公共建筑節(jié)能改造的設計分析
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摘要:公共建筑的節(jié)能改造是目前供熱領域的熱點，也是國家大力倡導的一個方向。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，本文旨在探索一個新的思路，通過對公共建筑的二次管網(wǎng)進行改造，滿足不同建筑的個性化供熱需求，實現(xiàn)節(jié)能。文中先根據(jù)建筑特點，提出節(jié)能方案，分析節(jié)能空間并根據(jù)實際現(xiàn)場進行了數(shù)據(jù)分析，對于類似項目具有一定的指導作用。
關鍵詞:公共建筑;節(jié)能;電動調(diào)節(jié)閥;PLC
1引言
公共建筑的節(jié)能改造是目前供熱領域的熱點，也是國家大力倡導的一個方向，甚至出臺不少關于公共建筑能耗指標、公共建筑節(jié)能評估辦法、以及公共建筑用能管理的文件、辦法甚至國家標準。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、評估辦法等管理方式上。在我國北方，對于公共建筑，還有個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，如何根據(jù)公共建筑的特點，設計一套適合于公共建筑的節(jié)能方案，是目前供熱領域大家都在積極思索的問題。重慶市偉岸測器制造股份有限公司在2014年通過市場公開招標一舉奪得某單位2014年既有建筑供熱計量及節(jié)能改造工程(2標段)的承建項目，該項目涉及該單位9個換熱站95棟公建群，其中包括行政辦公樓47棟，職工食堂5個，車庫9個，服務性設施7棟，醫(yī)院3所，學校2所，商務酒店和宿舍大樓22棟，涉及供熱面積89萬平方米左右。從業(yè)主方的招標書可以看到，項目的目的非常明確，就是通過對公共建筑的二次管網(wǎng)改造實現(xiàn)節(jié)能。本項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)場考察，這些公共建筑群相對還比較集中，非常適合進行節(jié)能改造，改造后的成果對于其它類似項目也具有非常典型的示范效應。
2節(jié)能改造方案
2.1目標建筑特點
(1)上述所有公建群內(nèi)的工作人員作息時間固定，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段，而節(jié)假日或工作日的下班時段，無需正常供熱;(2)即使上述公建群內(nèi)存在著個別值班人員，為了一兩個人員取暖，而讓整個公建樓棟正常供熱，形成了事實上的嚴重熱源浪費現(xiàn)象。此外，這些人員的供暖可以通過輔助設備解決;(3)公建和民建往往共用一根供暖管線，而在作息時間上，正好存在供熱時間上的互補現(xiàn)象，如果合理應用，可以更高效率的利用管網(wǎng)和熱源。
2.2節(jié)能方案
在每個公建樓棟二次網(wǎng)回水管道上加裝電動調(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、熱量表對流量、熱量進行計量;;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的溫度信息。上述所有數(shù)據(jù)進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，按分時段和室外溫度補償?shù)瓤刂颇Ｊ竭M行適時控制，提供不同的供熱需求，達到公共建筑的節(jié)能效果。同時，通過GPRS無線通信方式，將PLC控制器各種現(xiàn)場參數(shù)上傳到監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和各種控制模式的切換，從而形成就地和遠程的聯(lián)動機制。
2.3節(jié)能原理
根據(jù)上述公建樓棟的功能和作息時間，通過安裝在各公建樓棟熱力入口處上的電動調(diào)節(jié)閥以及PLC控制器，按公建不同功能性質(zhì)的作息時間段進行就地和遠程的適時控制。通過改變電動調(diào)節(jié)閥在不同時段的開度值，控制供熱流量的大小，改變供回水溫度來到達節(jié)能效果。同時在保證二網(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上不會形成氣阻，而影響公建的供熱效果。在對各公建樓棟進行分時段供熱的情況下，隨著溫度調(diào)節(jié)閥開度的降低，二次網(wǎng)水循環(huán)量也會減少，循環(huán)泵用電量隨之下降，從而實現(xiàn)節(jié)能。
2.4節(jié)能測算
(1)理想節(jié)能率的預算以供暖時間180天，作息時間上午10:00上班，下午19:00下班為例。在休息時段、周末日和節(jié)假日節(jié)能供熱?？紤]到溫度的滯后反應，提前4小時正常供熱，提前2小時節(jié)能供熱。即溫度調(diào)節(jié)閥在白天作息時間上午6:00至下午18:00時間段，將閥位開度開至100%進行正常供熱，而在下午18:00至第二天早晨6:00時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行供熱。則可節(jié)能時間計算如下:①周末可節(jié)能時間為:180×2/7=51(天)②夜間可節(jié)能時間為:180×5/7×1/2=62(天)③國家法定節(jié)日時間為: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)能時間為:a+b+c=51+62+5=116(天)④在理想的節(jié)能狀態(tài)下，假設調(diào)節(jié)閥開啟度為30%，則理想的節(jié)能率=總節(jié)能時間/總采暖時間×節(jié)能狀態(tài)閥關度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，回溫會降低。同時，調(diào)節(jié)閥開度與流量的關系也非線性關系。以熱費成本10元/平方計算，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)閥的關閉度可任意調(diào)節(jié)，在不同的時間段內(nèi)，可以根據(jù)實際的天氣情況設置不同的開啟度，即實際節(jié)能率還有上升空間。②供熱晝夜不均衡對節(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，也會使實際節(jié)能率有所上升。③回水溫度對節(jié)能率的影響，以上計算中主要從時間段節(jié)能上分析，事實上，進入節(jié)能狀態(tài)后，回水溫度要比正常供熱低，所以會使節(jié)能率有所下降。
3投資與收益
勵行節(jié)約，實現(xiàn)企業(yè)利潤最大化，現(xiàn)代經(jīng)營管理學告訴我們:“節(jié)約就是獲利”，節(jié)約的重點“應放在企業(yè)最大的支出項上”，因為這樣的節(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。所以，要實現(xiàn)利潤最大化，就應在節(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，如果使用了電動調(diào)節(jié)閥，年節(jié)能費用為: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，每年運營成本約為1000元，5年左右即可回收成本。
4實際測試
為了證實在熱計量改造后，是否能夠按照我們理想中的節(jié)能率來到達節(jié)能效果，我們在實施改造后，將95個公建群中，抽取了其中帶固定作息時間性質(zhì)，并且具有一對一獨立控制的24個公建建筑群，分別按三個批次用分時段控制的方式進行測試，根據(jù)辦公室建筑用熱特點，考慮建筑物熱惰性引起的時間延遲，預先設定調(diào)節(jié)閥的啟閉時間，在上班10:00前，提前4個小時(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(時間段為白天12小時)，此時間段耗熱量我們把它作為白天12小時的耗熱時間，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，提前一個小時(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(時間段為夜間12小時)，此時間段耗熱量我們把它作為夜間12小時的耗熱時間，即夜間的熱累積量。兩個時間段熱量之差粗略計算為當天節(jié)約的熱量。同時，兩個時間段產(chǎn)生的瞬時流量差，即為當天節(jié)電量換算依據(jù)。
5認識與分析
公共建筑供熱節(jié)能裝置主要針對整個樓棟的控制，適用于用熱時間較集中，作息時間較固定，分時段控制性較強的公共建筑，例如:辦公樓、學校、體育館和商場等大型公共建筑，這類建筑能耗大，同時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現(xiàn)樓棟入口的流量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)分時段供熱模式，可大大降低能耗。在上述公建群節(jié)能改造的同時，必須同時對各公建對應的換熱站循環(huán)系統(tǒng)和補水系統(tǒng)進行變頻改造，因為在各公建進行分時段調(diào)節(jié)的同時，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)和定壓補水，使其在系統(tǒng)最不利點得到正常水循環(huán)，而不被形成氣阻，影響供熱，浪費能源，建議對二網(wǎng)系統(tǒng)采用自動變頻運行。很多公建和民建供暖管道都使用同一根管線，而供暖高峰期的時間正好相反，即白天與晚上供暖需求正好形成互補，建議對上述進入民建分支的入口管線也安裝相應的電動調(diào)節(jié)閥，這樣對整個供暖系統(tǒng)水力平衡起到了更好的互補作用。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，為了更好的適應公建節(jié)能項目的推進工作，建議將調(diào)節(jié)閥的物理尺寸盡量變小，還要同時提高調(diào)節(jié)閥的防護等級。由于PLC與上位機的通信，通常采用GPRS進行無線通信，而這種方式往往受到當?shù)氐耐ㄐ呕拘盘柕膹娙酢⒃O備安裝的位置和氣候的影響，而無法使數(shù)據(jù)和各種控制指令進行及時收集和實時調(diào)整，建議改變通信方式。因公共建筑大樓都敷設了光纖和電話線路，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的給予顯示和響應，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
通過實際運行數(shù)據(jù)對比，二次網(wǎng)節(jié)能改造方案實施后，節(jié)約熱能15%，節(jié)能效果明顯。二次網(wǎng)節(jié)能自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和應用，提高了供熱系統(tǒng)的自動化操作水平，深入了智能熱網(wǎng)的智能化層級，顯現(xiàn)了較好的節(jié)能效果，經(jīng)濟效益明顯，推廣意義深遠。
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作者：曹鵬 蔣濟友 單位：重慶市偉岸測器制造股份有限公司
