某大型酒店綜合能源系統優化提升改造項目分析

魏曙光 劉澤華 徐啟武 劉靖晗 連茂利 鄧召旭

(1.同圓設計集團股份有限公司,濟南;2.山東太陽控股集團有限公司,濟寧)

1 酒店工程概況及用能現狀

對既有公共建筑尤其是高能耗建筑進行節能技術改造,是實現建筑領域“雙碳”目標的重要組成部分[1-2]。本文以某大型酒店綜合能源系統優化提升為案例,通過近1個供暖季的運行,該系統取得了良好的節能和節費效果,以期為類似項目的改造提供一些經驗和幫助。

該酒店位于山東省濟寧市,總建筑面積10.2萬m2,地上18層,地下2層,為正式掛星的大型高檔五星級酒店,于2010年建成并投入使用,現對其熱源系統進行綜合優化提升改造。改造前的熱源為酒店附近一家工廠提供的蒸汽,通過近5 km的長距離輸送至酒店使用。需要熱源的系統包括酒店冬季供暖系統、酒店洗衣房蒸汽系統、酒店生活熱水系統、酒店泳池熱水系統、酒店職工公寓冬季供暖系統等,除洗衣房直接用蒸汽外,其他系統目前使用蒸汽分別通過汽-水板式換熱器、汽-水半容積式換熱器等換熱設備將水加熱至相應溫度進行供熱。

當前酒店熱源用能存在的問題包括:長距離蒸汽輸送加上蒸汽管路老化,整體沿途熱損失較大;主管路跑冒滴漏情況經常發生,對沿途市政道路安全產生一定影響;蒸汽換熱后,未對凝結水進行回收利用,直接全部就地排放,浪費水資源;夏季及春秋季僅生活熱水和洗衣房用蒸汽熱源,主蒸汽管道為小負荷工況運行,依然要保壓保量,熱損失較大,系統流量過小使得蒸汽主管道內產生一定量的凝結水,影響蒸汽使用效果。因該項目工廠與酒店同屬一家上級企業集團,目前工廠對酒店收取較低的蒸汽能源費用(蒸汽單價僅為260元/t),能源利用效率低、浪費嚴重,工廠不堪重負。鑒于上述問題,業主方希望盡快對酒店熱源系統進行節能改造。

2 酒店蒸汽熱源負擔各用能系統現狀

2.1 酒店洗衣房蒸汽系統

根據洗衣房內各設備銘牌參數,洗衣、烘干、熨燙等各設備蒸汽用量統計見表1。計算最大蒸汽用量為696 kg/h,經現場多年運行數據統計,實際最大蒸汽用量約600 kg/h、每日蒸汽總用量約3.5 t,蒸汽壓力為0.70 MPa。

表1 洗衣房蒸汽用汽設備統計

2.2 酒店生活熱水系統

酒店生活熱水共分5套系統,分別為低區客房熱水、高區客房熱水、洗衣房用熱水、廚房餐飲區熱水、桑拿部熱水系統。每套系統設有2臺半容積式換熱器,制取55 ℃生活熱水,蒸汽凝結水就地排放,均為閉式承壓、冷熱水同水同源系統,熱水出水壓力穩定。

2.3 酒店冬季供暖系統

酒店冬季供暖面積為8.1萬m2,供暖總熱負荷為6 480 kW,豎向系統不分區,使用蒸汽通過2套汽-水板式換熱器將水加熱成供/回水溫度為55 ℃/45 ℃的供暖熱水供集中空調末端使用。

2.4 酒店泳池熱水系統

酒店泳池尺寸為25.0 m×12.5 m,平均水深1.5 m,總有效水容積為470 m3,全年24 h運行。設有2套汽-水板式換熱器,通過蒸汽熱源換熱后為泳池提供熱水,蒸汽凝結水就地排放。設有恒溫加熱控制器,上限溫度設定為30 ℃,下限溫度設定為26 ℃,循環水泵根據恒溫控制器自動啟停運行。

2.5 酒店職工公寓冬季供暖系統

公寓冬季供暖面積為2.3萬m2,總供熱負荷為1 350 kW,使用蒸汽通過汽-水板式換熱器將水加熱成供/回水溫度為75 ℃/50 ℃的供暖熱水供末端散熱器使用。

2.6 各系統基本情況匯總(見表2)

表2 各系統用能情況

3 改造技術路線分析

3.1 當地能源價格(見表3)

表3 當地能源價格

3.2 總體改造原則及思路

改造期間不可影響酒店正常營業,各熱源末端均不作改造調整,改造完成后滿足各系統使用要求,盡可能降低運行能耗、運行費用。通過表2可知,該項目用能系統較多且用能末端、用能參數各不相同,不同季節、不同時段工況變化復雜,用能峰谷差異較大,存在極小負荷用能工況,若將上述系統集中整合到一套大的能源系統之中,可能會使系統較為復雜、改造難度較大。由此該項目采用了相對集中+局部分散、針對每個系統各自制定合理方案的總體思路。

4 各用能系統改造方案分析

4.1 酒店洗衣房蒸汽系統改造方案分析

蒸汽屬高品位能源,民用建筑小蒸汽量供應常用方式為電或燃氣蒸汽發生器,以下對2種蒸汽供應方案進行對比分析。蒸汽發生器的產汽量為750 kg/h。

方案1:空氣源熱泵預熱+電蒸汽發生器蒸汽供應系統,原理圖見圖1。洗衣房內為高溫高濕環境,有大量余熱需去除,在洗衣房內增設1套小型空氣源熱泵熱水系統(包含空氣源熱泵、循環水泵、儲水箱等),回收洗衣房室內熱量制取45～55 ℃熱水儲存于熱水箱內,電蒸汽發生器自熱水箱內取熱水制取蒸汽,可大幅降低電蒸汽發生器能耗,同時可降低洗衣房室內溫度。

圖1 空氣源熱泵預熱+電蒸汽發生器蒸汽供應系統原理

方案2:燃氣蒸汽發生器蒸汽供應系統。由于受燃氣蒸汽發生器設置位置所限,無法設于洗衣房內或附近,因此難以增設空氣源熱泵預熱系統。

方案對比見表4,按照每日生產3.5 t蒸汽、每小時蒸汽供應量600 kg/h計算日運行費用。當地能源價格為燃氣3.65元/m3,電價為0.80元/(kW·h)。

表4 蒸汽供應系統方案對比

通過表4可以看出,方案1運行費用明顯高于方案2。在初投資方面,方案1需增加540 kW的配電功率,受現場配電系統所限,改造難度較大且初投資遠高于方案2。經技術經濟分析比較,最終采用方案2作為改造實施方案。

4.2 酒店生活熱水系統改造方案分析

節能性較好的熱水系統包括太陽能熱水系統、空氣源熱泵熱水系統等。通過現場勘查,該項目難有適合放置太陽能集熱板的位置;熱水系統較多且較為分散,需要滿足冷熱水同水同源,難以應用空氣源熱泵、熱水箱等集中熱水系統。最終采用了改造難度較小、可靠度較高的方案形式——容積式燃氣熱水爐分系統分區熱水供應方案,原理圖見圖2。每個熱水系統在冷水進水管路上串聯3～4臺容積式燃氣熱水爐,單臺熱水爐額定供熱量99 kW、儲水量400 L、燃氣消耗量9.9 m3/h,水溫可設定范圍為32～82 ℃,系統其他均不作變動。原系統中的汽-水容積式換熱器也無需拆除,可用于存儲一部分熱水,使得熱水系統更加安全可靠。

圖2 容積式燃氣熱水爐熱水供應系統方案原理

4.3 酒店冬季供暖系統改造方案分析

空氣源熱泵和燃氣鍋爐是民用建筑常用的供暖熱源。空氣源熱泵供暖系統其優勢在于節能性、低運行費用,該項目所在地的氣電比(燃氣價格與電價之比)為4.56 kW·h/m3,具有較好的優勢。但在極端天氣工況下,熱泵機組可靠性、化霜工況及室內舒適度是五星級酒店值得關注的問題,另外熱泵機組占地面積較大、初投資及配電系統要求較高,使得該項目業主難以接受此方案。燃氣鍋爐供暖系統簡單可靠、初投資低、占地面積小,是很多高檔星級酒店常采用的供暖熱源。但隨著燃氣價格不斷攀升,運行費用逐年升高是酒店業主對方案選擇的顧慮之處。

2種系統各有優劣,若將兩者結合,取長補短、各自發揮其優勢,是一種較好的解決方案。天然氣與可再生能源融合發展是共同快速推進高碳能源向低碳能源轉換、實現“雙碳”目標的重要方式之一。基于此,該項目綜合采用了常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合的聯合供暖系統。酒店全年逐日熱負荷計算結果見圖3,全年最大熱負荷為7 165 kW,最小熱負荷為1 219 kW。

圖3 100%入住率下酒店全年逐日熱負荷

由于當地非旅游熱門城市,在新冠疫情之前供暖季該酒店入住率基本維持在40%左右,基于40%入住率的酒店全年逐日熱負荷見圖4,最大熱負荷為3 650 kW,最小熱負荷為582 kW。多能耦合系統需要綜合多種運行工況,合理配置各熱源比例,該項目空氣源熱泵機組基于40%入住率的運行工況進行配置比例計算對整個項目降低初投資、節省運行費用更為有利。所配置的熱泵機組在不同室外溫度、不同出水溫度下的COP變化曲線見圖5。結合40%入住率熱負荷曲線圖、項目室外場地限制條件,最終配置了13臺超低溫型空氣源熱泵機組,單臺在GB 37480—2019《低環境溫度空氣源熱泵(冷水)機組能效限定值及能效等級》工況下的供熱量為160 kW,占40%入住率下熱負荷的50%;再按照總熱負荷配置了5臺常壓燃氣熱水鍋爐,單臺供熱量為1 030 kW,滿足五星級酒店最不利工況運行需求。空氣源熱泵機組雖然配置比例較低,但根據實際運行工況能夠充分發揮耦合供暖系統的節能效果。相比全部為空氣源熱泵系統,配電功率下降了70%,占地面積減少了60%,初投資降低了60%。原理圖見圖6。設有數據采集系統采集室外環境溫度、系統供回水溫度、熱泵供回水溫度、鍋爐供回水溫度、系統供回水壓力等。將熱泵機組供暖工況COP隨室外溫度及出水溫度變化曲線輸入自控系統,系統根據曲線和所監測的室外溫度、出水溫度自動計算熱泵機組COP,通過內置計算程序疊加水泵等其他附屬配套運行設備功率,自動綜合計算鍋爐供暖、熱泵機組供暖的經濟性,在保障高質量供熱的前提下,以更小成本運行策略協調熱源啟用優先級,降低供熱成本,從而智能調用雙能源協同供熱運行;對系統進行智慧化能源管理,實現無人值守。

圖4 40%入住率下酒店全年逐日熱負荷

圖5 該項目所配置的空氣源熱泵機組在不同室外溫度、不同出水溫度下COP變化曲線

圖6 常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合聯合供暖系統控制原理

根據所在地當前能源價格(燃氣價格3.65元/m3、電價0.80元/(kW·h))計算,燃氣鍋爐供暖運行費用與空氣源熱泵機組COP為2.1左右時的運行費用基本相當,當COP高于2.1時空氣源熱泵機組供暖運行費用更為節省。根據圖5推算得到出水溫度為45 ℃、室外溫度低于-17 ℃時,熱泵機組COP為2.1左右。

該項目所處地冬季供暖工況室外溫度低于-17 ℃的時間較短,因此該項目制定了如下運行控制策略:優先啟動超低溫空氣源熱泵供暖;監測系統供回水溫度,當負荷不足時開啟燃氣鍋爐補充。耦合供暖系統運行控制策略需要根據各地不同的能源價格和室外氣象參數綜合優化確定。

4.4 酒店泳池熱水系統改造方案分析

酒店泳池采用泳池專用空氣源熱泵機組直供熱水系統,選用2臺泳池專用空氣源熱泵,單臺機組額定制熱量為114.5 kW,輸入功率為26.0 kW,機組最高出水溫度為35 ℃,在GB 37480—2019工況下COP為5.7,機組內部接觸泳池循環水部分采用耐強腐蝕材質,泳池水可直接進入熱泵機組加熱循環,系統原理圖見圖7。該熱水系統較為簡單可靠,無需再增加換熱系統,改造難度及改造成本較低,特別適合該項目實際情況。

圖7 泳池專用空氣源熱泵熱水加熱系統原理

4.5 酒店職工公寓冬季供暖系統改造方案分析

因公寓樓采用散熱器供暖,其供暖水溫較高,原設計供/回水溫度為75 ℃/50 ℃。考慮空氣源熱泵機組供暖水溫偏低、機組噪聲對公寓住戶影響較大,同時占地面積、配電功率、質量荷載等方面現場難以滿足,因此不采用空氣源熱泵作為供暖熱源;經現場勘查和根據相關設計規范要求,現場無適合設置燃氣鍋爐的位置,難以采用燃氣鍋爐作為供暖熱源。因此該項目采用了系統較為簡單的容積式燃氣熱水爐作為供暖熱源,直接設于屋面,共配置14臺,單臺熱水爐額定供熱量99 kW、儲水量400 L、燃氣耗量9.9 m3/h,水溫可設定范圍為32～82 ℃。燃氣熱水爐優勢在于不屬于壓力容器和鍋爐范疇,可以放置于室外,本身可承壓、可直接串聯在系統之中,無需再設隔壓換熱設備,供熱效率高。系統原理圖見圖8。

圖8 酒店職工公寓容積式燃氣熱水爐冬季供暖系統原理

5 各系統運行數據統計

各系統于2022年底相繼完成改造施工及調試,并于2023年1月1日正式投入使用。改造完成后各系統運行狀態平穩良好,室內參數達標,酒店管理使用方對改造效果較為滿意。2023年1月1日至3月20日供暖季結束,對各系統運行數據進行統計整理,同時對2022年同期運行數據也進行了整理。由于受新冠疫情及酒店經營管理方向調整等因素影響,近幾年酒店入住率普遍在30%左右。2023年初,雖然國內新冠疫情基本結束,但該酒店前3個月運營情況與疫情3年期間同時段運營情況基本相同,因此與往年同期運行情況及運行數據具有較好的可比性。運行費用計算依據為燃氣價格3.65元/m3、電價0.80元/(kW·h)、蒸汽價格260元/t。

5.1 酒店燃氣蒸汽發生器蒸汽供應系統運行數據統計

酒店洗衣房燃氣蒸汽發生器燃氣用量及燃氣費用統計見表5,系統運行用電量每月平均為3 800 kW·h,平均電費為3 040元/月。2022年同期酒店洗衣房直接使用蒸汽量及蒸汽費用統計見表6。

表5 2023年第1季度酒店洗衣房蒸汽發生器各月燃氣用量及燃氣費用統計

表6 2022年第1季度酒店洗衣房蒸汽用量及蒸汽費用統計

5.2 酒店容積式燃氣熱水爐分系統分區熱水供應系統運行數據統計

酒店生活熱水系統容積式燃氣熱水爐燃氣用量及燃氣費用統計見表7。2022年同期酒店生活熱水系統使用蒸汽換熱的蒸汽用量及蒸汽費用統計見表8。

表7 2023年第1季度酒店生活熱水系統燃氣熱水爐各月燃氣用量及燃氣費用統計

表8 2022年第1季度酒店生活熱水蒸汽用量及蒸汽費用統計

5.3 酒店常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合聯合供暖系統運行數據統計

受入住率所限,2023年1—3月酒店實際供暖面積約2.5萬m2,因此所改造的多能耦合供暖系統在當前工況下僅運行空氣源熱泵即可滿足全部供暖需求,燃氣鍋爐暫未運行。空氣源熱泵機組用電量及電費統計見表9。2022年同期酒店供暖系統使用蒸汽換熱的蒸汽用量及蒸汽費用統計見表10。

表9 2023年第1季度酒店空氣源熱泵機組各月用電量及電費統計

表10 2022年第1季度酒店供暖蒸汽系統蒸汽用量及蒸汽費用統計

5.4 酒店職工公寓容積式燃氣熱水爐供暖系統運行數據統計

酒店職工公寓容積式燃氣熱水爐燃氣用量及燃氣費用統計見表11。2022年同期酒店職工公寓供暖系統使用蒸汽換熱的蒸汽用量及蒸汽費用統計見表12。

表11 2023年第1季度職工公寓燃氣熱水爐供暖系統各月燃氣用量及燃氣費用統計

表12 2022年第1季度職工公寓供暖系統蒸汽用量及蒸汽費用統計

5.5 酒店泳池專用空氣源熱泵機組串聯直供熱水系統運行數據統計

受酒店入住率及疫情影響,酒店泳池到2023年3月20日供暖季結束為止仍未開啟運行,泳池專用空氣源熱泵串聯直供熱水系統運行費用數據暫無法統計,但通過其他類似項目運行數據可知,相比原蒸汽系統會有較大的節能和節省運行費用的空間。

6 運行情況及運行數據分析

6.1 運行情況分析

改造完成后各系統運行狀態平穩,室內參數達標,酒店管理使用方對改造效果較為滿意。生活熱水系統及洗衣房蒸汽系統2023年1月平均燃氣用量普遍高于2、3月,分析原因主要為系統處于運行摸索階段,還未完全掌握系統運行規律,蒸汽系統保證壓力設定值過高(0.85 MPa),室外溫度較低,能耗較大。隨著系統運行管理水平的提高及機組設置定時開關機模式、蒸汽壓力設定值調整降低等優化措施的采用,燃氣平均用量逐漸降低。

6.2 各系統熱源改造前后運行費用對比分析

通過表6～12運行數據統計,各系統熱源改造前后運行費用對比匯總見表13。通過計算得到改造后運行費用總體節省率為36.4%,除洗衣房蒸汽供應系統外,其他系統均取得了較好的節省運行費用的效果,尤其是空氣源熱泵冬季供暖系統,運行費用節省率達到45.0%以上。

表13 各系統熱源改造前后運行費用對比匯總

燃氣蒸汽發生器通過統計計算得到的生產蒸汽費用約為288元/t,已是費用較低的一種方式,相比2022年同期運行費用略有增加,主要原因在于工廠給酒店的蒸汽價格較低(260元/t),遠低于正常蒸汽市場價格。

6.3 各系統熱源改造前后運行能耗對比分析

各系統熱源改造前后運行能耗統計及折算標準煤見表14,通過計算得到改造后節能率為50.5%,其中空氣源熱泵冬季供暖系統節能率達到74.0%以上。

表14 各系統熱源改造前后運行能耗對比匯總

7 結束語

高檔星級酒店建筑能源需求種類較多、能源消耗量較大,對于能源優化利用提升改造項目需要采用相適宜的能源方案來解決相應的系統問題。該五星級酒店的熱源節能改造項目綜合運用了燃氣蒸汽發生器蒸汽供應系統、容積式燃氣熱水爐分系統分區熱水供應系統、常壓模塊式燃氣熱水鍋爐+空氣源熱泵機組多能耦合聯合供暖系統、泳池專用空氣源熱泵機組串聯直供熱水系統、容積式燃氣熱水爐供暖系統等,近1個供暖季的運行結果表明,取得了良好的節能和節費效果。