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)領導小組第14次會議上關于“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)省），但由于安裝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。

參考文獻：

[1]王灃浩，王志華，鄭煜鑫等.低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷學報，2013，34（05）：47-54.

[2]王林軍，劉偉，張東等.寒冷地區(qū)低溫空氣源熱泵輻射供暖實驗研究[J].甘肅科學學報，2016，28（01）：77-82.

[3]周超輝，傅旭輝，倪龍等.北京某教學樓空氣源熱泵供暖系統(tǒng)現(xiàn)場實驗[J].制冷學報，2018，39（05）：29-35.

[4]馬廣玉，馬金平，張緩緩等.當前我國低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組質(zhì)量狀況分析[J].制冷與空調(diào)，2018（07）：6-10.

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。