊有軍（1982-），男，遼寧遼陽人，工學碩士，機電工程師，主要從事機電工程設計及機電工程安裝。