商业建筑中蒸汽系统现状和节能分析

商业建筑中蒸汽系统现状和节能分析

摘要：本文介绍了目前北京市商业建筑中的蒸汽系统的运行现状，并在调查和测量了大量蒸汽系统的基础上，对现有的蒸汽系统中存在的问题进行了分析，并提出了一定的改造意见，同时着重介绍了一种适用于蒸汽系统的新设备。

1 中国商业建筑蒸汽能耗现状

随着中国的改革开放和经济发展，商业建筑的面积日趋增大，建设规模和建设速度逐渐加大。据统计，目前中国已经建成大约2000多幢高级宾馆和写字楼，800多家大型商场，其中绝大部分的高级宾馆、饭店都设有蒸汽系统。根据我们对二十多幢商业建筑的能耗调查统计，设有蒸汽系统的商业建筑每年仅锅炉的燃料费用就接近60元/平方米，现有商业建筑的每年的能源消耗费用就高达225亿元人民币。

宾馆类建筑的蒸汽系统主要由蒸汽源、蒸汽输配系统、蒸汽用户三部分组成。蒸汽源一般为蒸汽锅炉。使用燃料各有不同，包括：燃气、燃油和煤。蒸汽输配与回收系统包括蒸汽由蒸汽源输送至用户和部分蒸汽凝水由用户处回收至蒸汽源两部分。蒸汽用户一般有以下四个：第一个是建筑内所需生活热水，通过与蒸汽换热的方式提供；第二个是是空调和供暖系统在冬季时使用的热水通过与蒸汽换热提供；第三个是洗衣房，使用蒸汽熨洗衣服；最后是厨房，使用蒸汽蒸煮食品和消毒餐具。此外对于一些采用吸收式冷机的商场、饭店，蒸汽系统还提供溴化锂吸收式冷机运行所需的高压蒸汽。对于医院，蒸汽系统还提供蒸汽供大部分医疗室消毒器械使用。表1 显示了北京市几种不同的商业建筑的蒸汽消耗各成份比例。

表1 ：北京市几种不同的商业建筑的蒸汽消耗各成份比例（％）

  生活热水空调采暖洗衣房、厨房消毒用备注宾馆1215821--夏季用吸收式冷机宾馆2483022--  医院4032208 

2 蒸汽系统存在的问题和节能潜力

通过对北京市商业建筑中蒸汽系统的调查和分析发现，目前蒸汽系统的应用中还存在着很大的问题，这同时也反应了蒸汽系统具有巨大的节能潜力。主要表现在以下几方面：

* 中国商业建筑的能耗高于国外发达国家的商业建筑能耗。从我们对北京市近10栋宾馆、饭店和医院的全面测试和统计可知，这些商业建筑的全年运行能耗平均大约是188 kwh/m2.a，而气候条件大致相当的日本的同类建筑的平均全年能耗大约是135 kwh/m2.a，也就是说北京市的宾馆的能耗要比日本高出将近40％。这其中，空调能耗占到50～60％，而其中设计到蒸汽系统的建筑结构冷、热能耗又占到空调能耗的40～50％（如果夏季采用吸收式制冷，冬季采用蒸汽换热采暖和空调）。

* 同类型的的商业建筑之间的能耗也有较大差别。图1显示了北京4家四星级以上宾馆的全年每平方米耗燃料量，从图中可看出耗燃料量最高的商场比耗电量最低的商场能耗高出将近2倍。

图1 北京市4家四星级以上宾馆的全年每平方米耗燃料量比较

从蒸汽系统的凝水回收系统运行情况看，各个宾馆之间也存在着很大的差异。由于蒸汽凝水中含有大量的水的显热，因此凝水回收率越低，系统的能耗损失就约大。图2显示的是我们调查的北京市几个宾馆、医院的蒸汽凝水回收情况。从图2中可以看出，一些宾馆蒸汽凝水回收率达到80％以上，凝水回收效果较好，而还有一些系统的凝水回收率低于20％，且大部分蒸汽系统的凝水回收率较低。

图2 北京市宾馆蒸汽凝水回收率

* 近年来已有不少的节能改造项目竣工，这些改造项目都显示出较大的经济效益，说明商业建筑有巨大的节能潜力。例如在亮马河大厦，提高蒸汽凝水的回收率和减少二次蒸汽的产生等技术手段，一年可以节约运行费用80多万，所需的投资不到一年的时间即可回收。

上述分析表明，中外对比、同类建筑的对比和商业建筑成功的改造实例都充分说明中国的商业建筑蒸汽系统具有巨大的节能潜力，蒸汽系统节能改造有很好的经济效益。

3 蒸汽系统节能的途径和方法

蒸汽系统包括蒸汽输送系统，蒸汽用户，蒸汽凝水回收系统。因此蒸汽系统节能必须从这三个方面分别下手。从调查情况看目前高压蒸汽输送系统其输送效率较高，节能潜力较少；而蒸汽用户的节能潜力则主要体现在空调用户如何有效的利用冷、热源上，在这里就不详细说明了；所以目前蒸汽系统的节能则主要体现在蒸汽凝水回收系统上，即如何提供凝水回收率和减少系统的二次蒸汽产生。

3.1 提高工作人员的管理运行水平

* 对运行管理人员、操作工人进行思想品质，培养他们的责任感和事业心，提高觉悟，尽职尽责地运行管理设备。

* 建立严格的管理制度，规范职员、工人行为，这是实现良好运行管理的客观保证。

* 对职工、工人进行技术培训，提高他们的技术水平和运行管理水平，有益于改善他们的工作，减少能耗。

末端蒸汽用户的节能意识也对蒸汽系统的能耗有很大的影响。例如北京市某宾馆的洗衣房，洗衣房的工作人员为了工作方便，大部分用汽设备（如熨烫机等）都采用无疏水阀运行，这不仅使得整个洗衣房的蒸汽凝水温度偏高，造成了大量的二次蒸汽损失，同时还使一部分动力蒸汽也由凝水管道排到室外，造成了大量的能耗损失。

3.2 提高系统设备的管理运行水平

这主要体现在

* 对设备进行严格管理、合理使用，确保使之高效运转。

* 及时对设备进行更新换代，更换低效设备，避免不必要的能源消耗。

* 建立详细的工作计划和节能措施，确保节能改造工程的节能效果，防止徒劳无功。

由于设备老化造成的蒸汽系统的能耗增加，在我们的测试调查中经常发现。如北京市某四星级宾馆，其凝水箱内凝水长期硬度检查不合格，被迫再度软化或者就地排走，造成很大的能源和经济损失。经调查发现是由于一台生活热水用的壳管式蒸汽热水交换器的内管破裂，使得大量的未软化的生活热水直接进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统也是减少系统能耗的一个关键因素。从图2中我们可以看到宾馆B和D的凝水回收率较高，这主要是由于宾馆B中对蒸汽凝水进行了多极预冷，才进入凝水箱，即蒸汽经以及换热器换热后，得到的温度较高的凝水再和二级换热换，使其温度进一步降低。这样避免了大量的二次蒸汽损失，而且温度较低的凝水也更容易打回锅炉房。宾馆D中则将锅炉补水直接打到凝水箱中和凝水混合，降低凝水箱内的凝水温度，这样也避免了能耗损失。

图3 宾馆B中蒸汽系统简图

图4 宾馆D中蒸汽系统简图

3.3 节能新技术的推广

技术手段的推广和合理利用是商业建筑节能的关键。适合中国商业建筑的节能的方法并不是建造一两幢新的商业建筑来展示新技术，而是通过一些投资小见效快的技术手段对现有商业建筑的改造和提高运行管理水平来提高能源利用效率。

从蒸汽系统自身的特点来看，蒸汽系统问题最大的地方是蒸汽凝水回收系统。目前一种射流－喷射泵系统非常适合于代替蒸汽系统中蒸汽热水换热器。它采用的是将蒸汽直接喷到需要加热的水中，通过混合来达到换热的效果。由于它不存在凝水回收系统，固避免了目前蒸汽凝水回收系统中的大量问题。但由于它将处理过的软化水直接喷到了未处理的热水中，其增加了锅炉房处理软化水的费用。

如下是喷射泵系统与传统的板式热交换器的运行能耗费用比较：

初始条件：

1． 采用燃气锅炉，燃料为天然气，价钱为1.8元/m3，热值为44175kj/m3，锅炉效率93％

2． 都提供4公斤压力的蒸汽，温度为143.4，蒸汽热值为2732kj/kg

3． 自来水价格为3元/吨，软水价钱为5元/吨，自来水水温为15℃，热值为62.85 kj/kg

4． 生活热水供应水温为60℃，热值为251.4kj/kg

5． 板式换热器的凝水温度为70℃，热值为293.3kj/kg

计算步骤：

1、 采用FTS系统生产1吨生活热水所需耗费

(1) 耗蒸汽量

设生产1吨生活热水的蒸汽耗量为Gsteam，由：

Gsteam×2732＋（1000－Gsteam）×62.85＝1000×251.4

可得蒸汽耗量为：Gsteam=70.64kg

(2) 耗燃气量

由于FTS系统无凝水，所以生产1吨蒸汽所需燃气量为：

1000×（2732－62.85）/（44175×h1）＝64.97（m3）

所以生产70.64kg蒸汽需燃气量为

Ggas＝64.97×70.64/1000＝4.589（m3）

(3) 耗自来水量

从上面计算可知消耗自来水量为1000－70.64=929.36kg

(4) 耗软化水量

消耗软化水量为70.64kg

(5) 总费用

总费用为：4.589*1.8+929.36*3/1000+70.64*5/1000=11.40（元）

2、 采用蒸汽－热水换热器生产1吨生活热水所需耗费

(1) 耗蒸汽量

设生产1吨自来水的蒸汽耗量为Gsteam，认为换热器换热效率为1，由：

Gsteam×（2732－293.3）×＝1000×（251.4－62.85）

可得蒸汽耗量为：Gsteam=77.32kg

(2) 耗燃气量

设凝水回收率为X（以下计算数据基于X＝100％）

生产1吨蒸汽所需燃气量为：

{1000*(1-X)*( 2732－62.85 )+1000*X*(2732－293.3)}/ （44175×h1）＝59.36（m3）

所以生产70.4kg蒸汽需燃气量为

Ggas＝59.36×77.32/1000＝4.589（m3）

(3) 耗自来水量

从上面计算可知消耗自来水量为1000kg

(4) 耗软化水量

消耗软化水量为77.32*(1-X)=0kg

(5) 总费用

总费用为：4.589*1.8+3*1=11.26（元）

从计算结果中可以看出，

(1) 在采用喷射泵系统时，系统运行费用仅比采用换热器＋凝水回收装置系统在凝水回收效率为100％时的费用高出1.2%

(2) 采用相同的计算过程可以得出当换热器＋凝水回收装置系统的凝水回收率为87.9%时，所用费用与喷射泵系统相同。

此外喷射泵系统还节省了凝水回收系统的初投资。

由此可见喷射泵系统是一个值得在蒸汽系统中运用的新技术。

参考文献：

【1】章熙民，任泽霈等，传热学(第三版)，中国建筑工业出版社，1993

【2】陆耀庆主编，使用供热空调设计手册，中国建筑工业出版社，1993

【3】王霖，夏建军等，北京市旅馆类建筑现状调查与分析(四)，暖通空调年会论文集，2000