魏曙光 劉澤華 徐啟武 劉靖晗 連茂利 鄧召旭

(1.同圓設計集團股份有限公司,濟南;2.山東太陽控股集團有限公司,濟寧)

1 酒店工程概況及用能現(xiàn)狀

對既有公共建筑尤其是高能耗建筑進行節(jié)能技術(shù)改造,是實現(xiàn)建筑領(lǐng)域“雙碳”目標的重要組成部分[1-2]。本文以某大型酒店綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化提升為案例,通過近1個供暖季的運行,該系統(tǒng)取得了良好的節(jié)能和節(jié)費效果,以期為類似項目的改造提供一些經(jīng)驗和幫助。

該酒店位于山東省濟寧市,總建筑面積10.2萬m2,地上18層,地下2層,為正式掛星的大型高檔五星級酒店,于2010年建成并投入使用,現(xiàn)對其熱源系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化提升改造。改造前的熱源為酒店附近一家工廠提供的蒸汽,通過近5 km的長距離輸送至酒店使用。需要熱源的系統(tǒng)包括酒店冬季供暖系統(tǒng)、酒店洗衣房蒸汽系統(tǒng)、酒店生活熱水系統(tǒng)、酒店泳池熱水系統(tǒng)、酒店職工公寓冬季供暖系統(tǒng)等,除洗衣房直接用蒸汽外,其他系統(tǒng)目前使用蒸汽分別通過汽-水板式換熱器、汽-水半容積式換熱器等換熱設備將水加熱至相應溫度進行供熱。

當前酒店熱源用能存在的問題包括:長距離蒸汽輸送加上蒸汽管路老化,整體沿途熱損失較大;主管路跑冒滴漏情況經(jīng)常發(fā)生,對沿途市政道路安全產(chǎn)生一定影響;蒸汽換熱后,未對凝結(jié)水進行回收利用,直接全部就地排放,浪費水資源;夏季及春秋季僅生活熱水和洗衣房用蒸汽熱源,主蒸汽管道為小負荷工況運行,依然要保壓保量,熱損失較大,系統(tǒng)流量過小使得蒸汽主管道內(nèi)產(chǎn)生一定量的凝結(jié)水,影響蒸汽使用效果。因該項目工廠與酒店同屬一家上級企業(yè)集團,目前工廠對酒店收取較低的蒸汽能源費用(蒸汽單價僅為260元/t),能源利用效率低、浪費嚴重,工廠不堪重負。鑒于上述問題,業(yè)主方希望盡快對酒店熱源系統(tǒng)進行節(jié)能改造。

2 酒店蒸汽熱源負擔各用能系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 酒店洗衣房蒸汽系統(tǒng)

根據(jù)洗衣房內(nèi)各設備銘牌參數(shù),洗衣、烘干、熨燙等各設備蒸汽用量統(tǒng)計見表1。計算最大蒸汽用量為696 kg/h,經(jīng)現(xiàn)場多年運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,實際最大蒸汽用量約600 kg/h、每日蒸汽總用量約3.5 t,蒸汽壓力為0.70 MPa。

表1 洗衣房蒸汽用汽設備統(tǒng)計

2.2 酒店生活熱水系統(tǒng)

酒店生活熱水共分5套系統(tǒng),分別為低區(qū)客房熱水、高區(qū)客房熱水、洗衣房用熱水、廚房餐飲區(qū)熱水、桑拿部熱水系統(tǒng)。每套系統(tǒng)設有2臺半容積式換熱器,制取55 ℃生活熱水,蒸汽凝結(jié)水就地排放,均為閉式承壓、冷熱水同水同源系統(tǒng),熱水出水壓力穩(wěn)定。

2.3 酒店冬季供暖系統(tǒng)

酒店冬季供暖面積為8.1萬m2,供暖總熱負荷為6 480 kW,豎向系統(tǒng)不分區(qū),使用蒸汽通過2套汽-水板式換熱器將水加熱成供/回水溫度為55 ℃/45 ℃的供暖熱水供集中空調(diào)末端使用。

2.4 酒店泳池熱水系統(tǒng)

酒店泳池尺寸為25.0 m×12.5 m,平均水深1.5 m,總有效水容積為470 m3,全年24 h運行。設有2套汽-水板式換熱器,通過蒸汽熱源換熱后為泳池提供熱水,蒸汽凝結(jié)水就地排放。設有恒溫加熱控制器,上限溫度設定為30 ℃,下限溫度設定為26 ℃,循環(huán)水泵根據(jù)恒溫控制器自動啟停運行。

2.5 酒店職工公寓冬季供暖系統(tǒng)

公寓冬季供暖面積為2.3萬m2,總供熱負荷為1 350 kW,使用蒸汽通過汽-水板式換熱器將水加熱成供/回水溫度為75 ℃/50 ℃的供暖熱水供末端散熱器使用。

2.6 各系統(tǒng)基本情況匯總(見表2)

表2 各系統(tǒng)用能情況

3 改造技術(shù)路線分析

3.1 當?shù)啬茉磧r格(見表3)

表3 當?shù)啬茉磧r格

3.2 總體改造原則及思路

改造期間不可影響酒店正常營業(yè),各熱源末端均不作改造調(diào)整,改造完成后滿足各系統(tǒng)使用要求,盡可能降低運行能耗、運行費用。通過表2可知,該項目用能系統(tǒng)較多且用能末端、用能參數(shù)各不相同,不同季節(jié)、不同時段工況變化復雜,用能峰谷差異較大,存在極小負荷用能工況,若將上述系統(tǒng)集中整合到一套大的能源系統(tǒng)之中,可能會使系統(tǒng)較為復雜、改造難度較大。由此該項目采用了相對集中+局部分散、針對每個系統(tǒng)各自制定合理方案的總體思路。

4 各用能系統(tǒng)改造方案分析

4.1 酒店洗衣房蒸汽系統(tǒng)改造方案分析

蒸汽屬高品位能源,民用建筑小蒸汽量供應常用方式為電或燃氣蒸汽發(fā)生器,以下對2種蒸汽供應方案進行對比分析。蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)汽量為750 kg/h。

方案1:空氣源熱泵預熱+電蒸汽發(fā)生器蒸汽供應系統(tǒng),原理圖見圖1。洗衣房內(nèi)為高溫高濕環(huán)境,有大量余熱需去除,在洗衣房內(nèi)增設1套小型空氣源熱泵熱水系統(tǒng)(包含空氣源熱泵、循環(huán)水泵、儲水箱等),回收洗衣房室內(nèi)熱量制取45～55 ℃熱水儲存于熱水箱內(nèi),電蒸汽發(fā)生器自熱水箱內(nèi)取熱水制取蒸汽,可大幅降低電蒸汽發(fā)生器能耗,同時可降低洗衣房室內(nèi)溫度。

圖1 空氣源熱泵預熱+電蒸汽發(fā)生器蒸汽供應系統(tǒng)原理

方案2:燃氣蒸汽發(fā)生器蒸汽供應系統(tǒng)。由于受燃氣蒸汽發(fā)生器設置位置所限,無法設于洗衣房內(nèi)或附近,因此難以增設空氣源熱泵預熱系統(tǒng)。

方案對比見表4,按照每日生產(chǎn)3.5 t蒸汽、每小時蒸汽供應量600 kg/h計算日運行費用。當?shù)啬茉磧r格為燃氣3.65元/m3,電價為0.80元/(kW·h)。

表4 蒸汽供應系統(tǒng)方案對比

通過表4可以看出,方案1運行費用明顯高于方案2。在初投資方面,方案1需增加540 kW的配電功率,受現(xiàn)場配電系統(tǒng)所限,改造難度較大且初投資遠高于方案2。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析比較,最終采用方案2作為改造實施方案。

4.2 酒店生活熱水系統(tǒng)改造方案分析

節(jié)能性較好的熱水系統(tǒng)包括太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)等。通過現(xiàn)場勘查,該項目難有適合放置太陽能集熱板的位置;熱水系統(tǒng)較多且較為分散,需要滿足冷熱水同水同源,難以應用空氣源熱泵、熱水箱等集中熱水系統(tǒng)。最終采用了改造難度較小、可靠度較高的方案形式——容積式燃氣熱水爐分系統(tǒng)分區(qū)熱水供應方案,原理圖見圖2。每個熱水系統(tǒng)在冷水進水管路上串聯(lián)3～4臺容積式燃氣熱水爐,單臺熱水爐額定供熱量99 kW、儲水量400 L、燃氣消耗量9.9 m3/h,水溫可設定范圍為32～82 ℃,系統(tǒng)其他均不作變動。原系統(tǒng)中的汽-水容積式換熱器也無需拆除,可用于存儲一部分熱水,使得熱水系統(tǒng)更加安全可靠。

圖2 容積式燃氣熱水爐熱水供應系統(tǒng)方案原理

4.3 酒店冬季供暖系統(tǒng)改造方案分析

空氣源熱泵和燃氣鍋爐是民用建筑常用的供暖熱源?？諝庠礋岜霉┡到y(tǒng)其優(yōu)勢在于節(jié)能性、低運行費用,該項目所在地的氣電比(燃氣價格與電價之比)為4.56 kW·h/m3,具有較好的優(yōu)勢。但在極端天氣工況下,熱泵機組可靠性、化霜工況及室內(nèi)舒適度是五星級酒店值得關(guān)注的問題,另外熱泵機組占地面積較大、初投資及配電系統(tǒng)要求較高,使得該項目業(yè)主難以接受此方案。燃氣鍋爐供暖系統(tǒng)簡單可靠、初投資低、占地面積小,是很多高檔星級酒店常采用的供暖熱源。但隨著燃氣價格不斷攀升,運行費用逐年升高是酒店業(yè)主對方案選擇的顧慮之處。

2種系統(tǒng)各有優(yōu)劣,若將兩者結(jié)合,取長補短、各自發(fā)揮其優(yōu)勢,是一種較好的解決方案。天然氣與可再生能源融合發(fā)展是共同快速推進高碳能源向低碳能源轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要方式之一?；诖?該項目綜合采用了常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合的聯(lián)合供暖系統(tǒng)。酒店全年逐日熱負荷計算結(jié)果見圖3,全年最大熱負荷為7 165 kW,最小熱負荷為1 219 kW。

圖3 100%入住率下酒店全年逐日熱負荷

由于當?shù)胤锹糜螣衢T城市,在新冠疫情之前供暖季該酒店入住率基本維持在40%左右,基于40%入住率的酒店全年逐日熱負荷見圖4,最大熱負荷為3 650 kW,最小熱負荷為582 kW。多能耦合系統(tǒng)需要綜合多種運行工況,合理配置各熱源比例,該項目空氣源熱泵機組基于40%入住率的運行工況進行配置比例計算對整個項目降低初投資、節(jié)省運行費用更為有利。所配置的熱泵機組在不同室外溫度、不同出水溫度下的COP變化曲線見圖5。結(jié)合40%入住率熱負荷曲線圖、項目室外場地限制條件,最終配置了13臺超低溫型空氣源熱泵機組,單臺在GB 37480—2019《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組能效限定值及能效等級》工況下的供熱量為160 kW,占40%入住率下熱負荷的50%;再按照總熱負荷配置了5臺常壓燃氣熱水鍋爐,單臺供熱量為1 030 kW,滿足五星級酒店最不利工況運行需求?？諝庠礋岜脵C組雖然配置比例較低,但根據(jù)實際運行工況能夠充分發(fā)揮耦合供暖系統(tǒng)的節(jié)能效果。相比全部為空氣源熱泵系統(tǒng),配電功率下降了70%,占地面積減少了60%,初投資降低了60%。原理圖見圖6。設有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集室外環(huán)境溫度、系統(tǒng)供回水溫度、熱泵供回水溫度、鍋爐供回水溫度、系統(tǒng)供回水壓力等。將熱泵機組供暖工況COP隨室外溫度及出水溫度變化曲線輸入自控系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)曲線和所監(jiān)測的室外溫度、出水溫度自動計算熱泵機組COP,通過內(nèi)置計算程序疊加水泵等其他附屬配套運行設備功率,自動綜合計算鍋爐供暖、熱泵機組供暖的經(jīng)濟性,在保障高質(zhì)量供熱的前提下,以更小成本運行策略協(xié)調(diào)熱源啟用優(yōu)先級,降低供熱成本,從而智能調(diào)用雙能源協(xié)同供熱運行;對系統(tǒng)進行智慧化能源管理,實現(xiàn)無人值守。

圖4 40%入住率下酒店全年逐日熱負荷

圖5 該項目所配置的空氣源熱泵機組在不同室外溫度、不同出水溫度下COP變化曲線

圖6 常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合聯(lián)合供暖系統(tǒng)控制原理

根據(jù)所在地當前能源價格(燃氣價格3.65元/m3、電價0.80元/(kW·h))計算,燃氣鍋爐供暖運行費用與空氣源熱泵機組COP為2.1左右時的運行費用基本相當,當COP高于2.1時空氣源熱泵機組供暖運行費用更為節(jié)省。根據(jù)圖5推算得到出水溫度為45 ℃、室外溫度低于-17 ℃時,熱泵機組COP為2.1左右。

該項目所處地冬季供暖工況室外溫度低于-17 ℃的時間較短,因此該項目制定了如下運行控制策略:優(yōu)先啟動超低溫空氣源熱泵供暖;監(jiān)測系統(tǒng)供回水溫度,當負荷不足時開啟燃氣鍋爐補充。耦合供暖系統(tǒng)運行控制策略需要根據(jù)各地不同的能源價格和室外氣象參數(shù)綜合優(yōu)化確定。

4.4 酒店泳池熱水系統(tǒng)改造方案分析

酒店泳池采用泳池專用空氣源熱泵機組直供熱水系統(tǒng),選用2臺泳池專用空氣源熱泵,單臺機組額定制熱量為114.5 kW,輸入功率為26.0 kW,機組最高出水溫度為35 ℃,在GB 37480—2019工況下COP為5.7,機組內(nèi)部接觸泳池循環(huán)水部分采用耐強腐蝕材質(zhì),泳池水可直接進入熱泵機組加熱循環(huán),系統(tǒng)原理圖見圖7。該熱水系統(tǒng)較為簡單可靠,無需再增加換熱系統(tǒng),改造難度及改造成本較低,特別適合該項目實際情況。

圖7 泳池專用空氣源熱泵熱水加熱系統(tǒng)原理

4.5 酒店職工公寓冬季供暖系統(tǒng)改造方案分析

因公寓樓采用散熱器供暖,其供暖水溫較高,原設計供/回水溫度為75 ℃/50 ℃?？紤]空氣源熱泵機組供暖水溫偏低、機組噪聲對公寓住戶影響較大,同時占地面積、配電功率、質(zhì)量荷載等方面現(xiàn)場難以滿足,因此不采用空氣源熱泵作為供暖熱源;經(jīng)現(xiàn)場勘查和根據(jù)相關(guān)設計規(guī)范要求,現(xiàn)場無適合設置燃氣鍋爐的位置,難以采用燃氣鍋爐作為供暖熱源。因此該項目采用了系統(tǒng)較為簡單的容積式燃氣熱水爐作為供暖熱源,直接設于屋面,共配置14臺,單臺熱水爐額定供熱量99 kW、儲水量400 L、燃氣耗量9.9 m3/h,水溫可設定范圍為32～82 ℃。燃氣熱水爐優(yōu)勢在于不屬于壓力容器和鍋爐范疇,可以放置于室外,本身可承壓、可直接串聯(lián)在系統(tǒng)之中,無需再設隔壓換熱設備,供熱效率高。系統(tǒng)原理圖見圖8。

圖8 酒店職工公寓容積式燃氣熱水爐冬季供暖系統(tǒng)原理

5 各系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

各系統(tǒng)于2022年底相繼完成改造施工及調(diào)試,并于2023年1月1日正式投入使用。改造完成后各系統(tǒng)運行狀態(tài)平穩(wěn)良好,室內(nèi)參數(shù)達標,酒店管理使用方對改造效果較為滿意。2023年1月1日至3月20日供暖季結(jié)束,對各系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理,同時對2022年同期運行數(shù)據(jù)也進行了整理。由于受新冠疫情及酒店經(jīng)營管理方向調(diào)整等因素影響,近幾年酒店入住率普遍在30%左右。2023年初,雖然國內(nèi)新冠疫情基本結(jié)束,但該酒店前3個月運營情況與疫情3年期間同時段運營情況基本相同,因此與往年同期運行情況及運行數(shù)據(jù)具有較好的可比性。運行費用計算依據(jù)為燃氣價格3.65元/m3、電價0.80元/(kW·h)、蒸汽價格260元/t。

5.1 酒店燃氣蒸汽發(fā)生器蒸汽供應系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

酒店洗衣房燃氣蒸汽發(fā)生器燃氣用量及燃氣費用統(tǒng)計見表5,系統(tǒng)運行用電量每月平均為3 800 kW·h,平均電費為3 040元/月。2022年同期酒店洗衣房直接使用蒸汽量及蒸汽費用統(tǒng)計見表6。

表5 2023年第1季度酒店洗衣房蒸汽發(fā)生器各月燃氣用量及燃氣費用統(tǒng)計

表6 2022年第1季度酒店洗衣房蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計

5.2 酒店容積式燃氣熱水爐分系統(tǒng)分區(qū)熱水供應系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

酒店生活熱水系統(tǒng)容積式燃氣熱水爐燃氣用量及燃氣費用統(tǒng)計見表7。2022年同期酒店生活熱水系統(tǒng)使用蒸汽換熱的蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計見表8。

表7 2023年第1季度酒店生活熱水系統(tǒng)燃氣熱水爐各月燃氣用量及燃氣費用統(tǒng)計

表8 2022年第1季度酒店生活熱水蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計

5.3 酒店常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

受入住率所限,2023年1—3月酒店實際供暖面積約2.5萬m2,因此所改造的多能耦合供暖系統(tǒng)在當前工況下僅運行空氣源熱泵即可滿足全部供暖需求,燃氣鍋爐暫未運行。空氣源熱泵機組用電量及電費統(tǒng)計見表9。2022年同期酒店供暖系統(tǒng)使用蒸汽換熱的蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計見表10。

表9 2023年第1季度酒店空氣源熱泵機組各月用電量及電費統(tǒng)計

表10 2022年第1季度酒店供暖蒸汽系統(tǒng)蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計

5.4 酒店職工公寓容積式燃氣熱水爐供暖系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

酒店職工公寓容積式燃氣熱水爐燃氣用量及燃氣費用統(tǒng)計見表11。2022年同期酒店職工公寓供暖系統(tǒng)使用蒸汽換熱的蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計見表12。

表11 2023年第1季度職工公寓燃氣熱水爐供暖系統(tǒng)各月燃氣用量及燃氣費用統(tǒng)計

表12 2022年第1季度職工公寓供暖系統(tǒng)蒸汽用量及蒸汽費用統(tǒng)計

5.5 酒店泳池專用空氣源熱泵機組串聯(lián)直供熱水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

受酒店入住率及疫情影響,酒店泳池到2023年3月20日供暖季結(jié)束為止仍未開啟運行,泳池專用空氣源熱泵串聯(lián)直供熱水系統(tǒng)運行費用數(shù)據(jù)暫無法統(tǒng)計,但通過其他類似項目運行數(shù)據(jù)可知,相比原蒸汽系統(tǒng)會有較大的節(jié)能和節(jié)省運行費用的空間。

6 運行情況及運行數(shù)據(jù)分析

6.1 運行情況分析

改造完成后各系統(tǒng)運行狀態(tài)平穩(wěn),室內(nèi)參數(shù)達標,酒店管理使用方對改造效果較為滿意。生活熱水系統(tǒng)及洗衣房蒸汽系統(tǒng)2023年1月平均燃氣用量普遍高于2、3月,分析原因主要為系統(tǒng)處于運行摸索階段,還未完全掌握系統(tǒng)運行規(guī)律,蒸汽系統(tǒng)保證壓力設定值過高(0.85 MPa),室外溫度較低,能耗較大。隨著系統(tǒng)運行管理水平的提高及機組設置定時開關(guān)機模式、蒸汽壓力設定值調(diào)整降低等優(yōu)化措施的采用,燃氣平均用量逐漸降低。

6.2 各系統(tǒng)熱源改造前后運行費用對比分析

通過表6～12運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,各系統(tǒng)熱源改造前后運行費用對比匯總見表13。通過計算得到改造后運行費用總體節(jié)省率為36.4%,除洗衣房蒸汽供應系統(tǒng)外,其他系統(tǒng)均取得了較好的節(jié)省運行費用的效果,尤其是空氣源熱泵冬季供暖系統(tǒng),運行費用節(jié)省率達到45.0%以上。

表13 各系統(tǒng)熱源改造前后運行費用對比匯總

燃氣蒸汽發(fā)生器通過統(tǒng)計計算得到的生產(chǎn)蒸汽費用約為288元/t,已是費用較低的一種方式,相比2022年同期運行費用略有增加,主要原因在于工廠給酒店的蒸汽價格較低(260元/t),遠低于正常蒸汽市場價格。

6.3 各系統(tǒng)熱源改造前后運行能耗對比分析

各系統(tǒng)熱源改造前后運行能耗統(tǒng)計及折算標準煤見表14,通過計算得到改造后節(jié)能率為50.5%,其中空氣源熱泵冬季供暖系統(tǒng)節(jié)能率達到74.0%以上。

表14 各系統(tǒng)熱源改造前后運行能耗對比匯總

7 結(jié)束語

高檔星級酒店建筑能源需求種類較多、能源消耗量較大,對于能源優(yōu)化利用提升改造項目需要采用相適宜的能源方案來解決相應的系統(tǒng)問題。該五星級酒店的熱源節(jié)能改造項目綜合運用了燃氣蒸汽發(fā)生器蒸汽供應系統(tǒng)、容積式燃氣熱水爐分系統(tǒng)分區(qū)熱水供應系統(tǒng)、常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合聯(lián)合供暖系統(tǒng)、泳池專用空氣源熱泵機組串聯(lián)直供熱水系統(tǒng)、容積式燃氣熱水爐供暖系統(tǒng)等,近1個供暖季的運行結(jié)果表明,取得了良好的節(jié)能和節(jié)費效果。