公共建筑節(jié)能改造的設(shè)計(jì)分析

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摘要:公共建筑的節(jié)能改造是目前供熱領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是國家大力倡導(dǎo)的一個(gè)方向。以往的公共建筑節(jié)能改造更多的停留在諸如建筑結(jié)構(gòu)、保溫材料這類建筑本體技術(shù)上，本文旨在探索一個(gè)新的思路，通過對(duì)公共建筑的二次管網(wǎng)進(jìn)行改造，滿足不同建筑的個(gè)性化供熱需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。文中先根據(jù)建筑特點(diǎn)，提出節(jié)能方案，分析節(jié)能空間并根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，對(duì)于類似項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞:公共建筑;節(jié)能;電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;PLC

1引言

公共建筑的節(jié)能改造是目前供熱領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是國家大力倡導(dǎo)的一個(gè)方向，甚至出臺(tái)不少關(guān)于公共建筑能耗指標(biāo)、公共建筑節(jié)能評(píng)估辦法、以及公共建筑用能管理的文件、辦法甚至國家標(biāo)準(zhǔn)。但這些更多的停留在諸如建筑結(jié)構(gòu)、保溫材料這類建筑本體節(jié)能技術(shù)和諸如能耗指標(biāo)、評(píng)估辦法等管理方式上。在我國北方，對(duì)于公共建筑，還有個(gè)很大的能源消耗是集中供熱期間的熱能消耗，降低熱能消耗具有十分重要的意義。相比較于住宅，公共建筑有其自身特點(diǎn)，如何根據(jù)公共建筑的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套適合于公共建筑的節(jié)能方案，是目前供熱領(lǐng)域大家都在積極思索的問題。重慶市偉岸測(cè)器制造股份有限公司在2014年通過市場(chǎng)公開招標(biāo)一舉奪得某單位2014年既有建筑供熱計(jì)量及節(jié)能改造工程(2標(biāo)段)的承建項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及該單位9個(gè)換熱站95棟公建群，其中包括行政辦公樓47棟，職工食堂5個(gè)，車庫9個(gè)，服務(wù)性設(shè)施7棟，醫(yī)院3所，學(xué)校2所，商務(wù)酒店和宿舍大樓22棟，涉及供熱面積89萬平方米左右。從業(yè)主方的招標(biāo)書可以看到，項(xiàng)目的目的非常明確，就是通過對(duì)公共建筑的二次管網(wǎng)改造實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本項(xiàng)目涉及到的公共建筑群種類比較多，基本涵蓋了常見的各種公共建筑類型。而通過現(xiàn)場(chǎng)考察，這些公共建筑群相對(duì)還比較集中，非常適合進(jìn)行節(jié)能改造，改造后的成果對(duì)于其它類似項(xiàng)目也具有非常典型的示范效應(yīng)。

2節(jié)能改造方案

2.1目標(biāo)建筑特點(diǎn)

(1)上述所有公建群內(nèi)的工作人員作息時(shí)間固定，大多數(shù)建筑白天有人員，夜間無人，采暖需求集中在工作日的白天上班時(shí)段，而節(jié)假日或工作日的下班時(shí)段，無需正常供熱;(2)即使上述公建群內(nèi)存在著個(gè)別值班人員，為了一兩個(gè)人員取暖，而讓整個(gè)公建樓棟正常供熱，形成了事實(shí)上的嚴(yán)重?zé)嵩蠢速M(fèi)現(xiàn)象。此外，這些人員的供暖可以通過輔助設(shè)備解決;(3)公建和民建往往共用一根供暖管線，而在作息時(shí)間上，正好存在供熱時(shí)間上的互補(bǔ)現(xiàn)象，如果合理應(yīng)用，可以更高效率的利用管網(wǎng)和熱源。

2.2節(jié)能方案

在每個(gè)公建樓棟二次網(wǎng)回水管道上加裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)樓棟二次網(wǎng)流量;在公建樓棟二次網(wǎng)給水管道上加裝球閥、過濾器、熱量表對(duì)流量、熱量進(jìn)行計(jì)量;;在公建樓棟不同的樓層和房間安裝GPRS溫度采集器，收集來自不同采集點(diǎn)的溫度信息。上述所有數(shù)據(jù)進(jìn)入安裝在樓棟管道井內(nèi)的就地PLC控制器。通過就地PLC控制器，按分時(shí)段和室外溫度補(bǔ)償?shù)瓤刂颇Ｊ竭M(jìn)行適時(shí)控制，提供不同的供熱需求，達(dá)到公共建筑的節(jié)能效果。同時(shí)，通過GPRS無線通信方式，將PLC控制器各種現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和各種控制模式的切換，從而形成就地和遠(yuǎn)程的聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

2.3節(jié)能原理

根據(jù)上述公建樓棟的功能和作息時(shí)間，通過安裝在各公建樓棟熱力入口處上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及PLC控制器，按公建不同功能性質(zhì)的作息時(shí)間段進(jìn)行就地和遠(yuǎn)程的適時(shí)控制。通過改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在不同時(shí)段的開度值，控制供熱流量的大小，改變供回水溫度來到達(dá)節(jié)能效果。同時(shí)在保證二網(wǎng)回水壓力值恒定的條件下，控制好合理的循環(huán)壓差，確保公建樓棟在最不利點(diǎn)上不會(huì)形成氣阻，而影響公建的供熱效果。在對(duì)各公建樓棟進(jìn)行分時(shí)段供熱的情況下，隨著溫度調(diào)節(jié)閥開度的降低，二次網(wǎng)水循環(huán)量也會(huì)減少，循環(huán)泵用電量隨之下降，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.4節(jié)能測(cè)算

(1)理想節(jié)能率的預(yù)算以供暖時(shí)間180天，作息時(shí)間上午10:00上班，下午19:00下班為例。在休息時(shí)段、周末日和節(jié)假日節(jié)能供熱?？紤]到溫度的滯后反應(yīng)，提前4小時(shí)正常供熱，提前2小時(shí)節(jié)能供熱。即溫度調(diào)節(jié)閥在白天作息時(shí)間上午6:00至下午18:00時(shí)間段，將閥位開度開至100%進(jìn)行正常供熱，而在下午18:00至第二天早晨6:00時(shí)間段將閥位開度開至30%左右，保證管道不被凍裂的情況下進(jìn)行供熱。則可節(jié)能時(shí)間計(jì)算如下:①周末可節(jié)能時(shí)間為:180×2/7=51(天)②夜間可節(jié)能時(shí)間為:180×5/7×1/2=62(天)③國家法定節(jié)日時(shí)間為:3天(春節(jié))+1天(元旦節(jié))+1天(清明節(jié))=5天故可利用總節(jié)能時(shí)間為:a+b+c=51+62+5=116(天)④在理想的節(jié)能狀態(tài)下，假設(shè)調(diào)節(jié)閥開啟度為30%，則理想的節(jié)能率=總節(jié)能時(shí)間/總采暖時(shí)間×節(jié)能狀態(tài)閥關(guān)度x修正系數(shù)116/180×(1－30%)x50%=22%備注:修正系數(shù)是考慮到閥門開度降低后，回溫會(huì)降低。同時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度與流量的關(guān)系也非線性關(guān)系。以熱費(fèi)成本10元/平方計(jì)算，每年每平方米可以節(jié)約資金=10×22%=2.2(元)(2)影響因素①在節(jié)能狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉度可任意調(diào)節(jié)，在不同的時(shí)間段內(nèi)，可以根據(jù)實(shí)際的天氣情況設(shè)置不同的開啟度，即實(shí)際節(jié)能率還有上升空間。②供熱晝夜不均衡對(duì)節(jié)能率的影響，夜間溫度低于白天，所以從整體分析，白天的供熱量相對(duì)于夜間要少，所以在夜間節(jié)能，相同的舒適度下，夜間的能耗要高于白天，也會(huì)使實(shí)際節(jié)能率有所上升。③回水溫度對(duì)節(jié)能率的影響，以上計(jì)算中主要從時(shí)間段節(jié)能上分析，事實(shí)上，進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)后，回水溫度要比正常供熱低，所以會(huì)使節(jié)能率有所下降。

3投資與收益

勵(lì)行節(jié)約，實(shí)現(xiàn)企業(yè)利潤最大化，現(xiàn)代經(jīng)營管理學(xué)告訴我們:“節(jié)約就是獲利”，節(jié)約的重點(diǎn)“應(yīng)放在企業(yè)最大的支出項(xiàng)上”，因?yàn)檫@樣的節(jié)約能使利益最大化。供熱公司是以買賣熱能為贏利方式的企業(yè)，熱能支出是最大的支出項(xiàng)。所以，要實(shí)現(xiàn)利潤最大化，就應(yīng)在節(jié)約熱能上下功夫。以面積為9507平方米公建為例，供熱入口管徑為125mm，如果使用了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，年節(jié)能費(fèi)用為:9507×2.2=20915元，單套二次網(wǎng)節(jié)能調(diào)節(jié)系統(tǒng)成本約為85000元，每年運(yùn)營成本約為1000元，5年左右即可回收成本。

4實(shí)際測(cè)試

為了證實(shí)在熱計(jì)量改造后，是否能夠按照我們理想中的節(jié)能率來到達(dá)節(jié)能效果，我們?cè)趯?shí)施改造后，將95個(gè)公建群中，抽取了其中帶固定作息時(shí)間性質(zhì)，并且具有一對(duì)一獨(dú)立控制的24個(gè)公建建筑群，分別按三個(gè)批次用分時(shí)段控制的方式進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)辦公室建筑用熱特點(diǎn)，考慮建筑物熱惰性引起的時(shí)間延遲，預(yù)先設(shè)定調(diào)節(jié)閥的啟閉時(shí)間，在上班10:00前，提前4個(gè)小時(shí)(即早晨6:00)將調(diào)節(jié)閥閥位開度從30%開至到100%，此閥位開度將延續(xù)至下午18:00(時(shí)間段為白天12小時(shí))，此時(shí)間段耗熱量我們把它作為白天12小時(shí)的耗熱時(shí)間，即白天的熱累積量。因溫度變化有較大的滯后現(xiàn)象，在下班19:00前，提前一個(gè)小時(shí)(即下午18:00)將調(diào)節(jié)閥閥位開度從100%降至到30%，此閥位開度將延續(xù)至第二天凌晨6:00(時(shí)間段為夜間12小時(shí))，此時(shí)間段耗熱量我們把它作為夜間12小時(shí)的耗熱時(shí)間，即夜間的熱累積量。兩個(gè)時(shí)間段熱量之差粗略計(jì)算為當(dāng)天節(jié)約的熱量。同時(shí)，兩個(gè)時(shí)間段產(chǎn)生的瞬時(shí)流量差，即為當(dāng)天節(jié)電量換算依據(jù)。

5認(rèn)識(shí)與分析

公共建筑供熱節(jié)能裝置主要針對(duì)整個(gè)樓棟的控制，適用于用熱時(shí)間較集中，作息時(shí)間較固定，分時(shí)段控制性較強(qiáng)的公共建筑，例如:辦公樓、學(xué)校、體育館和商場(chǎng)等大型公共建筑，這類建筑能耗大，同時(shí)這類建筑使用性能與住宅不同，一般在晚上無人使用，只需保證管道不結(jié)凍，即保證值班供暖溫度(一般為5－8度)即可。節(jié)能閥通過加裝自控裝置實(shí)現(xiàn)樓棟入口的流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段供熱模式，可大大降低能耗。在上述公建群節(jié)能改造的同時(shí)，必須同時(shí)對(duì)各公建對(duì)應(yīng)的換熱站循環(huán)系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，因?yàn)樵诟鞴ㄟM(jìn)行分時(shí)段調(diào)節(jié)的同時(shí)，系統(tǒng)的流量、壓力將發(fā)生不同程度的改變，為保證正常的二網(wǎng)壓差循環(huán)和定壓補(bǔ)水，使其在系統(tǒng)最不利點(diǎn)得到正常水循環(huán)，而不被形成氣阻，影響供熱，浪費(fèi)能源，建議對(duì)二網(wǎng)系統(tǒng)采用自動(dòng)變頻運(yùn)行。很多公建和民建供暖管道都使用同一根管線，而供暖高峰期的時(shí)間正好相反，即白天與晚上供暖需求正好形成互補(bǔ)，建議對(duì)上述進(jìn)入民建分支的入口管線也安裝相應(yīng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，這樣對(duì)整個(gè)供暖系統(tǒng)水力平衡起到了更好的互補(bǔ)作用。由于安裝溫控閥的位置多為管溝和新建的熱井，而這些安裝的條件是地方狹窄，空氣潮濕，為了更好的適應(yīng)公建節(jié)能項(xiàng)目的推進(jìn)工作，建議將調(diào)節(jié)閥的物理尺寸盡量變小，還要同時(shí)提高調(diào)節(jié)閥的防護(hù)等級(jí)。由于PLC與上位機(jī)的通信，通常采用GPRS進(jìn)行無線通信，而這種方式往往受到當(dāng)?shù)氐耐ㄐ呕拘盘?hào)的強(qiáng)弱、設(shè)備安裝的位置和氣候的影響，而無法使數(shù)據(jù)和各種控制指令進(jìn)行及時(shí)收集和實(shí)時(shí)調(diào)整，建議改變通信方式。因公共建筑大樓都敷設(shè)了光纖和電話線路，只要通過一定的方式轉(zhuǎn)換就能很好的解決通信問題，從而使數(shù)據(jù)和控制指令能夠及時(shí)的給予顯示和響應(yīng)，可大大提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6結(jié)束語

通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，二次網(wǎng)節(jié)能改造方案實(shí)施后，節(jié)約熱能15%，節(jié)能效果明顯。二次網(wǎng)節(jié)能自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，提高了供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化操作水平，深入了智能熱網(wǎng)的智能化層級(jí)，顯現(xiàn)了較好的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)效益明顯，推廣意義深遠(yuǎn)。

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作者：曹鵬 蔣濟(jì)友 單位：重慶市偉岸測(cè)器制造股份有限公司