公共建筑節能改造的設計分析

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摘要:公共建筑的節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。以往的公共建筑節能改造更多的停留在諸如建筑結構、保溫材料這類建筑本體技術上，本文旨在探索一個新的思路，通過對公共建筑的二次管網進行改造，滿足不同建筑的個性化供熱需求，實現節能。文中先根據建筑特點，提出節能方案，分析節能空間并根據實際現場進行了數據分析，對于類似項目具有一定的指導作用。

關鍵詞:公共建筑;節能;電動調節閥;PLC

1引言

公共建筑的節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構、保溫材料這類建筑本體節能技術和諸如能耗指標、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，如何根據公共建筑的特點，設計一套適合于公共建筑的節能方案，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改造實現節能。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。而通過現場考察，這些公共建筑群相對還比較集中，非常適合進行節能改造，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節能改造方案

2.1目標建筑特點

(1)上述所有公建群內的工作人員作息時間固定，大多數建筑白天有人員，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象，如果合理應用，可以更高效率的利用管網和熱源。

2.2節能方案

在每個公建樓棟二次網回水管道上加裝電動調節閥調節樓棟二次網流量;在公建樓棟二次網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。上述所有數據進入安裝在樓棟管道井內的就地PLC控制器。通過就地PLC控制器，按分時段和室外溫度補償等控制模式進行適時控制，提供不同的供熱需求，達到公共建筑的節能效果。同時，通過GPRS無線通信方式，將PLC控制器各種現場參數上傳到監控中心，實現數據交換和各種控制模式的切換，從而形成就地和遠程的聯動機制。

2.3節能原理

根據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節閥以及PLC控制器，按公建不同功能性質的作息時間段進行就地和遠程的適時控制。通過改變電動調節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能效果。同時在保證二網回水壓力值恒定的條件下，控制好合理的循環壓差，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，隨著溫度調節閥開度的降低，二次網水循環量也會減少，循環泵用電量隨之下降，從而實現節能。

2.4節能測算

(1)理想節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、周末日和節假日節能供熱。考慮到溫度的滯后反應，提前4小時正常供熱，提前2小時節能供熱。即溫度調節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。則可節能時間計算如下:①周末可節能時間為:180×2/7=51(天)②夜間可節能時間為:180×5/7×1/2=62(天)③國家法定節日時間為:3天(春節)+1天(元旦節)+1天(清明節)=5天故可利用總節能時間為:a+b+c=51+62+5=116(天)④在理想的節能狀態下，假設調節閥開啟度為30%，則理想的節能率=總節能時間/總采暖時間×節能狀態閥關度x修正系數116/180×(1－30%)x50%=22%備注:修正系數是考慮到閥門開度降低后，回溫會降低。同時，調節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約資金=10×22%=2.2(元)(2)影響因素①在節能狀態下調節閥的關閉度可任意調節，在不同的時間段內，可以根據實際的天氣情況設置不同的開啟度，即實際節能率還有上升空間。②供熱晝夜不均衡對節能率的影響，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，所以在夜間節能，相同的舒適度下，夜間的能耗要高于白天，也會使實際節能率有所上升。③回水溫度對節能率的影響，以上計算中主要從時間段節能上分析，事實上，進入節能狀態后，回水溫度要比正常供熱低，所以會使節能率有所下降。

3投資與收益

勵行節約，實現企業利潤最大化，現代經營管理學告訴我們:“節約就是獲利”，節約的重點“應放在企業最大的支出項上”，因為這樣的節約能使利益最大化。供熱公司是以買賣熱能為贏利方式的企業，熱能支出是最大的支出項。所以，要實現利潤最大化，就應在節約熱能上下功夫。以面積為9507平方米公建為例，供熱入口管徑為125mm，如果使用了電動調節閥，年節能費用為:9507×2.2=20915元，單套二次網節能調節系統成本約為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能率來到達節能效果，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，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，預先設定調節閥的啟閉時間，在上班10:00前，提前4個小時(即早晨6:00)將調節閥閥位開度從30%開至到100%，此閥位開度將延續至下午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象，在下班19:00前，提前一個小時(即下午18:00)將調節閥閥位開度從100%降至到30%，此閥位開度將延續至第二天凌晨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約的熱量。同時，兩個時間段產生的瞬時流量差，即為當天節電量換算依據。

5認識與分析

公共建筑供熱節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，只需保證管道不結凍，即保證值班供暖溫度(一般為5－8度)即可。節能閥通過加裝自控裝置實現樓棟入口的流量調節，實現分時段供熱模式，可大大降低能耗。在上述公建群節能改造的同時，必須同時對各公建對應的換熱站循環系統和補水系統進行變頻改造，因為在各公建進行分時段調節的同時，系統的流量、壓力將發生不同程度的改變，為保證正常的二網壓差循環和定壓補水，使其在系統最不利點得到正常水循環，而不被形成氣阻，影響供熱，浪費能源，建議對二網系統采用自動變頻運行。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節閥，這樣對整個供暖系統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能項目的推進工作，建議將調節閥的物理尺寸盡量變小，還要同時提高調節閥的防護等級。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地的通信基站信號的強弱、設備安裝的位置和氣候的影響，而無法使數據和各種控制指令進行及時收集和實時調整，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換就能很好的解決通信問題，從而使數據和控制指令能夠及時的給予顯示和響應，可大大提高系統的可靠性和系統的穩定性。

6結束語

通過實際運行數據對比，二次網節能改造方案實施后，節約熱能15%，節能效果明顯。二次網節能自動化控制系統的實現和應用，提高了供熱系統的自動化操作水平，深入了智能熱網的智能化層級，顯現了較好的節能效果，經濟效益明顯，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