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商業(yè)建筑中蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀和節(jié)能分析
摘要：本文介紹了目前北京市商業(yè)建筑中的蒸汽系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，并在調(diào)查和測量了大量蒸汽系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的蒸汽系統(tǒng)中存在的問題進行了分析，并提出了一定的改造意見，同時著重介紹了一種適用于蒸汽系統(tǒng)的新設(shè)備。
1 中國商業(yè)建筑蒸汽能耗現(xiàn)狀
隨著中國的改革開放和經(jīng)濟發(fā)展，商業(yè)建筑的面積日趨增大，建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度逐漸加大。據(jù)統(tǒng)計，目前中國已經(jīng)建成大約2000多幢高級賓館和寫字樓，800多家大型商場，其中絕大部分的高級賓館、飯店都設(shè)有蒸汽系統(tǒng)。根據(jù)我們對二十多幢商業(yè)建筑的能耗調(diào)查統(tǒng)計，設(shè)有蒸汽系統(tǒng)的商業(yè)建筑每年僅鍋爐的燃料費用就接近60元/平方米，現(xiàn)有商業(yè)建筑的每年的能源消耗費用就高達225億元人民幣。
賓館類建筑的蒸汽系統(tǒng)主要由蒸汽源、蒸汽輸配系統(tǒng)、蒸汽用戶三部分組成。蒸汽源一般為蒸汽鍋爐。使用燃料各有不同，包括：燃?xì)狻⑷加秃兔�。蒸汽輸配與回收系統(tǒng)包括蒸汽由蒸汽源輸送至用戶和部分蒸汽凝水由用戶處回收至蒸汽源兩部分。蒸汽用戶一般有以下四個：第一個是建筑內(nèi)所需生活熱水，通過與蒸汽換熱的方式提供；第二個是是空調(diào)和供暖系統(tǒng)在冬季時使用的熱水通過與蒸汽換熱提供；第三個是洗衣房，使用蒸汽熨洗衣服；最后是廚房，使用蒸汽蒸煮食品和消毒餐具。此外對于一些采用吸收式冷機的商場、飯店，蒸汽系統(tǒng)還提供溴化鋰吸收式冷機運行所需的高壓蒸汽。對于醫(yī)院，蒸汽系統(tǒng)還提供蒸汽供大部分醫(yī)療室消毒器械使用。表1 顯示了北京市幾種不同的商業(yè)建筑的蒸汽消耗各成份比例。
表1 ：北京市幾種不同的商業(yè)建筑的蒸汽消耗各成份比例（％）
生活熱水 空調(diào)采暖 洗衣房、廚房 消毒用 備注 賓館1 21 58 21 -- 夏季用吸收式冷機 賓館2 48 30 22 -- 醫(yī)院 40 32 20 82 蒸汽系統(tǒng)存在的問題和節(jié)能潛力
通過對北京市商業(yè)建筑中蒸汽系統(tǒng)的調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，目前蒸汽系統(tǒng)的應(yīng)用中還存在著很大的問題，這同時也反應(yīng)了蒸汽系統(tǒng)具有巨大的節(jié)能潛力。主要表現(xiàn)在以下幾方面：
* 中國商業(yè)建筑的能耗高于國外發(fā)達國家的商業(yè)建筑能耗。從我們對北京市近10棟賓館、飯店和醫(yī)院的全面測試和統(tǒng)計可知，這些商業(yè)建筑的全年運行能耗平均大約是188 kwh/m2.a，而氣候條件大致相當(dāng)?shù)娜毡镜耐惤ㄖ钠骄昴芎拇蠹s是135 kwh/m2.a，也就是說北京市的賓館的能耗要比日本高出將近40％。這其中，空調(diào)能耗占到50～60％，而其中設(shè)計到蒸汽系統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)冷、熱能耗又占到空調(diào)能耗的40～50％（如果夏季采用吸收式制冷，冬季采用蒸汽換熱采暖和空調(diào)）。
* 同類型的的商業(yè)建筑之間的能耗也有較大差別。圖1顯示了北京4家四星級以上賓館的全年每平方米耗燃料量，從圖中可看出耗燃料量最高的商場比耗電量最低的商場能耗高出將近2倍。
圖1 北京市4家四星級以上賓館的全年每平方米耗燃料量比較
從蒸汽系統(tǒng)的凝水回收系統(tǒng)運行情況看，各個賓館之間也存在著很大的差異。由于蒸汽凝水中含有大量的水的顯熱，因此凝水回收率越低，系統(tǒng)的能耗損失就約大。圖2顯示的是我們調(diào)查的北京市幾個賓館、醫(yī)院的蒸汽凝水回收情況。從圖2中可以看出，一些賓館蒸汽凝水回收率達到80％以上，凝水回收效果較好，而還有一些系統(tǒng)的凝水回收率低于20％，且大部分蒸汽系統(tǒng)的凝水回收率較低。
圖2 北京市賓館蒸汽凝水回收率
* 近年來已有不少的節(jié)能改造項目竣工，這些改造項目都顯示出較大的經(jīng)濟效益，說明商業(yè)建筑有巨大的節(jié)能潛力。例如在亮馬河大廈，提高蒸汽凝水的回收率和減少二次蒸汽的產(chǎn)生等技術(shù)手段，一年可以節(jié)約運行費用80多萬，所需的投資不到一年的時間即可回收。
上述分析表明，中外對比、同類建筑的對比和商業(yè)建筑成功的改造實例都充分說明中國的商業(yè)建筑蒸汽系統(tǒng)具有巨大的節(jié)能潛力，蒸汽系統(tǒng)節(jié)能改造有很好的經(jīng)濟效益。
3 蒸汽系統(tǒng)節(jié)能的途徑和方法
蒸汽系統(tǒng)包括蒸汽輸送系統(tǒng)，蒸汽用戶，蒸汽凝水回收系統(tǒng)。因此蒸汽系統(tǒng)節(jié)能必須從這三個方面分別下手。從調(diào)查情況看目前高壓蒸汽輸送系統(tǒng)其輸送效率較高，節(jié)能潛力較少；而蒸汽用戶的節(jié)能潛力則主要體現(xiàn)在空調(diào)用戶如何有效的利用冷、熱源上，在這里就不詳細(xì)說明了；所以目前蒸汽系統(tǒng)的節(jié)能則主要體現(xiàn)在蒸汽凝水回收系統(tǒng)上，即如何提供凝水回收率和減少系統(tǒng)的二次蒸汽產(chǎn)生。
3.1 提高工作人員的管理運行水平
* 對運行管理人員、操作工人進行思想品質(zhì)，培養(yǎng)他們的責(zé)任感和事業(yè)心，提高覺悟，盡職盡責(zé)地運行管理設(shè)備。
* 建立嚴(yán)格的管理制度，規(guī)范職員、工人行為，這是實現(xiàn)良好運行管理的客觀保證。
* 對職工、工人進行技術(shù)培訓(xùn)，提高他們的技術(shù)水平和運行管理水平，有益于改善他們的工作，減少能耗。
末端蒸汽用戶的節(jié)能意識也對蒸汽系統(tǒng)的能耗有很大的影響。例如北京市某賓館的洗衣房，洗衣房的工作人員為了工作方便，大部分用汽設(shè)備（如熨燙機等）都采用無疏水閥運行，這不僅使得整個洗衣房的蒸汽凝水溫度偏高，造成了大量的二次蒸汽損失，同時還使一部分動力蒸汽也由凝水管道排到室外，造成了大量的能耗損失。
3.2 提高系統(tǒng)設(shè)備的管理運行水平
這主要體現(xiàn)在
* 對設(shè)備進行嚴(yán)格管理、合理使用，確保使之高效運轉(zhuǎn)。
* 及時對設(shè)備進行更新?lián)Q代，更換低效設(shè)備，避免不必要的能源消耗。
* 建立詳細(xì)的工作計劃和節(jié)能措施，確保節(jié)能改造工程的節(jié)能效果，防止徒勞無功。
由于設(shè)備老化造成的蒸汽系統(tǒng)的能耗增加，在我們的測試調(diào)查中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。如北京市某四星級賓館，其凝水箱內(nèi)凝水長期硬度檢查不合格，被迫再度軟化或者就地排走，造成很大的能源和經(jīng)濟損失。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于一臺生活熱水用的殼管式蒸汽熱水交換器的內(nèi)管破裂，使得大量的未軟化的生活熱水直接進入蒸汽管道回到凝水箱而造成的。
此外采用合理的蒸汽凝水回收系統(tǒng)也是減少系統(tǒng)能耗的一個關(guān)鍵因素。從圖2中我們可以看到賓館B和D的凝水回收率較高，這主要是由于賓館B中對蒸汽凝水進行了多極預(yù)冷，才進入凝水箱，即蒸汽經(jīng)以及換熱器換熱后，得到的溫度較高的凝水再和二級換熱換，使其溫度進一步降低。這樣避免了大量的二次蒸汽損失，而且溫度較低的凝水也更容易打回鍋爐房。賓館D中則將鍋爐補水直接打到凝水箱中和凝水混合，降低凝水箱內(nèi)的凝水溫度，這樣也避免了能耗損失。
圖3 賓館B中蒸汽系統(tǒng)簡圖
圖4 賓館D中蒸汽系統(tǒng)簡圖
3.3 節(jié)能新技術(shù)的推廣
技術(shù)手段的推廣和合理利用是商業(yè)建筑節(jié)能的關(guān)鍵。適合中國商業(yè)建筑的節(jié)能的方法并不是建造一兩幢新的商業(yè)建筑來展示新技術(shù)，而是通過一些投資小見效快的技術(shù)手段對現(xiàn)有商業(yè)建筑的改造和提高運行管理水平來提高能源利用效率。
從蒸汽系統(tǒng)自身的特點來看，蒸汽系統(tǒng)問題最大的地方是蒸汽凝水回收系統(tǒng)。目前一種射流－噴射泵系統(tǒng)非常適合于代替蒸汽系統(tǒng)中蒸汽熱水換熱器。它采用的是將蒸汽直接噴到需要加熱的水中，通過混合來達到換熱的效果。由于它不存在凝水回收系統(tǒng)，固避免了目前蒸汽凝水回收系統(tǒng)中的大量問題。但由于它將處理過的軟化水直接噴到了未處理的熱水中，其增加了鍋爐房處理軟化水的費用。
如下是噴射泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的板式熱交換器的運行能耗費用比較：
初始條件：
1． 采用燃?xì)忮仩t，燃料為天然氣，價錢為1.8元/m3，熱值為44175kj/m3，鍋爐效率93％
2． 都提供4公斤壓力的蒸汽，溫度為143.4，蒸汽熱值為2732kj/kg
3． 自來水價格為3元/噸，軟水價錢為5元/噸，自來水水溫為15℃，熱值為62.85 kj/kg
4． 生活熱水供應(yīng)水溫為60℃，熱值為251.4kj/kg
5． 板式換熱器的凝水溫度為70℃，熱值為293.3kj/kg
計算步驟：
1、 采用FTS系統(tǒng)生產(chǎn)1噸生活熱水所需耗費
(1) 耗蒸汽量
設(shè)生產(chǎn)1噸生活熱水的蒸汽耗量為Gsteam，由：
Gsteam×2732＋（1000－Gsteam）×62.85＝1000×251.4
可得蒸汽耗量為：Gsteam=70.64kg
(2) 耗燃?xì)饬?/p>
由于FTS系統(tǒng)無凝水，所以生產(chǎn)1噸蒸汽所需燃?xì)饬繛椋?/p>
1000×（2732－62.85）/（44175×h1）＝64.97（m3）
所以生產(chǎn)70.64kg蒸汽需燃?xì)饬繛?/p>
Ggas＝64.97×70.64/1000＝4.589（m3）
(3) 耗自來水量
從上面計算可知消耗自來水量為1000－70.64=929.36kg
(4) 耗軟化水量
消耗軟化水量為70.64kg
(5) 總費用
總費用為：4.589*1.8+929.36*3/1000+70.64*5/1000=11.40（元）
2、 采用蒸汽－熱水換熱器生產(chǎn)1噸生活熱水所需耗費
(1) 耗蒸汽量
設(shè)生產(chǎn)1噸自來水的蒸汽耗量為Gsteam，認(rèn)為換熱器換熱效率為1，由：
Gsteam×（2732－293.3）×＝1000×（251.4－62.85）
可得蒸汽耗量為：Gsteam=77.32kg
(2) 耗燃?xì)饬?/p>
設(shè)凝水回收率為X（以下計算數(shù)據(jù)基于X＝100％）
生產(chǎn)1噸蒸汽所需燃?xì)饬繛椋?/p>
{1000*(1-X)*( 2732－62.85 )+1000*X*(2732－293.3)}/ （44175×h1）＝59.36（m3）
所以生產(chǎn)70.4kg蒸汽需燃?xì)饬繛?/p>
Ggas＝59.36×77.32/1000＝4.589（m3）
(3) 耗自來水量
從上面計算可知消耗自來水量為1000kg
(4) 耗軟化水量
消耗軟化水量為77.32*(1-X)=0kg
(5) 總費用
總費用為：4.589*1.8+3*1=11.26（元）
從計算結(jié)果中可以看出，
(1) 在采用噴射泵系統(tǒng)時，系統(tǒng)運行費用僅比采用換熱器＋凝水回收裝置系統(tǒng)在凝水回收效率為100％時的費用高出1.2%
(2) 采用相同的計算過程可以得出當(dāng)換熱器＋凝水回收裝置系統(tǒng)的凝水回收率為87.9%時，所用費用與噴射泵系統(tǒng)相同。
此外噴射泵系統(tǒng)還節(jié)省了凝水回收系統(tǒng)的初投資。
由此可見噴射泵系統(tǒng)是一個值得在蒸汽系統(tǒng)中運用的新技術(shù)。
參考文獻：
【1】章熙民，任澤霈等，傳熱學(xué)(第三版)，中國建筑工業(yè)出版社，1993
【2】陸耀慶主編，使用供熱空調(diào)設(shè)計手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1993
【3】王霖，夏建軍等，北京市旅館類建筑現(xiàn)狀調(diào)查與分析(四)，暖通空調(diào)年會論文集，2000
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