能源改造降低建筑能耗

能源改造常常是一项复杂的任务,特别是如果不限于单纯更换设备来实现热电厂的现代化的话。改造工作意味着首先分析全部的能源消费,确定其中哪几项可能有影响或有较有利的影响。然后,根据制造商提供的数据及各方接受的评估模式和经济核算方法,选择各种工况下最理想的设备方案。因此,有必要探索创新的解决方案,提出技术上先进的设计方法,以求获得最好的结果。

虽然已确认承担这样的任务,但仍须展示所定方案的可行性、效力和可靠性,阐明是否可能大幅度地降低能耗,并使具体的实测数据超过每一次的理论评估值。技术分析针对的就是采用天然气和可再生的空气热源的直热型吸收式热泵,实施意大利北方某一个综合住宅区供暖中心的能源改造。

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建筑-设备系统

作为建筑设备案例的是1979年在 Pinerolo 市落成的一幢公寓楼(图1)。此楼宇的特点是采用当代建筑技术中的断桥隔热保温技术,充分响应了抑制能源消费的第一个法律(1973年373号法令)的规定要求。改建后的门窗呈现出卓越的隔热保温质量。从当时的建筑技术角度来看,该建筑结构的内部保温质量很好,但是,仍留下许多热桥,即使采用现代化的保温抹浆也难以除去。供暖中心为楼宇稳定地供应所需要的热能,确保冬季提供空调服务并集中生产卫浴热水(图2)。利用一台额定功率218kW的铸铁锅炉生产热能,此锅炉安装时采用液体燃料,而经改造后改用天然气作为能源载体。因此,为既有锅炉安装了一个两级预混气体燃烧器,并按照在设备系统所要求的各种负荷条件下提供全部热功率而对之实施基本控制。热能分配子系统由立管构成,按照旧安装图垂直分布安装。构成室内热能引入子系统的设备终端为钢制辐射吊顶,最高供热温度可达45°C。

此温度是从制热子系统所能产出的60°C温度起并通过三通阀混合所得,而此温度也不会随户外气候条件而变,且就像图中所画的载热流体始终保持恒定不变。卫浴热水生产系统从供暖中心的总管上引出,藉此供给专用水箱内的换热蛇管,用于制备卫浴热水。

然而,旧式供暖系统的各个子系统的特点在于以下的效率:a)制热子系统 ηem=0.95; b)调整子系统 ηre=0.88; c)分配子系统 ηdi=0.938。这些效率数据是在遵照一级能源审计对建筑物检查之后从标准 UNI TS 11300-2中摘出的(Light Audit)。制热子系统的平均效率先是基于分析计算而作估算,然后根据能耗和2011-2012供暖季度的气候条件核算。正如大家可以看到的那样,与所报道的管理水平对应的季度平均效率为 ηgn,avg=0.665。

能源审计结果

在最初阶段,用户仍没有将分析任务委托给设计师,而且没有人愿意承担这样的能源改造任务,也不可能选择实施能源设计和评价的具体方法。因此,基于实际经验和绝对可靠的权威技术文献,采纳近似的方法和仪器。将近似评价的结果提交给了安装公司,以求说服客户将房子委托其的改造,于是,才能进入到热力设计阶段。因此,协同安装公司和热泵制造商实施的一级审计的结果由热力工程师按照 CTI 技术标准自主独立审核,正如每一宗优秀设计都应该、都有必要这样做。

2011-2012冬季期间的总用气量,包括用于供暖和用于卫浴热水生产,等于19,874m3。单是用于供暖服务需要11,613m3,而单是用于生产卫浴热水需要8,261m3。基于该冬季各个月份的气候条件,可以重新绘制出每小时的温度变化曲线、月平均温度曲线和季度日度曲线。根据从都灵 Caselle 机场气象站(WMO 160590)档案中摘出的这类详细信息,可以将用气量按比例分摊给冬季中的各个月份。另外,还计算了建筑物的气候负荷系数 PLF,因此,根据锅炉的供热功率可以获得锅炉的负荷系数 CR。在表1内列出了在一级审计中分析过的且从能源消费角度监测到的2011-2012冬季的平均气候数据,藉此形成经验值与后一年供暖季度中所用技术的性能值之间的比较基准。表2所列为现在系统采用热泵改造之后经监测能效所得到的后一年冬季的相关参数。于是,摘录了制热子系统供给分配子系统的总热能数值,重新绘制了旧系统的能耗曲线。

表3 列出了单纯涉及冬季空调的制热子系统的能源供给数据。基于机械负荷系数 CR 估算了旧锅炉的效率值,同时还考虑到了相对于建筑物最大功率需求锅炉规格过大的影响。利用根据无数现场经验归纳出的经验公式,得到了相对于铭牌数据和烟气试验中实测数据的效率变动情况,藉此绘出了图3所示普通三类制热设备的效率曲线。旧锅炉在局部负荷运行时的效率变动情况充分佐证了燃烧质量的劣化,而只分析能耗是难以确定这种情况的。实际上,通过监测能耗变动情况,可以注意到随着外部气候条件变化的正常进展情况,但是,事实上当气候负荷系数 PLF 和机械负荷系数 CR 减小时,燃料消耗与随之供给热能之比是逐步增大的。

在采用气候负荷系数评估制热设备的规格是否过大时,利用以下的关系式表征燃料消耗数据和既有制热设备效率之间的关系:

此处,VCH4为燃气消耗,单位m3/年;Pci 为燃料热值下限,单位 kWh/m3;ηgn,avg 为既有制热设备的季度平均效率;g 为有效供暖季度的天数;PLR 为所述运行阶段的季度气候负荷系数;fi 为根据系统中制热子系统的类别考虑的设备间歇系数;fd 为源自实际经验的任意系数,藉此可以考虑无代价减少能耗的措施,譬如,减少夜间换气次数,冬季一般关闭门窗及所有其它减少热能需求的可能措施。对于散热器,系数 fd 为0.75~0.80;对于辐射供暖设备,系数 fd 为0.65~0.70。相反,间歇系数fi可用以下的公式计算:

此处,h 为供暖系统每日运行小时数。用此公式算出的最大热功率约104kW,藉此估算出在项目条件下,当按局部负荷条件运行时,制热设备的效率为48%,而热功率则超规格地达到了114kW。上述方法引自权威技术文献(Palmizzi F. 1995),虽然尚未标准化,但仍被接受用于一级能源审计的近似评估。这种方法对第三方设备管理者局部适用,其时在编撰设备手册时,依照74/2013号共和国总统令还应当检查这些制热设备是否符合建筑物的需求。

所展开的分析通过正确近似一级审计分析,确定了建筑物-设备系统的能源平衡。根据这种能源平衡,限制冬季空调系统和卫浴热水生产,能够确定发生主要能源损失的各点和建筑物能源改造的各种机遇。

除了假设提高隔热保温等级之外(假设不考虑改造建筑物所需的成本而重做屋顶并添加隔热保温层),效率最低的几点就是针对制热子系统和调整子系统,就是以客户能够接受的成本,对两者实施影响最小的改造。

改造后的系统

因此,决定评估由两台吸收式热泵和一台冷凝式锅炉(图8)构成的新制热子系统的性能。预期依照精确的气温曲线,利用电子控制器管理空调系统;该系统能通过正确管理既有设备的运行优先级,请求这两类制热设备提供不同气候条件下所需的供暖温度。此外,电子控制器还能提供为避免随后发生锅炉点火、熄火来回摆动所必需的操作滞后的积分计算。PLC 为制热子系统的卫浴热水的生产运行提供管理。由两家不同制造商提供的两台热泵的电子控制屏分别控制两台热泵的温度并调节热泵的供给功率。针对建筑物要求的有效项目功率(104kW)而设计的该制热子系统,能够将其供给功率从最小15.4kW调整到最大112kW,并可在任何条件下保持该系统高效率。

卫浴热水主要依靠新锅炉生产,通过两台三通换向阀,断开与供暖系统的连接而连接卫浴热水水箱上部的蛇形盘管。同时确保对卫浴热水的预热服务,这一过程由吸收式热泵高效完成,必要时控制一个差分设定点以执行这项服务;为应对偶发可能,设置了一个三通混合阀,由设置在供暖回路出口的锅炉电子控制器控制,用于保证辐射供暖设备的温度始终正确。按同一个季度,对新旧系统的性能进行了评估:新系统的一次能源总消耗量减少了93.5MWh,比旧的制热子系统减少了48%,而单是燃气消耗就减少了51.9%。表4所列为新制热子系统的详细能源性能预测(仅供暖功能)。

就燃烧质量而言,也显示出有显著的提高,从而使燃料消耗量与产生的每千瓦时热能达到平衡。图9所示为从旧设备方案过渡到新设备方案的燃料消耗率比较,而图10为一次能源消耗比较。相反,图11中的曲线显示出了能耗随户外气温变化的情况,并且实际上确定了所评估建筑物-设备系统的能源标识,无论是针对既有设备情况,还是针对按预计改造后的设备情况。根据所作的评估并比较预估成本,可以相信公寓楼群正在改造中的效果,以及对设备系统最终设计的二级能源诊断结果。

节能效果

设备是在2012年夏季安装的,在整个2012-2013供暖季度实施了监测,目的是基于量表读数验证节能效果。当然,这并非是对建筑物设备系统实施真正的能源监测,但是,对于所实施改造的效验评价来说,第三方责任人采取什么措施是至关重要的。正如表1和表2所列,进行比对的这两年气候条件并没有很大的不同。2011-2012供暖季度中只有2月份很冷,然而,虽然2012-2013供暖季度中不存在上一年2月份那样极冷的气候条件,但是经核实气候条件还是有点恶劣。这两个季度的气候恶劣程度超过季度平均值(度日数2815(GG),平均温度4°C)。2011-2012供暖季度的特点是2582 GG,平均温度7.25°C;2012-2013供暖季度的特点是2697 GG,平均温度6,88°C。由图12的图形比较可知(图中列出了两个季度的 BIN 值),2011-2012供暖季度的特点是温度低于项目最低温度的时间较短(仅集中在2012年2月份内一周),但是,与2012-2013供暖季度相比,白昼温度超过季度平均值的时间颇长,夜间温度低于平均温度的时间也颇多。

基于对这些气候情况的考量,对于 Pinerolo 市建筑能源改造的两个季度的用气量所实施的比较是可信的,即使没有为能源数据的标准化进行过修正。表5中列出了经过能源改造和引入新调整子系统之后的新制热子系统的用气量,由此可以确定用气量净减10.319m3,相当于耗气量减少了51.9%,完美地符合一级审计时的估计。

结语

在一级能源诊断和初步设计阶段中形成的协作,大大地减少了实施分析的时间和成本,即便这种分析很详细,藉此可以确定具体案例中可能采用的最佳技术方案。通过协作可以确定整合了能源改造的设计方案,与合作伙伴一起实施方案,而后者有的通常只有些许理念,有的也仅仅看见过而已。在改造既有建筑中,特别是在公寓住宅区域内,可能的征兆是有必要改变传统设计规则,加强各种专业人士(工业技术人员、热力技术人员、安装工程师、第三方责任人)之间的协作,还要邀请非水暖技术部门的人士参与(建筑物的业主)。对于所有的参与者来说,这种工作协作的好处是很经济,有利于成为通知客户的方法,并可以一定的权威性和适当的语言解释改造供暖中心可能带来的节能机遇和经济收益。借助于根据最初假设所构筑的系统,在实践中充分全面地实现了理论结果,达到了用气量净减少52%的效果,而所获得的结果纯粹是因为采用了带吸收式热泵 GAHP 的方案的缘故。

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