某高校供暖空调系统节能改造方案

张廷浩1

1.中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司，天津 301700

摘  要：本文以天津市某高校供暖空调系统节能改造为例，通过对系统现状及运行数据进行调查研究分析，深挖系统节能潜力，综合运用多种节能改造技术，提出经济及技术可行的节能改造方案，经过初步测算，预计改造后供暖、供冷节能率分别为22%和24%，节能效果显著。

关键词：集控；节能；控制；智能

1  项目概况

1.1  供暖空调系统概况

项目位于天津市西青区，供暖及供冷面积分别为19万m2、7.7万m2，为了满足教学区及生活区供热、供冷及生活热水需求，建设有1座能源站，投入运行已15年。

图1 能源站系统示意图

系统采用多样化创新型复合能源形式，包括地热梯级利用、地源热泵、水冷机组+冷却塔、燃气锅炉、分体空调等。能源站系统示意图见图1。

学生宿舍采暖采用地板采暖，供冷采用分体空调。其它建筑采用风机盘管或空调器集中供冷及供热。能源站通过室外管网连接各建筑入户主管。

1.2系统现状问题分析

经过现场核查，主要存在以下问题：

(1)水源热泵机组效率低，故障率高。

(2)循环水泵变频器已不能使用，造成水泵电耗较高。

(3)冷却塔风机根据其出水温度控制启停，无变频，风机电耗高。

(4)燃气热水锅炉效率低，烟气排放超标，主要用于加热生活热水，运行成本高。

(5)能源站无自控系统，依靠传统的人工操作造成运行成本高。

(6)风机盘管的控制器采用三速开关，不能设定室内温度，不利于集中管理和节能运行。

(7)管网水力平衡失调严重，距离能源站近端供暖室温较高，远端偏低，热耗和电耗偏高。

2  系统节能改造方案

2.1  更换水源热泵机组

更换现场水源热泵机组，螺杆机组更换为全热回收型机型，通过管路改造，夏季与燃气锅炉加热生活热水系统并联运行，可以利用热泵机组同时供冷并加热生活热水，机组在夏季加热生活热水几乎免费。

由于新机组效率的提升，此项改造可以大幅减少夏季空调系统热泵机组耗电量，同时减小生活热水的运行成本。

表1 更换热泵机组能效对比

对比项目		现有机组	更换后机组	效率提升 （%）
螺杆机组	制冷能效比	4.86	5.70	17.35
	制热能效比	4.41	4.95	12.10
离心机组	制冷能效比	4.47	5.31	18.77
	制热能效比	4.55	6.03	32.50

2.2 风机盘管联网控制

为风机盘管配置网络型智能温控器，通过网络与空调末端集控系统软件进行数据交换，对各个温控面板进行远程控制，统一管理，实现温度、启停、风量、定时等功能的设置，达到节能的目的。

2.3循环水泵变频控制

现场循环水泵变频器全部更换，根据压差、温度等，通过变频器对循环水泵进行台数及频率控制，循环水泵能耗降低约20-40%。

2.4  冷却塔风机变频控制

增加冷却塔风机变频柜，通过冷却水温设定值或空气湿球温度来控制冷却塔风机的台数及频率。为了使水冷机组进口冷却水温度保持在某个温度段之间，在水冷机组的冷却水进口管道上安装一个温度传感器，采集冷却水温度，通过变频器控制冷却塔风机转速和输出功率，维持并降低冷却水温度，风机能耗降低约20-40%。

2.5  燃气锅炉低氮及节能改造

将锅炉的燃烧器拆除，更换为全预混超低氮燃烧器，将氮氧化物排放降低到30mg/m3以下。相比原有燃烧器，采用变频风机，精确控制空气流量，天然气与空气混合更充分，燃烧率提高，输出负荷可无极调节，风机能耗降低。

锅炉烟气中的蒸汽含有大量的潜热，可以通过安装烟气热回收器进行回收利用，可用于加热生活热水及供暖循环水，锅炉效率提高5-10%。

2.6  生活热水系统改造

生活热水供水量约400吨/天，供水温度50℃，在夏季制冷时，通过热回收型螺杆机组的热回收器加热生活热水，考虑地源热泵系统地下土壤的冷热平衡问题，在过度季节及冬季不再用于加热生活热水，需考虑其它运行成本较低的热源。本项目电价为0.505元/kw·h，燃气价格为2.7元/Nm3/h，经初步测算（见表2空气源热泵与燃气热水锅炉运行费用对比表），采用空气源热泵比燃气锅炉运行成本降低约29%，原有燃气锅炉加热生活热水换热系统保留，作为备用或调峰热源，当冬季室外温度较低，空气源热泵不能满足生活热水需求时启动燃气锅炉。

表2 空气源热泵与燃气热水锅炉运行费用对比表

系统形式	平均 效率	加热400吨热水耗热量 (GJ）	能源热值 （GJ/Nm3、GJ/kw·h）	耗气量或耗电量 （Nm3、kw·h）	能源单价 （元/Nm3、元/kw·h）	能源费用 （元）
燃气锅炉	0.95	58.60	0.036	1713.59	2.7	4626.68
空气源热泵	2.5	58.60	0.0036	6511.63	0.505	3288.37

注：生活热水耗热量按15℃加热到50℃计算。

2.7 管网智能平衡系统

本项目管网水力平衡失调严重，是导致能源站运行能耗高的原因之一，增加管网智能平衡系统，可解决各建筑之间的水平失调问题，并以室内温度反馈优化能源站调控策略，实现能源站与负荷侧联动控制。在保证室内温度的前提下，冬季，可降低管网供水温度和循环水流量，夏季，可适当提高管网的供水温度，降低循环水流量，从而提高水源热泵机组的效率，降低循环水泵的耗电量，还可实现分时分区控制，减少不必要的能源消耗。

管网智能平衡系统主要由三部分组成，即室内温度采集器、智能调节阀及管网智能平衡监控平台软件。

2.8  能源站集控系统

2.8.1  建设能源站集控系统

为本项配置一套能源站集控系统。集控系统对相关设备实现分散控制集中管理，可以实现联动控制、台数控制、轮换控制、故障切换等自动功能，系统由控制工作站（即上位机）、PLC控制器和末端采集及执行设备三部分组成。

2.8.2  主要节能策略

（1）水源热泵机组运行台数控制。

系统根据负荷侧供、回水温差和流量，自动计算实际所需冷热量。在满足当前需求冷热负荷的条件下，选择最优效率的组合。组合主要基于机组的容量、COP、运行时间、启停次数等进行综合判断。

（2）热泵机组蒸发器出水温度、冷凝器出水温度及冷却水温度适时调整。

集控系统可根据检测环境温、湿度以负荷侧回水温度进行计算，在不影响室内冷热需求的同时，自动更改热泵机组的负荷侧（供冷时蒸发器或供热时冷凝器）出水温度，从而实现节能。通常采用蒸发器及冷凝器出水温度适时调整，可有效降低热泵机组能耗10-15%。

3  节能改造经济性初步分析

3.1  改造费用估算

改造费用主要包括水源热泵机组更换、变频柜更换、燃气锅炉改造等，约853万元，费用估算见表3。

表3 改造费用估算表

序号	改造项目	改造费用（万元）
1	更换水源热泵机组	240
2	风机盘管联网控制系统	80
3	更换变频柜	120
4	燃气热水锅炉改造	50
5	生活热水系统改造	100
6	管网智能平衡系统	40
7	能源站集控系统	160
8	其它费用	63
9	总计	853

3.2  改造后运行费用测算

改造后运行费用主要为供暖、供冷及生活热水系统的电费，系统在不开启燃气锅炉的情况下，基本可以满足供暖及生活热水需求，所以不再测算燃气费用。经测算，改造后系统耗电量、电费见表4 。

表4 改造后运行电费表

序号	项目	耗电量 （万kw·h)	电费 （万元）
1	供暖	331	167
2	供冷	174	88
3	生活热水	164	83
	总计	669	338

3.3  投资回收期及节能率

3.3.1  投资回收期

校方提供了能源站近3年用电量及燃气消耗量数据，平均每年的耗电量、耗气量、电费及燃气费见表5，改造前每年的电费及燃气费472万元，改造后约338万元，每年节省134万元，改造投资853万元，静态投资回收期约6.5年。

表5 改造前耗电量、耗气量、电费及燃气费

序号	项目	耗电量 （万kw·h)	耗气量 （万Nm3）	电费 （万元）	燃气费 （万元）
1	供暖	424	0	214	0
2	供冷	230	0	116	0
3	生活热水	10	51	5	137
	合计	663	51	335	137
	总计			472

3.3.2  节能率

根据改造前后每年的耗电量计算供暖及供冷的节能率，见表6。

生活热水系统热源由燃气锅炉改为电驱动空气源热泵，主要节省运行成本，需换算一次能源消耗，然后计算节能率，本方案不再计算。

表6 节能改造后节能率计算表

项目	供暖耗电量 （万kw·h)	供冷耗电量 （万kw·h)
改造前	424	230
改造后	331	174
节电量	93	55
节能率	22%	24%

4  结论

目前，天津市还有许多学校、医院等采用的供暖空调系统形式与本项目类似，多方面原因导致供暖空调系统能耗过高，希望本方案能为类似项目节能改造提供参考。

通过对本项目进行经济性分析，系统改造费用约853万元，每年节省运行费用约134万元，静态投资回收期约6.5年，项目具备可行性。

参考文献：

[1]《某医院大型地源热泵系统的设计优化与运行效果验证》 李骥等；

[2] 《城市建筑节能改造技术与典型案例》 高兴。