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作
者:
王凯,任福松,崔楚阳,任丛楠,马坤茹
第一作者单位:
河北科技大学建筑工程学院
摘自《煤气与热力》2023年7月刊
王凯,任福松,崔楚阳,等
.
商业大厦清洁供暖改造方案技术经济性分析
[J].
煤气与热力,
2023,43(7)
:A28-A31.
1
概述
随着国家对大气环境治理力度的不断加大,清洁供暖引起广泛关注,农村地区由最初的散煤供暖逐步发展为电供暖(含空气源热泵供暖)、燃气供暖等新型供暖技术,城市由过去的锅炉房逐步发展为热电联供集中供暖。国家推进北方地区清洁供暖,制定《北方地区冬季清洁取暖规划(
2017
—
2021
年)》,将改善民生与环境治理相结合,坚持宜气则气、宜电则电、宜煤则煤、宜热则热,大力推进清洁供暖。截至
2019
年底,北方地区清洁供暖率达
55%
,比
2016
年提高
21
个百分点。
空气源热泵作为一种结构简单、运行稳定的供暖装置得到了应用,但低温环境下能效降低、易结霜等问题也制约其发展
[
1-4
]
。国内外学者采用相变蓄热技术,克服空气源热泵在低温环境下能效降低、易结霜等问题
[
5
]
。
Chen
等人
[
6
]
提出并实验研究配置相变储能装置的太阳能空气源热泵系统,克服了蒸发器结霜问题,提高了极端天气条件下空气源热泵制热性能系数。操乐成等人
[
7
]
设计了一套针对北方农村住宅的多能互补供暖系统,系统由太阳能集热器、空气源热泵、户用水源热泵组成,由太阳能集热器、空气源热泵为户用水源热泵提供低温热水,由相变储能装置恒温调节,经测试,系统在晴天工作能效比高达
4.7
,阴天能效比为
3.6
,解决了一般空气源热泵与建筑负荷不匹配、除霜带来运行波动等问题。周珏等人
[
8
]
在兰州某家属楼设计了一套由一级侧空气源热泵和相变蓄能装置、二级侧水源热泵组成的联合热泵系统,空气源热泵与相变蓄能装置结合,为水源热泵提供稳定热源。
本文以石家庄某商业大厦为研究对象,对清洁供暖改造方案的技术经济性进行分析。
某商业大厦位于河北省石家庄市,供暖时间为
11
月
15
日至次年
3
月
15
日。供暖期日平均气温最高
8
℃,日平均气温最低
-2.4
℃。大厦每日
8
:
00
—
22
:
00
正常供暖,夜间采用值班供暖。
商业大厦共
13
层,建于
2006
年,室内供暖装置为散热器,供暖楼层为
5~13
层,供暖面积为
9 600 m
2
。于
2020
年底,实施外墙外保温改造。保温改造后供暖热指标取
47 W/m
2
,经计算,商业大厦供暖设计热负荷为
451.2 kW
。
商业大厦原采用空气源热泵联合蓄热式电
锅炉
供暖系统。在供暖期,空气源热泵易出现能效降低、易结霜等问题,影响供暖效果。虽然蓄热式电锅炉实现了电力的移峰填谷,但并非真正意义上的节能。因此,考虑在保留室内供暖装置的基础上,对原供暖系统进行清洁供暖改造(原供暖装置均不保留)。供暖系统于
2019
年
10
月
8
日开始改造,
11
月
5
日改造完成。
3
清洁供暖改造
清洁供暖系统见图
1
。清洁供暖系统主要由空气源热泵机组、蓄能罐(采用相变蓄热材料)、水源热泵机组组成。直供模式:根据供暖热负荷延续时间图,在空气源热泵机组满足供暖热负荷且室外温度高于
0
℃时,仅开启空气源热泵机组供暖。水源热泵机组、一级侧循环泵、蓄能罐循环泵停用,供热循环泵运行。阀
2
、
3
、
5
关闭,阀
1
、
4
开启。联供模式:当室外温度小于等于
0
℃时,空气源热泵机组仅用于制备
15~20
℃低温水,并将该部分热量储存在蓄能罐中,水源热泵机组利用蓄能罐中热量制备热水用于供暖。空气源热泵机组、水源热泵机组、一级侧循环泵、蓄能罐循环泵、供热循环泵运行。阀
1
、
4
关闭,阀
2
、
3
、
5
开启。
选用
2
台额定制热量为
85 kW
的空气源热泵机组、
1
台额定制热量为
45 kW
的空气源热泵机组,额定输入电功率分别为
32
、
17 kW
。水源热泵机组为螺杆式机组,额定制热量为
454 kW
,额定输入电功率为
119 kW
。选用
1
台
5 m
3
蓄能罐。
水源热泵机组配置高效半封闭双螺杆压缩机,可实现
4
级或无级调节,依据用户侧负荷需求精确匹配热量输出。通过高性能电子膨胀阀精确调节制冷剂流量、过热度,膨胀阀采用平衡软管进行制冷剂调节,避免了长期运行振动以及应力集中导致铜管开裂和制冷剂泄漏。
清洁供暖系统配置了智能控制系统。可实现变工况自适应调节,自动切换直供、联供模式,利用云平台实现远程控制,监测运行状态,可对系统运行数据进行采集、分析和控制管理优化,实现无人值守、自动控制、节能运行。此外还配置了自适应控制器,实现蓄能罐蓄能、放能的匹配和自动调节。
在
2021
—
2022
年供暖期,在每日的
14
:
00
,测量大厦第
5
层典型房间的室内温度,其他楼层不定时测量。测量结果显示,室内温度可保持在
20~22
℃,供暖效果良好且稳定。
4
经济性分析
清洁供暖系统造价包括设备购置费、工程安装及附属设施费等,清洁供暖系统造价见表
1
。由表
1
可知,清洁供暖系统造价为
67
×
10
4
元。原供暖系统造价为
60
×
10
4
元。
表
1
清洁供暖系统造价
改造前后,供暖系统均由单独电能表计量供暖期耗电量,取当时电价计算电费。
改造前,
2018
—
2019
年供暖期,原供暖系统年电费为
13.9
×
10
4
元
/a
。
改造后,
2019
—
2020
年供暖期,清洁供暖系统年电费为
7.81
×
10
4
元
/a
。
2020
—
2021
年供暖期,清洁供暖系统年电费为
7.62
×
10
4
元
/a
。
2021
—
2022
年供暖期,清洁供暖系统年电费为
8.27
×
10
4
元
/a
。受新冠肺炎疫情影响,
2019
—
2020
年、
2020
—
2021
年供暖期大厦均出现较长时间的关闭情况,电费并不具备代表性,因此大厦年电费取
2021
—
2022
年供暖期的数据(
8.27
×
10
4
元
/a
)。与改造前相比,清洁供暖系统年电费降低
40.5%
。
年维修管理费取系统造价的
3%
。由此可计算得到,原供暖系统年运行成本(年电费与年维修管理费之和)为
15.70
×
10
4
元
/a
,清洁供暖系统年运行成本为
10.28
×
10
4
元
/a
。
图
2
原供暖系统、清洁供暖系统年费用随系统生命周期的变化
清洁供暖系统利用相变蓄热技术,缓解空气源热泵在低温环境下能效降低、易结霜等问题,适用于供暖期室外温度持续偏低的北方地区。供暖期,清洁供暖系统运行稳定、高效,室内温度可保持在
20~22
℃。与改造前相比,清洁供暖系统年电费降低
40.5%
。系统生命周期一定时,清洁供暖系统年费用小于原供暖系统,清洁供暖系统的经济性更优。
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