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【论文精选】商业大厦清洁供暖改造方案技术经济性分析

时间:2023-07-30 来源: 浏览:

【论文精选】商业大厦清洁供暖改造方案技术经济性分析

原创 王凯,等 煤气与热力杂志
煤气与热力杂志

GAS-HEAT1978

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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

参考文献示例

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.

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锅炉

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。
2    项目概况
某商业大厦位于河北省石家庄市,供暖时间为 11 15 日至次年 3 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 800 2200 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 10 8 日开始改造, 11 5 日改造完成。

3    清洁供暖改造

3.1   清洁供暖系统
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。
1    清洁供暖系统
1~5. 阀门
3.2   设备选型
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 5 m 3 蓄能罐。
3.3   设备机组特点
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。
3.4   智能控制系统
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。
3.5   供暖效果
2021 2022 年供暖期,在每日的 1400 ,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

4.1   系统造价
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。

1    清洁供暖系统造价

4.2   运行成本
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   /a
改造后, 2019 2020 年供暖期,清洁供暖系统年电费为 7.81 × 10 4   /a 2020 2021 年供暖期,清洁供暖系统年电费为 7.62 × 10 4   /a 2021 2022 年供暖期,清洁供暖系统年电费为 8.27 × 10 4   /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   /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   /a ,清洁供暖系统年运行成本为 10.28 × 10 4   /a
4.3   经济性评价

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
5    结束语
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。
参考文献:
1 ]文博,张子静 空气源热泵在暖通空调中的应用与发展[ J 建筑技术开发, 202114 101-103.
2 ]祁佳雯,侯立泉,罗景辉,等 空气源热泵供暖系统运行测试分析及系统优化[ J 区域供热, 20214 118-123.
3 WANG Q ZHU X S LIU F Z et al. Application and Analysis of Low Temperature Air Source Heat Pump Heating System in Cold Area C // IOP. 5th International Workshop on Renewable Energy and Development. Chengdu IOP 2021 1-5.
4 ]崔楚阳,任福松,刘志辉,等 河北保定高速某服务区蓄联热泵清洁供暖技术改造研究[ J 河北工业科技, 20216 515-521.
5 KOSAN M AKTAS M. Experimental Investigation of a Novel Thermal Energy Storage Unit in the Heat Pump System J . Journal of Cleaner Production 2021 311 127607-1-13.
6 CHEN H F WANG Y J LI J et al. Experimental Research on a Solar Air-Source Heat Pump System with Phase Change Energy Storage J . Energy and Buildings 2020 228 110451-1-9.
7 ]操乐成,蒋绿林,王彦龙,等 基于多能源互补蓄联水环热泵供暖系统研究[ J 常州大学学报(自然科学版), 20206 91-96.
8 ]周珏,罗凡,罗庚玉,等 高效蓄能互联热泵系统技术及应用[ J 电力需求侧管理, 20176 25-28.
9 ]卢琼华 水环热泵空调系统的适用性和经济性研究(硕士学位论文)[ D 武汉:华中科技大学, 2007 45-46.
(本文责任编辑:贺明健)
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