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2019年8月9日 星期五

Unique Heating, Cooling and Hot Water Solutions for Multi-Storey Buildings

來源:千家网


隨著建築市場從高峰發展期,向平穩發展期過渡,既有建築改造會成為新常態,其中,飯店機電系統,特別是熱水系統的改造,是業主比較青睞,也容易顯現節能效果的改造。

本文結合某營運十多年飯店機電系統評估、改造的設計過程,對飯店熱水系統節能改造進行分析總結,探討類似項目的改造方法。


1 、工程概況
某五星級飯店於 2004 年 7 月試營業,2005 年 1 月 23 日正式開業,集度假、會議、商旅、餐飲於一體,佔地面積 12.8 萬 m2,建築面積 6.2 萬 m2,綠化面積 11.2 萬 m2,主樓高 78 m。

在飯店十多年的經營使用中,飯店的機電系統暴露出不少的問題,這些問題有的影響了客人的體驗,有的造成運行管理不方便,有的維護保養費用較高,有的不夠節能環保,有的管道和系統故障,不可能在日常維護保養得到處理,這些問題都有待於在機電系統壽命中期進行檢驗、梳理和解決完善;

另一方面,隨著時間的推移和技術的進步,目前飯店的機電系統硬體狀況,已經逐漸不能適應現行規範標準等的要求,和現時經營、節能的需要,需要做一些前瞻性的預測和判斷。

2 、現有能耗及節能改造潛力分析
根據飯店工程部提供的 2005~2014 年的飯店,逐月用電、用氣抄表數據,及空調系統冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔和空調末端的用電估算數據,對飯店 2005~2014 逐年能耗分析,如圖1所示。

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將本飯店與本地區近年建設的同等檔次飯店,上述能耗值進行比對發現,本飯店的能耗屬於中等偏上,說明本項目有一定的節能改造潛力。

根據飯店工程部提供的天然氣數據,對 2014 年飯店的天然氣用量做拆分,結果如圖2 所示。其中生活熱水與採暖鍋爐用量佔 44%,洗衣房鍋爐用量佔 38%,其餘為廚房用氣。

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對飯店而言,生活熱水需要全年 24 h供應,目前本飯店採用燃氣熱水鍋爐,來生產全部的生活熱水;另一方面,飯店空調系統的用量很大,而且由於公共區域內區的存在,一年四季均存在較大的供冷量。

飯店熱水節能改造,首先需選擇高效節能的熱源,在南方地區一般設置水熱泵和空氣源熱泵兩種。由於本項目為改造項目,無法找到合適的位置放置空氣源熱泵,且政府法規也要求「採用集中空調系統,有穩定熱水需求,建築面積在 10000  m2 以上的新建(含改建、擴建)公共建築,應當配套設計和建設空調廢熱回收利用裝置」。

項目所在地空調制冷時間較長,空調餘熱量足以覆蓋全年約 9 個月的生活熱水需求,如直接利用冷卻水,只是對生活熱水進行預熱,達不到生活熱水使用溫度要求,則鍋爐也一直需要開啓。

為盡量減少鍋爐開啓時間,建議在飯店中增設 1套熱回收型水-水熱泵機組,將原來需要透過冷卻塔,排入大氣的空調系統,冷凝熱用於生產生活熱水,減少熱水鍋爐系統的燃氣用量,預計可帶來較大的節能效益。

配置足夠容量的熱回收機組後,可以覆蓋全年約 9 個月的生活熱水需求,即全年有 3/4 的時間,無需透過燃氣鍋爐生產生活熱水。從圖2 中可以看到,飯店的鍋爐房用氣量,全年用氣總量的 44%,其中大部分用量在生活熱水上。

根據熱水耗熱量和採暖耗熱量估算,生活熱水用氣佔全年用氣總量的 30%,則全年可節約大約 22.5%的用氣量,即 11.9 萬 m3 天然氣,折合燃氣費 57 萬元。

經查閱一般廠家資料,熱回收型水-水熱泵機組專門供生活熱水COP一般為 4,則機組的年用電量約 25 萬kW·h,折合電費約 25 萬元。也就是說初步預測,使用上述熱回收系統後,飯店全年可節約能源費用約 32 萬元(上述數據根據飯店以前多年經營狀況,平均入住率約 60% 估算)。

本次改造熱源系統需要投資費用估算見表1
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從表1 可知,本次投資預計可在 5 年內回收成本。為此,本項目建議增設水-水熱泵提供生活熱水。過渡季及冬季回收量不足時,採用洗衣房機房內,本次改造前已增設的蒸汽鍋爐供應。
  
3、生活熱水系統節能改造設計
業主根據我方意見進行綜合對比分析,最終確定店生活熱水系統,主要進行以下幾項改造:
  
(1)屋頂蒸汽鍋爐、熱水鍋爐由於年久失修,效率低下,直接取消。為保證供應生活熱水及採暖安全,經複核在洗衣房、機房本次改造前,已增設的蒸汽鍋爐餘量足夠,故作為飯店的備用熱源。這樣,平時約 9 個月時間不需要開啓鍋爐,只是冬季開啓鍋爐,作為生活熱水熱源的補充及採暖熱源。
  
(2)為更好地節約能源,根據本地區氣候特點,在空調機房增設水熱泵,作為生活熱水第一熱源,此機組只作為生活熱水熱源,空調制冷則保留現有主機不變。
  
(3)為最大限度利用空調餘熱,提升能源綜合效益,將健康中心生活熱水熱源,也改為由水-水熱泵和蒸汽鍋爐提供。
  
3.1耗熱量及水-水熱泵供熱量計算
進行雙熱源——水-水熱泵+蒸汽鍋爐設計,水-水熱泵供熱量是關鍵,只有合理計算確定其供熱量,才能保證熱源改造後,設備投資營運綜合效益最大。參考現行《建築給水排水設計規範》耗熱量及供熱量公式計算結果見表2、表3。

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注:此計算為冬季時,冷熱水溫度分別為10 ℃60 ℃;水的比熱為4.187 kJ/kg·℃);水的密度為1 kg/L

3.2水-水熱泵+蒸汽雙熱源二次側系統設計
熱泵+蒸汽兩種熱源常規設計時,大都是熱泵換熱對應一組換熱器1、蒸汽換熱對應另一組換熱器 2,換熱器 1 與換熱器 2 串聯,且只有換熱器 2 的出水溫度,滿足使用水溫要求,換熱器 1 主要起到預熱作用。系統示意如圖3 所示。

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此系統雖然運行較穩定,控制簡單,但經過分析發現:此系統水熱泵只是預熱,蒸汽鍋爐全年都需要運行,對於節能改造效果有一定影響;

其次,兩組換熱器分別需要按規範,計算的熱水儲量進行儲存,總容積較大,增加了初始投資。為了更好地利用空調餘熱,盡量少開啓蒸汽鍋爐,也為了減少換熱器總容積,對上述傳統雙熱源系統進行優化,也參考其他一些項目雙熱源系統,最終採用如圖4 系統。
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從多個項目回饋資訊獲悉,此系統在初投資、運行能耗和熱水水溫穩定性等方面,都要優於傳統系統。
  
3.3水-水熱泵+蒸汽雙熱源一次側系統設計
一次側的系統設計初始,考慮在飯店屋頂熱水箱機房,和健康中心機房,將現有保溫熱水箱,分別更換為容積式換熱器,水-水熱泵熱源供應熱水、熱媒管和蒸汽鍋爐,供應蒸汽、熱媒管分別供至此兩處,均與容積式換熱器進行換熱,冷水被加熱後,儲存於容積式換熱器中。

由飯店換熱器和健康中心換熱器,分別供應各自生活熱水。後來,經過比對分析,健康中心耗熱量較小,相對於飯店耗熱量所佔比例很小。

為了減小設備投資,考慮將飯店屋頂容積式換熱器,容積增加少許,冷水經水-水熱泵熱源,和蒸汽鍋爐熱源加熱後,儲存於飯店容積式換熱器中,然後接管供應飯店生活熱水和健康中心熱水。系統示意見圖5。

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3.4熱水系統運行工況分析
本項目同時採用水熱泵熱源,和蒸汽鍋爐熱源,為更好地利用空調餘熱提高系統能效比,閥門切換控制尤為重要。本項目雙熱源系統運行工況如下:
  
(1)容積式換熱器既可串聯運行,也可並聯運行;一般串聯運行,閥門 A1、A3、A6、B3、B5、C3、C5、D2、D5、閥2 打開,其餘閥門關閉。若需並聯運行,閥門 A1、A2、A6、A7、B1、B2、B6、C1、C2、C6、D1、D2、D6、閥2 打開,其餘閥門關閉;且並聯運行需保證水箱的均衡性。
  
(2)當容積式換熱器 A 清洗,或出現問題不能使用時,閥門A6 關閉,A7 打開。
  
(3)透過控制一次側電動二通閥的開度保證板,換二次側出水溫度保持在設定值(如59 ℃)。
  
(4)透過調節電動三通閥容積式換熱器側的出水流量,保證三通閥容積式換熱器側,出水溫度不低於設定值(如56 ℃)。
  
(5)出水總管出水溫度低於設定溫度時(如50 ℃),開啓閥門 A4,加熱容積式換熱器 A,持續加熱一段時間後(如20 min)後,出水溫度仍低於設定溫度(如50 ℃),打開閥門B4,對容積式換熱器 B 進行加熱。

繼續加熱一段時間後(如20 min),出水溫度若仍低於設定溫度(如50 ℃),打開閥門 C4,對容積式換熱器 C 進行加熱。出水溫度若仍低於設定溫度(如50 ℃),打開閥門 D4,對容積式換熱器 D 進行加熱,當容積式換熱器內,水溫高於設定溫度時(如60 ℃),關閉各自閥門,停止加熱。
  
4、泳池熱源改造設計
由於健康中心原有熱源,均為空氣源熱泵,其中生活熱水用空氣源熱泵,設於地下室機房,採暖用空氣源熱泵設於屋面。現更換為統一由飯店供應熱源後,所有空氣源熱泵閒置。為了盡量利用現有設備,採用合理的熱源,考慮透過修改管道連接,利用這些閒置空氣源熱泵。

經計算,泳池初次加熱所需耗熱量為 150 kW,平時運行耗熱量 60 kW。現有空氣源熱泵,地下機房為健康中心,原有 5 台 27 kW/台供生活熱水+泳池,原有 2 台60 kW/台供泳池熱水空氣源熱泵,屋面為健康中心原有 2 台 180 kW/台供採暖用空氣源熱泵。

經比,兩處空氣源熱泵,即使在冬季極端天氣提供 70% 供熱量,仍可以滿足泳池耗熱量需求,而不必另外設置電輔助加熱。但屋面單台機組供熱功率較大,若改為供泳池熱水相比地下室效率會低許多,且平時運行維護費用也較高。故最終選擇地下室空氣源熱泵作為泳池熱源。

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由於泳池水,對普通空氣源熱泵換熱器會有腐蝕,考慮本項目原有泳池用熱泵,可以滿足平時運行需求,只是初次加熱時,需要用到原有健康中心用熱泵,為了簡化改造管路,在泳池循環管接通原健康中心生活熱水,用熱泵處加設閥門及放空閥,這樣初次加熱達到使用溫度後,關閉此閥並放空原健康中心熱泵管路內水,以防止長時間腐蝕。泳池循環熱水系統改造示意見圖6。346181100



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