对既有公共建筑尤其是高能耗建筑进行节能技术改造，是实现建筑领域“双碳”目标的重要组成部分。本文以某大型酒店综合能源系统优化提升为案例，通过近１个供暖季的运行，该系统取得了良好的节能和节费效果，以期为类似项目的改造提供一些经验和帮助。
该酒店位于山东省济宁市，总建筑面积10.2万ｍ２，地上18层，地下2层，为正式挂星的大型高档五星级酒店，于2010年建成并投入使用，现对其热源系统进行综合优化提升改造。改造前的热源为酒店附近一家工厂提供的蒸汽，通过近5km的长距离输送至酒店使用。需要热源的系统包括酒店冬季供暖系统、酒店洗衣房蒸汽系统、酒店生活热水系统、酒店泳池热水系统、酒店职工公寓冬季供暖系统等，除洗衣房直接用蒸汽外，其他系统目前使用蒸汽分别通过汽水板式换热器、汽水半容积式换热器等换热设备将水加热至相应温度进行供热。
当前酒店热源用能存在的问题包括：长距离蒸汽输送加上蒸汽管路老化，整体沿途热损失较大；主管路跑冒滴漏情况经常发生，对沿途市政道路安全产生一定影响；蒸汽换热后，未对凝结水进行回收利用，直接全部就地排放，浪费水资源；夏季及春秋季仅生活热水和洗衣房用蒸汽热源，主蒸汽管道为小负荷工况运行，依然要保压保量，热损失较大，系统流量过小使得蒸汽主管道内产生一定量的凝结水，影响蒸汽使用效果。因该项目工厂与酒店同属一家上级企业集团，目前工厂对酒店收取较低的蒸汽能源费用（蒸汽单价仅为260元/t），能源利用效率低、浪费严重，工厂不堪重负。鉴于上述问题，业主方希望尽快对酒店热源系统进行节能改造。
酒店蒸汽热源负担各用能系统现状
▌酒店洗衣房蒸汽系统
根据洗衣房内各设备铭牌参数，洗衣、烘干、熨烫等各设备蒸汽用量统计见表１。计算最大蒸汽用量为696kg/h，经现场多年运行数据统计，实际最大蒸汽用量约600kg/h、每日蒸汽总用量约3.5t，蒸汽压力为0.70MPa。
▌酒店生活热水系统
酒店生活热水共分5套系统，分别为低区客房热水、高区客房热水、洗衣房用热水、厨房餐饮区热水、桑拿部热水系统。每套系统设有2台半容积式换热器，制取55℃生活热水，蒸汽凝结水就地排放，均为闭式承压、冷热水同水同源系统，热水出水压力稳定。
▌酒店冬季供暖系统
酒店冬季供暖面积为8.1万m２，供暖总热负荷为6480KW，竖向系统不分区，使用蒸汽通过2套汽水板式换热器将水加热成供／回水温度为55℃／45℃的供暖热水供集中空调末端使用。
▌酒店泳池热水系统
酒店泳池尺寸为25.0ｍ×12.5ｍ，平均水深1.5ｍ，总有效水容积为470ｍ３，全年24ｈ运行。设有2套汽水板式换热器，通过蒸汽热源换热后为泳池提供热水，蒸汽凝结水就地排放。设有恒温加热控制器，上限温度设定为30℃，下限温度设定为26℃，循环水泵根据恒温控制器自动启停运行。
▌酒店职工公寓冬季供暖系统
公寓冬季供暖面积为2.3万ｍ２，总供热负荷为1350KW，使用蒸汽通过汽水板式换热器将水加热成供／回水温度为75℃／50℃的供暖热水供末端散热器使用。
▌各系统基本情况汇总（见表２）
改造技术路线分析
▌当地能源价格（见表３）
▌总体改造原则及思路
改造期间不可影响酒店正常营业，各热源末端均不作改造调整，改造完成后满足各系统使用要求，尽可能降低运行能耗、运行费用。通过表２可知，该项目用能系统较多且用能末端、用能参数各不相同，不同季节、不同时段工况变化复杂，用能峰谷差异较大，存在极小负荷用能工况，若将上述系统集中整合到一套大的能源系统之中，可能会使系统较为复杂、改造难度较大。由此该项目采用了相对集中＋局部分散、针对每个系统各自制定合理方案的总体思路。
各用能系统改造方案分析
▌酒店洗衣房蒸汽系统改造方案分析
蒸汽属高品位能源，民用建筑小蒸汽量供应常用方式为电或燃气蒸汽发生器，以下对２种蒸汽供应方案进行对比分析。蒸汽发生器的产汽量为750kg/h。
方案1：空气源热泵预热＋电蒸汽发生器蒸汽供应系统，原理图见图1。洗衣房内为高温高湿环境，有大量余热需去除，在洗衣房内增设1套小型空气源热泵热水系统（包含空气源热泵、循环水泵、储水箱等），回收洗衣房室内热量制取45～55℃热水储存于热水箱内，电蒸汽发生器自热水箱内取热水制取蒸汽，可大幅降低电蒸汽发生器能耗，同时可降低洗衣房室内温度。
方案２：燃气蒸汽发生器蒸汽供应系统。由于受燃气蒸汽发生器设置位置所限，无法设于洗衣房内或附近，因此难以增设空气源热泵预热系统。方案对比见表4，按照每日生产3.5t蒸汽、每小时蒸汽供应量600kg/h计算日运行费用。当地能源价格为燃气3.65元／ｍ３，电价为0.80元/（ｋＷ·ｈ）。
通过表4可以看出，方案1运行费用明显高于方案2。在初投资方面，方案1需增加540KW的配电功率，受现场配电系统所限，改造难度较大且初投资远高于方案2。经技术经济分析比较，最终采用方案2作为改造实施方案。
▌酒店生活热水系统改造方案分析
节能性较好的热水系统包括太阳能热水系统、空气源热泵热水系统等。通过现场勘查，该项目难有适合放置太阳能集热板的位置；热水系统较多且较为分散，需要满足冷热水同水同源，难以应用空气源热泵、热水箱等集中热水系统。最终采用了改造难度较小、可靠度较高的方案形式———容积式燃气热水炉分系统分区热水供应方案，原理图见图２。
每个热水系统在冷水进水管路上串联3～4台容积式燃气热水炉，单台热水炉额定供热量99KW、储水量400Ｌ、燃气消耗量9.9ｍ3/h，水温可设定范围为32～82℃，系统其他均不作变动。原系统中的汽水容积式换热器也无需拆除，可用于存储一部分热水，使得热水系统更加安全可靠。
▌酒店冬季供暖系统改造方案分析
空气源热泵和燃气锅炉是民用建筑常用的供暖热源。空气源热泵供暖系统其优势在于节能性、低运行费用，该项目所在地的气电比（燃气价格与电价之比）为4.56ｋＷ·ｈ／ｍ３，具有较好的优势。
2种系统各有优劣，若将两者结合，取长补短、各自发挥其优势，是一种较好的解决方案。天然气与可再生能源融合发展是共同快速推进高碳能源向低碳能源转换、实现“双碳”目标的重要方式之一。基于此，该项目综合采用了常压模块式燃气热水锅炉＋空气源热泵机组多能耦合的联合供暖系统。酒店全年逐日热负荷计算结果见图3，全年最大热负荷为7165ｋＷ，最小热负荷为1219ｋＷ。
多能耦合系统需要综合多种运行工况，合理配置各热源比例，该项目空气源热泵机组基于40％入住率的运行工况进行配置比例计算对整个项目降低初投资、节省运行费用更为有利。所配置的热泵机组在不同室外温度、不同出水温度下的COP变化曲线见图5。
结合40％入住率热负荷曲线图、项目室外场地限制条件，最终配置了13台超低温型空气源热泵机组，单台在GB37480—2019《低环境温度空气源热泵（冷水）机组能效限定值及能效等级》工况下的供热量为160KW，占40％入住率下热负荷的50％；再按照总热负荷配置了5台常压燃气热水锅炉，单台供热量为1030KW，满足五星级酒店最不利工况运行需求。空气源热泵机组虽然配置比例较低，但根据实际运行工况能够充分发挥耦合供暖系统的节能效果。相比全部为空气源热泵系统，配电功率下降了70％，占地面积减少了60％，初投资降低了60％。原理图见图6。
设有数据采集系统采集室外环境温度、系统供回水温度、热泵供回水温度、锅炉供回水温度、系统供回水压力等。将热泵机组供暖工况COP随室外温度及出水温度变化曲线输入自控系统，系统根据曲线和所监测的室外温度、出水温度自动计算热泵机组COP，通过内置计算程序叠加水泵等其他附属配套运行设备功率，自动综合计算锅炉供暖、热泵机组供暖的经济性，在保障高质量供热的前提下，以更小成本运行策略协调热源启用优先级，降低供热成本，从而智能调用双能源协同供热运行；对系统进行智慧化能源管理，实现无人值守。
根据所在地当前能源价格（燃气价格3.65元／ｍ３、电价0.80元/(ｋＷ·ｈ)）计算，燃气锅炉供暖运行费用与空气源热泵机组COP为2.1左右时的运行费用基本相当，当COP高于2.1时空气源热泵机组供暖运行费用更为节省。根据图5推算得到出水温度为45℃、室外温度低于－17℃时，热泵机组COP为2.1左右。
▌酒店泳池热水系统改造方案分析
酒店泳池采用泳池专用空气源热泵机组直供热水系统，选用2台泳池专用空气源热泵，单台机组额定制热量为114.5KW，输入功率为26.0KW，机组最高出水温度为35℃，在GB37480—2019工况下COP为5.7，机组内部接触泳池循环水部分采用耐强腐蚀材质，泳池水可直接进入热泵机组加热循环，系统原理图见图７。该热水系统较为简单可靠，无需再增加换热系统，改造难度及改造成本较低，特别适合该项目实际情况。
▌酒店职工公寓冬季供暖系统改造方案分析
各系统运行数据统计
各系统于2022年底相继完成改造施工及调试，并于2023年1月1日正式投入使用。改造完成后各系统运行状态平稳良好，室内参数达标，酒店管理使用方对改造效果较为满意。2023年1月1日至3月20日供暖季结束，对各系统运行数据进行统计整理，同时对2022年同期运行数据也进行了整理。由于受新冠疫情及酒店经营管理方向调整等因素影响，近几年酒店入住率普遍在30％左右。2023年初，虽然国内新冠疫情基本结束，但该酒店前3个月运营情况与疫情３年期间同时段运营情况基本相同，因此与往年同期运行情况及运行数据具有较好的可比性。运行费用计算依据为燃气价格3.65元／ｍ３、电价0.80元／（ｋＷ·ｈ）、蒸汽价格260元／ｔ。
▌酒店燃气蒸汽发生器蒸汽供应系统运行数据统计
酒店洗衣房燃气蒸汽发生器燃气用量及燃气费用统计见表5，系统运行用电量每月平均为3800ｋＷ·ｈ，平均电费为3040元／月。2022年同期酒店洗衣房直接使用蒸汽量及蒸汽费用统计见表6。
▌酒店容积式燃气热水炉分系统分区热水供应系统运行数据统计
酒店生活热水系统容积式燃气热水炉燃气用量及燃气费用统计见表7。2022年同期酒店生活热水系统使用蒸汽换热的蒸汽用量及蒸汽费用统计见表8。
▌酒店常压模块式燃气热水锅炉＋空气源热泵机组多能耦合联合供暖系统运行数据统计
受入住率所限，2023年1—3月酒店实际供暖面积约2.5万m2，因此所改造的多能耦合供暖系统在当前工况下仅运行空气源热泵即可满足全部供暖需求，燃气锅炉暂未运行。空气源热泵机组用电量及电费统计见表9。2022年同期酒店供暖系统使用蒸汽换热的蒸汽用量及蒸汽费用统计见表10。
▌酒店职工公寓容积式燃气热水炉供暖系统运行数据统计
酒店职工公寓容积式燃气热水炉燃气用量及燃气费用统计见表11。2022年同期酒店职工公寓供暖系统使用蒸汽换热的蒸汽用量及蒸汽费用统计见表12。
▌酒店泳池专用空气源热泵机组串联直供热水系统运行数据统计
受酒店入住率及疫情影响，酒店泳池到2023年3月20日供暖季结束为止仍未开启运行，泳池专用空气源热泵串联直供热水系统运行费用数据暂无法统计，但通过其他类似项目运行数据可知，相比原蒸汽系统会有较大的节能和节省运行费用的空间。
运行情况及运行数据分析
▌运行情况分析
改造完成后各系统运行状态平稳，室内参数达标，酒店管理使用方对改造效果较为满意。生活热水系统及洗衣房蒸汽系统2023年1月平均燃气用量普遍高于2、3月，分析原因主要为系统处于运行摸索阶段，还未完全掌握系统运行规律，蒸汽系统保证压力设定值过高（0.85MPa），室外温度较低，能耗较大。随着系统运行管理水平的提高及机组设置定时开关机模式、蒸汽压力设定值调整降低等优化措施的采用，燃气平均用量逐渐降低。
▌各系统热源改造前后运行费用对比分析
通过表6～12运行数据统计，各系统热源改造前后运行费用对比汇总见表13。
通过计算得到改造后运行费用总体节省率为36.4％，除洗衣房蒸汽供应系统外，其他系统均取得了较好的节省运行费用的效果，尤其是空气源热泵冬季供暖系统，运行费用节省率达到45.0％以上。燃气蒸汽发生器通过统计计算得到的生产蒸汽费用约为288元／t，已是费用较低的一种方式，相比2022年同期运行费用略有增加，主要原因在于工厂给酒店的蒸汽价格较低（260元／t），远低于正常蒸汽市场价格。
▌各系统热源改造前后运行能耗对比分析
各系统热源改造前后运行能耗统计及折算标准煤见表14，通过计算得到改造后节能率为50.5％，其中空气源热泵冬季供暖系统节能率达到74.0％以上。
结束语
高档星级酒店建筑能源需求种类较多、能源消耗量较大，对于能源优化利用提升改造项目需要采用相适宜的能源方案来解决相应的系统问题。该五星级酒店的热源节能改造项目综合运用了燃气蒸汽发生器蒸汽供应系统、容积式燃气热水炉分系统分区热水供应系统、常压模块式燃气热水锅炉＋空气源热泵机组多能耦合联合供暖系统、泳池专用空气源热泵机组串联直供热水系统、容积式燃气热水炉供暖系统等，近１个供暖季的运行结果表明，取得了良好的节能和节费效果。（文/魏曙光，刘泽华，徐启武，刘靖晗，连茂利，邓召旭）