星级酒店空调冷热源的选择与评估

 引言  

 当前建筑暖通空调的能耗在我国的能源消耗中的占比为10%左右，不同的空调冷热源方案的差异较大，随之造成的能耗、环境问题一直是业内人士关注的焦点、讨论的重点。尤其是星级酒店，消耗的能量也越来越大，甚至出现了空调系统与经济建设相互冲突的现象。因此，在酒店节能这一方面显得十分迫切。所以空调冷热源方案的选择与评估已经成为空调系统设计过程中的一个重要环节。调查发现：北京市公共建筑年平均能耗为11513kWh/m    ²    ，空调年平均能耗为51165 kWh/m    ²    ，空调能耗占建筑能耗的22.33%~81.16%。降低建筑能耗需要选取合理的冷热源方案。结合北京市某星级酒店，详细介绍空调冷热源方案的选择与评估过程。  

 1     工程概况  

 选取位于北京大兴区某星级酒店作为研究对象。该星级酒店建筑高度为29.15m，地上为八层高，地下一层，包括：400间客房；中西餐厅；宴会厅；商业：会议室；娱乐设施；厨房；一层地下停车场以及一些相关配套设施。总建设用地面积为62912m    ²    ，总建设面积为62912m    ²    。该建筑除空调负荷外，还需生活热水负荷，干蒸汽加湿负荷，洗衣房、厨房需蒸汽。  

 2     方案的提出及技术分析  

 在合理确定空调系统室内设计参数的前提下，经初选后，提出以下几个方案。  

 方案一：离心式冷水机组+市政供热+燃气锅炉系统。本项目冷负荷较大，选择大型离心机组，可以提高系统运行效率，当地有市政供热，直接采用市政供热承担供暖期热负荷，供暖期外较低的热负荷由备用锅炉承担，可降低采暖设备的初投资，同时不影响房间的热舒适。根据计算冷、热负荷，同时考虑主要设备尺寸，空调冷源采用3台单机名义制冷量为1970kW的离心式冷水机组，供给7~12 ℃冷冻水。热源为市政供热+燃气锅炉。该酒店在冬季供暖期采用市政热源，市政供水温度为130℃，回水温度为70℃，酒店热力站设置1组额定换热量为2343 kW的板式换热器，交换供回水温度为60/45℃的热水；在供暖季还未开始的前一段时间和供暖季结束的后一段时间，客房也需要少量的热负荷，为了提高房间的热舒适，此时采用燃气锅炉对房间进行供暖，2台燃气锅炉的额定制热量为2500 kW，是冬季空调热源。  

 方案二：离心式冷水机组+燃气锅炉系统。冷源同上。  

 同样采用3台单机名义制冷量为1970 kW的离心式冷水机组，供给7~12℃冷冻水。热源采用2台燃气锅炉，额定制热量为2343 kW，同时热力站设置2台额定换热量为2343 kW的板式换热器，交换供回水温度为60/45℃的热水。  

 方案三：螺杆式冷水机组+市政热源+燃气锅炉系统。空调系统采用3台单机制冷量为1970kW的螺杆式冷水机组，供给7~12℃冷冻水，热源为市政热源+燃气锅炉系统，与方案一相同，同时主要设备性能参数也与方案一相同。上述3种方案在技术上均可行，且设备均可布置于机房，但是3种方案的主要设备性能参数各不相同，具体分析如表1~表3所示。  

         

         

 3     能耗对比  

 3    种方案年能耗对比如表4所示。  

         

 由表4可知，方案1和方案2系统耗电量基本一次，这是因为方案1和方案2有相同的冷水机组，同时，供热系统的耗电量也几乎相同。方案3的耗电量要高于方案1和方案2，主要是因为方案3采用了螺杆冷水机组，其COP低于离心式冷水机组。方案1较方案3节约了33.57%的用电，方案2较方案3节约了33.0%的用电。由于3种方案的能源类型不同，对于总能耗，不能进行直接对比，故将其转化为1次能源进行对比。  

 3    种方案逐月一次能源消耗对比如图1所示。  

         

 图1 3种方案一次能源消费对比  

 由图1可知，3种方案用能的逐月变化趋势一致，1月份用能最高，5月份用能最低，同时，冬季采暖用能大于夏季制冷用能。3种方案一次能源消费量统计表如表5所示。  

 表5 一次能源消费量统计  

         

 可见，对于一次能源消费，方案2＜方案1＜方案3，方案1较方案3节能15.42%，方案2较方案3节能21.47%。方案2之所以一次能源节能较多，主要是因为其供暖热一次源能源消费较小，为747.42 万kWh，方案1、方案3采暖热源一次能源消费一样，为846.19 万kWh。这主要是集中供暖的系统效率较高效燃气锅炉效率低所致。根据文献，我国北方地区集中供暖的供热平均效率越为65%，而《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2015）要求，当锅炉制热量为1.4~4.2 MW时，燃气锅炉效率应达到90%。方案3能耗最高主要是因为制冷采用了螺杆冷水机组，同时制热采用了市政供暖所致。一次能源利用率为系统的制冷制热量比上系统的一次能源消费量。3种方案一次能源利用率逐月对比如表6所示。  

 表6 一次能源利用率逐月对比  

         

 由表6可知，一次能源利用率7月份最高，4月份较低。采暖期时，1月到4月一次能源利用率逐渐降低，这个主要是供热量降低了，但是末端能耗及水泵能耗减小幅度要小于供暖量减小幅度，故一次能源利用率逐渐减小，同理，10月~12月期间，由于供热量逐渐增大，末端能耗及水泵能耗增大幅度比供热量增大幅度小，故一次能源利用率逐渐增大。同样，在制冷季时（5月~9月），5月~7月制冷量逐渐增大，故一次能源利用率逐渐增大，7月~9月制冷量逐渐降低，故一次能源利用率逐渐降低。         

 全年一次能源利用率统计如下：方案1的一次能源利用效率为0.83，方案2的一次能源利用效率为0.89，方案3的一次能源利用效率为0.70。可见，案2的一次能源利用率最高，其次为方案1，方案3最低。  

 4     经济性分析  

 4.1     机房主要设备初投资  

 设备单价如表7所示。3种方案机房主要设备初投资如表8所示。由表8可知，对于机房初投资造价，方案2的造价最高，其次为方案1，最后为方案3。  

         

 4.2     系统运行费用  

 根据北京市最新峰谷平电价（京发改[2019]758号）文件，电价采用分时电价，并将电价分为尖峰电价、高峰电价、平段电价、低谷电价。制冷季（7月~8月时段）与非制冷季电度电价划分时间有所区别，分时电价如图2所示。  

         

 图2 分时电价  

 燃气费用为2.75 元/m    ³    ，市政供暖费用为0.25 元/kWh。  

 方案1、方案2、方案3系统逐月运行费用分别如表9、表10、表11所示。由表9~表11可知，方案1总运行费用为318.85万元，方案2总运行费用为304.99万元，方案3总运行费用为373.3万元。  

         

         

 由图3可知，3种方案每月运行费用变化趋势基本一致，均为1月份最高，5月运行费用最低。对于方案2，1月、2月、12月运行费用高于其他方案，这是因为燃气费用高于市政供暖费用所致，3月、10月、11月运行费用低于其余方案，这个是因为其一次能源利用率要高于其余方案。  

 在夏季时，方案1和方案2运行费用基本一致，但方案3运行费用高于方案1和方案2，则主要是因为螺杆冷水机组运行COP低于离心机组运行COP所致。  

 3    种方案全年运行费用对比如表12所示。  

         

 5     投资回收期分析  

 投资回收期分析采用静态投资回收期分析方法，即增加初投资比上年运行费用节省。方案1、方案2相对于方案3的投资回收期计算如表13所示。方案2相对于方案1的投资回收期计算表如表14所示。可见，方案2相对与方案1的投资回收期为5.03年，投资回收期也合理。故通过静态投资回收期可以得出，方案2优于方案1，方案1优于方案3。  

         

 6     生命周期成本分析  

 生命周期成本分析模型如式（1）所示：  

         

 式中：F——生命周期成本（万元）；Co——初投资（万元）；i——银行贷款利率，此处考虑为6% ；m——系统使用寿命，此处为15a；Mj——第j种能源年使用量（燃气：m    ³    ；电能：kWh）；Pj——第j种能源单价（电：元/kWh；燃气：元/m    ³    ；供暖费用：元/kWh）；i39;——能耗价格上涨率，此处考虑为平均年通货膨胀率，为3%。  

 3    种方案生命周期成本如表15所示。  

         

 7     结语  

 上述各方案里，通过5个方面对比，得到的结果如下：  

 （1）一次能源消耗方面。方案2优于方案1，方案1优于方案3。（2）全年一次能源利用率方面。方案2优于方案1，方案1优于方案3。（3）初投资对比方面。方案3优于方案1，方案1优于方案2。（4）投资回收期对比方面。方案2优于方案1，方案1优于方案3。（5）生命周期成本方面。方案2优于方案1，方案1优于方案3。  

 通过以上对比发现，方案2在能耗方面属于最优方案，在初投资上虽然占劣势，资金最高，但是在后期投资回收方面占绝对优势，从整个生命周期成本方面考虑，方案2属于最优方案。  

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