既有大型性公共建筑供暖制冷节能改造方案实例优化分析

    齐有军 张素艳

    摘 要：结合寒冷地区（B区）气候特征和公共建筑能耗情况，综合考虑公共建筑本身具备的保温条件，以秦皇岛市某总建筑面积18000m2的科技会展中心为例，对建筑物原有暖通设备进行节能改造设计。本文对比了原有的电锅炉供暖、市政供暖、地源热泵供暖、空气源热泵供暖四种供暖系统，对建筑物的暖通系统进行了改造设计，深度分析了改造前、后的能耗数据及供暖、制冷的经济性。改造后经过一个供暖制冷周期运行，结果表明利用清洁能源供暖制冷改造技术并配合后期合理的运营与管理模式，该大型性公共建筑能耗由原有的89万元/供暖季的运营成本降至26万元/供暖季，节约标准煤约630吨/供暖季，经济和环境效益显著，甲方满意度达91%以上。

    关键词：节能改造；既有大型性公共建筑；供暖制冷；清洁能源；方案优选

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

    1 前言

    为贯彻落实习近平总书记在中央财经领导小组第14次会议上关于“推进北方地区冬季清洁取暖”重要讲话精神，及因地制宜推广地热能、空气热能、太阳能、生物质能等可再生能源分布式、多能互补应用的新型取暖模式。空气源热泵供暖作为一种清洁的供暖形式，在我国北方特别是京津冀地区具有良好的应用前景[1-3]。当下随着国家“煤改清洁能源”政策的推广，2017年5月，河北省住建厅印发《河北省城镇供热“十三五”规划》提出，到十三五末，全省县城及以上城市集中供热和清洁能源供热基本实现全覆盖，清洁供热率达到95%以上。选用空气源热泵机组做为供暖设备，在我国控霾、治霾等环境污染的治理中能发挥积极的作用[4]。特别是既有大型公共建筑能耗尤为突出，据不完全统计，我国既有大型公共建筑以不足4%的城镇建筑面积占比消耗了25%以上的城镇建筑总电耗。由于公共建筑体量大，单位面积能耗比其他类型建筑高很多，因此公共建筑节能改造的潜力巨大，是我国节能减排和可持续发展的战略重点。

    本文以既有大型性公共建筑冬季供暖夏季制冷工程实例为分析对象，通过对比分析多种供暖方式，以实际应用场景验证了采用清洁能源的供暖方式的合理性和经济性。

    2 工程概况

    秦皇岛市某科技会展中心于2010年完工，总建筑面积18395.09m2

    ，其中地上4层，建筑面积16160.73 m2，主要为展馆及办公室；地下1层建筑面积1057.10m2，主要为机房；另人防建筑面积1177.26 m2。采用集中空调系统的大型性公共建筑。科技会展中心周边没有铺设市政供暖管线，因此设计时采暖使用电锅炉自供暖。该建筑建成年代较近且保温隔热效果良好，采暖系统运行能耗较高，主要在于电锅炉本身的能耗及在设计时负荷选取过大。供暖运行后导致热力站耗电占总耗电的40%之多，能源没有得到高效的利用，且热力站效率较低。

    3 热力站系统运行现状及分析

    3.1 基本情况

    （1）目前科技会展中心设置采暖电锅炉2台，单台热功率0.72MW；供暖一次泵3台，参数为流量243m3/h，扬程24.5m，功率22kW；二次泵3台，参数为流量245m3/h，扬程32m，功率37kW。3台变压器，每台变压器容量为800kVA。

    （2）设置1个蓄热水槽，容量为200t，蓄热水温差40℃（90/50℃），总蓄热量9302kW。

    3.2 电锅炉运行现状

    通过对能源统计表及运行记录内数据的整理，对电锅炉经运行现状进行初步分析，电锅炉2017年度5个月供暖期，锅炉用电达到127.0万kWh，电费约89万元。不含空调末端电费。

    3.3 主要问题诊断分析

    对科技会展中心供热期间的月能耗进行分析，以2017年2月为例电耗分项拆分，2月总用电量为41.3万kWh，其中锅炉用电为23.3万kWh，占月耗电量的56%；热站其他设备用电量约2.7万kWh，占月耗电量的7%；空调末端用电量约12.0万kWh，占月耗电量的29%；其他用电（照明插座，动力等）3.3万kWh，占月耗电量的8%。

    4 节能改造方案

    4.1 方案确定

    该建筑是本地区具有代表性的公共建筑，本项目对科技会展中心的热力站电锅炉进行节能改造，提升其能源利用水平。依据秦皇岛市气象局提供的气象数据可知，秦皇岛市的气候类型属于暖温带半湿润季风气候。因毗邻海洋，冬季漫长无严寒。常年的年平均气温在11℃左右，一月最冷，月平均气温-4.8℃，极端最低温度为-20.8℃；七月最热，月平均气温25℃，极端最高温度為38。因此，根据中国建筑气候区划图可查该大型性公共建筑属于寒冷地区（B区）气候特征。

    经过现场踏勘可知建筑物外保温及维护结构保温效果良好，并结合秦皇岛气象数据，针对电锅炉供暖耗电量过高问题，本项目建议采用空气源热泵代替原有的电锅炉进行供暖。选用低温热水机组（室外环境温度-25℃）型，工作状态白天工作时间段早8：00-17：00室内展厅及办公室供暖温度保证20±2℃，走廊保证16℃，夜晚室内保持低温运行在5℃。因此满足国家供暖标准，现有变压器也不需要额外增容。

    4.2 方案比较

    4.2.1 对电锅炉改造方案的比较分析

    除电锅炉外，冬季供暖方式一般有燃气锅炉、地源热泵、空气源热泵及市政供暖等（其中空调末端用能无论采取何种供暖方式都无法节省），但由于安装燃气锅炉需要泄爆口及一定的安全面积，本项目无安装条件，所以燃气锅炉不列入本方案考虑范围内。

    下文综合考虑项目投资成本、运营成本、投资回收期、使用寿命、施工难度及风险防控等方面，将目前的电锅炉供暖与接入市政热力、地源热泵和空气源热泵四种供暖方式，计算一个完整的供暖季（秦皇岛供暖季为5个月）进行方案经济性对比分析，详细见表1。

    通过以上数据进行比较分析可知：

    （1）市政供暖：按照面积收费，节省运营成本21.8万元；按照计量收费，节省运营成本25.2万元；

    （2）地源热泵供暖，节省运营成本67.9万元；

    （3）空气源热泵供暖，节省运营成本62.6万元。

    4.2.2 地源热泵与空气源热泵经济、能效分析

    （1）经济性分析。地源热泵的初投资较高，投资回收期长。空气源热泵初投资较低，除冬季室外温度过低的其他时段，空气源热泵运行成本与地源热泵相当，而且后期维修更换简便，不增加额外施工成本。

    （2）能效（COP）分析。地源热泵运行1～2年期间，地下水和土壤全年温度波动小，冬季地下土壤温度也能保持在15℃，COP可达到3.0～4.5。但冬季持续供热若干年后，机组从地下持续吸热，将降低地下恒温层的温度，导致机组能效逐年降低，供热费用也将随之增加。

    （3）风险防控。接入市政热力管网流程繁琐，在接入热力申请及施工过程中，与各个相关部门配合难度大；从科技会展中心方申请接入市政热力，至验收竣工/面积复核完成、可正式供热，改造实施周期过长（约1～2年）。

    地源热泵于冬季持续供热若干年后，可能会出现“吸不到热”的情况出现，则将导致热泵无法运行（变为“电锅炉”）；地源热泵的后期使用与施工质量关系密切，地源热泵系统的施工主要分为钻井成井、洗井、回填、回灌等方面，根据本地区地质结构和岩土层性质可知，成井施工难度较大，对于专业施工地源热泵的打井回灌工作没有相应的培訓与资格认证，打井人员技术参差不齐，以上将导致井深与孔径达不到标准、井内故障难以维修、回灌材料不合格等问题频发。

    空气源热泵冬季制热时受气候条件制约。在温度过低的室外环境下应用时，系统运行不佳，能效比较低，超低温时可能会结霜，能效随着时间的推移会有一定衰减。

    5 节能改造后综合效果分析

    5.1 室内环境及满意度

    该项目节能改造已完成，已经过一整个供暖制冷周期。该建筑夏季室内展厅和办公室可保持温度26℃，相对湿度50%～65%；冬季室内可保持温度18℃，相对湿度为25%～40%。室内CO2 浓度符合中国《室内空气质量标准》中规定的最高浓度为0.1%的要求。

    经过供暖制冷一个周期运行后，乙方针对夏、冬季节各个时段分别进行了回访，主要针对室内冷和热环境、空气品质等方面。夏季满意度95%，冬季满意度87%，综合满意度91%。这表明用户对室内环境非常满意，改造后所营造的办公、参观和学习环境给人以舒适的感受。

    5.2 运行能耗

    对整个夏季进行能耗统计，建筑物空调系统用电量为9.8 （kWh）/m2，而中国普通公共建筑空调系统夏季平均运行能耗为16.1 （kWh）/m2，在夏季该建筑空调耗能仅占同类建筑空调系统用电量的60%。冬季五个月供暖结束，整个系统耗电量24.6（kWh）/m2，寒冷地区办公建筑的约束值电耗为60（kWh）/m2，该建筑供暖能耗仅为同类型建筑能耗的41%。

    6 结论

    寒冷地区（B区）通过选取典型示范建筑，以既有大型性公共建筑成功改造为实例，验证了选用清洁能源设备供暖制冷改造方案的合理性并得出以下结论：

    （1）既有大型性公共建筑供暖能耗偏高，可以从建筑实测能耗及测试数据出发，合理匹配负荷率，选用合理的节能改造技术和后期良好的运营与管理模式从而有效降低能耗；

    （2）本项目采用空气源热泵的供暖方式来代替电锅炉，供热效率提高约337%，一个供暖季五个月节电能量约为89.3万kWh/供暖季，电费约62万元人民币，节约标准煤630吨，经济和环境效益显著。对减轻环境污染，建设低碳、节约型社会具有重大意义。

    参考文献：

    [1]王沣浩，王志华，郑煜鑫等.低温环境下空气源热泵的研究现状及展望[J].制冷学报，2013，34（05）：47-54.

    [2]王林军，刘伟，张东等.寒冷地区低温空气源热泵辐射供暖实验研究[J].甘肃科学学报，2016，28（01）：77-82.

    [3]周超辉，傅旭辉，倪龙等.北京某教学楼空气源热泵供暖系统现场实验[J].制冷学报，2018，39（05）：29-35.

    [4]马广玉，马金平，张缓缓等.当前我国低环境温度空气源热泵（冷水）机组质量状况分析[J].制冷与空调，2018（07）：6-10.

    作者简介：齐有军（1982-），男，辽宁辽阳人，工学硕士，机电工程师，主要从事机电工程设计及机电工程安装。