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既有建筑综合改造技术集成示范工程案例

一、工程概况
本工程为中华人民共和国住房与城乡建设部建筑节能示范工程,改造对象为天津市泰达大厦,开发与建设周期时间为一年。泰达大厦写字楼地处天津市河西区解放南路金融街上,是小白楼中央商务区(CBD)内的一个重点建筑物。其占地面积为5000平方米,建筑面积约为6万平方米,主体为框架剪力墙结构,是一座纯商务写字楼。大厦高约115米,地下是两层(车库),地上共二十九层。大厦首层及二层采用全空气系统,各层会议室及办公均采用风机盘管加新风系统。制冷站设于地下二层, 冷水机组采用美国原装DUNHAM-BUSH冷水机组。夏季由制冷站为各层提供空调冷水,冬季由热交换站将市政供热外网95/70度热水经换热器提供60/50度热水。冬夏季共用水系统。右图为泰达大厦鸟瞰图。
 
二、改造原因及目标
(一)工程背景我国政府高度重视建设领域的节能减排工作。
       建设部、财政部已于2007年10月出台了《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》(建科[2007]245号),开展建立大型公共建筑节能监管体系建设工作,并支持既有大型公共建筑开展节能改造,同时财政部也制定了支持大型公共建筑节能改造的贴息政策。本项目将列入天津市国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系之中。包括节能监管体系建设在内的我国建筑节能工作,其目标是提高建筑的用能效率,降低建筑的总能耗水平。
      (二)存在的缺陷 
       1、二层制冷机房两套分集水器简单用一连通管连接,两套循环水泵也简单并联,造成系统总干管水利失调。由于新老系统共存现象,使系统各环路水利不平衡率增大,系统调节困难,造成系统各部分水利失调严重; 
       2、供回水主管道上没有总阀门; 
       3、供回水主管道没有压差平衡阀和除污器; 
       4、新风机组表冷器的铜铁接头处由于长时间使用,铁头一侧已经出现腐蚀跑水的现象; 
       5、负二层的12台水泵各部件出现磨损,滴水严重,导致更换连轴器越来越频繁,造成严重浪费; 
       6、板式换热器老化,阻塞严重,压降过大,二次换热温差变小,造成的后果就是严寒期会严重影响冬季空调供暖温度; 
       7、各办公楼层送风散流器出现不同程度的送风不均的现象,根据物业管理人员反映,大厦EF座经常被投诉空调制冷效果不佳。
      (三)改造目标根据节能诊断结果,本项目改造总体目标为节能30%,具体通过以下途径实现:
       1、围护结构加内保温,内保温材料采用50mm厚聚苯板。 
       2、对制冷机房空调系统进行全面的改造,解决系统老化、混乱、水力不平衡的问题。 
       3、对冷冻水系统、冷却水系统及冷却塔风机加装模糊控制系统,实现机房设备的自动化控制。 
       4、对管网及末端系统进行改造,改善原系统末端的冷热不均的现象。
三、改造技术
(一)建筑改造
       泰达大厦建于1997年,围护结构作法未达到建筑节能标准,未达到国家节能要求,对围护结构进行节能改造,因内保温具有造价低、施工简便等优点,对泰达大厦采取整体内保温,采用的材料为50mm厚聚苯板。
      (二)采暖空调改造
       制冷机房内更换冷冻水泵、冷却水泵,全部采用与制冷机组并联连接,型号根据制冷机组使用情况及冬季使用情况,参照水泵运行曲线选择水泵型号,使水泵在较佳工况点运行。根据实际使用情况,使水泵变频。并且在空调系统中采用手动与自控相结合的形式。
       制冷机房内分/集水器真正合并,根据系统使用重新选择分/集水器,在分/集水器部分使低区系统合并。
       在控制系统中采用机组运行台数调节及水泵变频调节相结合。
       各楼层空调系统主供回水干管分别加设静态流量平衡阀及压差控制器,以保证系统运行稳定,适应水泵变频及正常使用。
      (三)给排水改造
       泰达大厦的给排水系统也存在老化问题,造成一定的浪费,从其给水系统的经济性,日常维护及系统的可靠性等几个方面进行研究,选择适合于泰达的给水系统,以满其生活、消防用水的需求.
      (四)电气自控改造
       使用中央空调节能控制系统后,中央空调系统运行的自动化控制程度得到了提高,减少了人工操作造成的影响。水系统各泵组电机的启停以及启动工作频率可由系统进行设定,泵组电机可以在低频状态下启动,从而最大限度地减少了对电网的冲击和对泵组电机的磨损,延长了设备的使用寿命,降低了设备的维修成本,由此间接带来的经济效益也是不可估量的。
       1. 系统控制对象
       本系统主要监测对象有: 4台冷冻机组
       本系统主要控制对象有:
       冷冻水泵机组: 4台55KW水泵
       冷却塔风机组: 4台16KW风机
       2. 中央空调管理专家系统主要由以下设备组成:
       MKG 2003-4 模糊控制柜  1套  
       MKX 2003-4   现场模糊控制箱  1套  
       FBQ600E-55  切换水泵智能控制柜  2套
       FBQ600E-75  切换水泵智能控制柜   2套
       FJX600E-4   风机智能控制箱   1套   
       3. 控制器
       控制器包括1台MKG 600-4 模糊控制柜和1台MKX 600-4 现场模糊控制箱, MKG 600-4控制柜内配置工业控制计算机1台、通讯协议转换单元2套、智能数字单元4套、保护单元1套以及系统软件1套。MKX 600-4 现场模糊控制箱内配置传感器接口单元4套,铂电阻输入单元4套。
       控制柜于现场用通讯线缆与水泵智能控制柜、风机智能控制箱、现场模糊控制箱以及原有的空调起、停控制柜连接。
       控制器系统通过协议解析,可与以上各控制柜进行通信,通过对空调系统全面的参数采集,实现对空调系统运行的集中监测、控制和管理。
       4. 冷冻水控制系统
       冷冻水控制系统设FBQ600E-75切换水泵智能控制柜2套;每台FBQ600控制柜内配置变频器1台、智能控制单元1套、智能数字单元1套,用于切换控制冷冻水泵共2台;变频器、水泵智能控制柜以及各控制单元经传输导线与MKG 600-4模糊控制柜连接。
       冷冻水系统的集、分水器间安装水流压差传感器P,在冷冻水供回水总管上分别安装有水温传感器1T、2T,在冷冻水回水总管上安装有水温传感器流量计Q1。主机冷冻水出口管上分别安装有水温传感器T1、T2,T3,T4,。每只流量计、水温传感器及水流压差传感器经传输导线与MKX 600-4D 现场模糊控制箱连接。
       原电机控制柜内的主电路不变,断开原控制柜进线断路器与启动主电路的导线连接,加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端,水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜,与启动主电路连接,原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端,当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时,可方便快捷地切换为原工频状态运行。
       控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据,计算出负荷需用制冷量及最佳温度、温差、压差和流量值,并与检测到的实际参数作比较,根据其偏差值控制冷冻水泵的转速,改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量趋于控制器给定的最优值。
       当原电机控制柜起动完毕后,起动完毕信号送至控制器,由控制器向对应变频器发出指令,变频起动冷冻水泵。冷冻水泵起动后,按控制器输出的控制参数值,调节各冷却水泵变频器的输出频率,控制冷却水泵的转速,使系统在保证末端空调用户的舒适度需求的同时,可实现最大限度的节能。
       机组运行时,如果冷冻水出口温度、流量或供回水压差出现异常时,系统送出报警信号并采取相应的保护措施,保证空调主机的安全正常运行。以下为冷机自控系统。
       5. 冷却水控制系统
       冷却水控制系统设置FBQ600E-55切换水泵智能控制柜2套。FBQ600E-55柜内配置变频器1台、智能控制单元1套、智能数字单元1套,用于切换控制冷却水泵2台。每台变频器、水泵智能控制柜以及各控制单元经传输导线与MKG 600-4模糊控制柜连接。
       在主机冷却水出口管上分别安装有水温传感器T1、T2,T3,T4,,回水总管上安装有水温传感器3T。每只流量计、水温传感器及水流压差传感器经传输导线与MKX 2003-4 现场控制箱连接。
       原电机控制柜内的主电路不变,断开原控制柜进线断路器与启动主电路的导线连接,加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端,水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜,与启动主电路连接,原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端,当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时,可方便快捷地切换为原工频状态运行。
       当原电机控制柜启动完毕后,启动完毕信号送至控制器,由控制器向对应变频器发出指令,变频起动冷却水泵。冷却水泵起动后,按控制器输出的控制参数值,调节各冷却水泵变频器的输出频率,控制冷却水泵的转速,动态调节冷却水的流量,使冷却水的进、出口温度逼近控制器给定的最优值,从而保证中央空调主机随时处于最佳转换效率状态下运行。以实现冷却水泵和空调主机在最佳工况下节能运行。
       由于控制器设定了冷却水泵的最低运行频率(设定低限频率值为略大于中央空调主机冷却水容许最低流量时对应的水泵运行频率),故确保了中央空调主机冷却水的安全运行。
       机组运行时如果冷却水出口温度超过高限温度,系统送出报警信号并采取相应的保护措施,保证空调主机的安全正常运行。
       6. 冷却塔风机模糊控制系统
       冷却塔风机控制系统设置FJX2600E-4  风机智能控制箱  1套。用于控制冷却塔风机4台。风机智能控制柜经通讯总线与MKG600-4模糊控制柜连接。
原冷却塔风机控制柜的主电路不变,控制电路按“原冷却塔风机控制电路更改原理图”进行更改。风机智能控制箱于现场经多组导线与原冷却塔风机控制柜连接,实现对冷却塔风机进行远程启、停控制和就地启、停控制以及对冷却塔风机的运行状态进行监测。
       当接收到启动指令后,控制器向对应的冷却塔风机发出控制指令,起动冷却塔风机。风机起动后按控制器输出的控制参数值,动态调整风机的运行台数和运行时间,使冷却水的进口温度逼近控制器给定的最优值,使冷却水入口温度保证空调主机处于最佳运行工况。
       倘若空调主机冷却水进口水温低于控制器确定的优化值,风机则自行停止或自动减少运行台数。直到水温升至控制器确定的动态优化值后再自行起动。下图为改造后的冷却塔自控系统。
      (六)室内外环境改造
       对泰达大厦室内进行重新装修,室外绿化区及停车区重新规划,并建造小型园艺景观。改造后的泰达大厦,朴素大方、景色优美,为天津津城增添了魅力!
       改造前在一层、三层、四层、五层、十七层、十九层、二十九层的共十四个房间进行了测试,所有测试房间的室内平均温度为25.3℃,相对湿度为70.5%,CO2浓度为0.063%。部分房间出现送风不均的状情况,且不符合节能要求,根据节能诊断检测结果,对室内末端设备如风口、风道进行改造,加装室温控制系统,使空调季室温保持在26~28℃左右。既满足了节能要求,又创造了舒适的热环境。
四、改造效果分析
(一)建筑功能、结构安全性分析
       本项目主要对建筑空调系统进行全方位的节能改造,对原建筑的功能和主要结构不做改造,并对机房进行了加固,因此本项目具有一定的安全性。
      (二)节能效果分析
       2007年,大厦全年机房空调系统耗电量约为1953036度,改造后系统耗电量约为1321726度,经过本次改造节能约37%。根据节能诊断检测结果及改造方案分析可知,通过加强运行管理,杜绝“跑冒滴漏”的浪费现象,可以实现节能5%~10%;通过提高水泵风机等输配设备的运行效率及应用变频调速技术可以实现节能10%~20%;此外,通过改善过渡季节设备运行方式、避免冷热不均、增加自动控制系统等措施,也可以实现10%~20%的节能效果。
      (三)室内环境质量分析
       本项目涉及室内末端设备及系统改造,因此对原系统由于老化、风道施工不当、水力不平衡造成的室温高低不均的现象有明显改善作用,加上新装室温控制系统,改造目后夏季工况室温维持25~27℃范围,冬季工况维持18~20℃范围。其室内热环境明显好转,CO2等有害物质的含量也大大下降,投诉情况明显减少,基本实现零投诉。
      (四)环境效益分析
       泰达大厦空调系统在改造前后空调高峰负荷可减少约115万千瓦时,相当于减少482吨标准煤的消耗,减排0.175亿多吨二氧化碳气体,减少了市政电网的压力,真正意义上做到了节能减排。另外从改善换热条件提高设备效率、循环条件提高系统效率、改进管理工作提高能量利用率三个途径节约能源,都取得较好的节能效果,大大提高了能源的利用率。此次改造真正做到了节能减排,体现了循环经济和可持续发展,带来了良好的环境效益。
      (五)运行效果分析
       更换老化设备、调整空调系统以及使用中央空调节能控制系统后,中央空调系统运行的自动化控制程度得到了提高,减少了人工操作造成的影响。水系统各泵组电机的启停以及启动工作频率可由系统进行设定,泵组电机可以在低频状态下启动,从而最大限度地减少了对电网的冲击和对泵组电机的磨损,延长了设备的使用寿命,降低了设备的维修成本,由此间接带来的经济效益也是不可估量的。
       安装用电分项计量的能耗动态监测的节能监管体系后,实现用电量实时监测,大大促进了系统的运行节能。
      (六)社会效益分析
       本工程作为大型公共建筑节能改造的示范工程,通过政府的引导,将带动社会资源广泛参与节能运行管理和节能改造,撬动节能服务市场,逐步建立建筑节能服务体系,促进建筑节能服务企业等各方主体的能力提升,带动建筑节能服务产业发展,为进一步推进合同能源管理,创新建筑节能服务模式提供参考依据。
五、改造经济性分析
大厦原来空调系统运行费约550万元,改造后节能率约为37%,每年节约165万元,空调系统改造费用总投资约为390万元,投资成本回收期约为2.3年.
       在本次改造中,利用原有基础,尽量减少不必要的投资,降低了工程的造价,成本可在短期内收回,改造经济效果良好。
六、改造的推广应用价值
建筑节能改造具有重要的意义:
       其一,可以缓解能源资源的紧张局面,建筑节能是社会经济发展的需要。
       其二,建筑节能是减轻大气污染的需要,节能减排需要大力提倡。
       其三,建筑节能可以保护生态环境和提高建筑热环境的质量,随着现代化建设的发展和人民生活水平的提高,舒适的建筑热环境日益成为人们生活的需要。
       其四,建筑节能是发展建筑业的需要。我国建筑节能的范围包括:建筑采暖、空调和照明的节能,并与改善建筑舒适性相结合。
       对于本示范工程来说,工程结束后,将计算出一套针对大型公共写字楼的能耗标准,根据拟定的标准对比同类建筑的耗能情况,再经过分析其他同类建筑的节能改造效果,可以修正和完善相关细节,最后总结出一个完整的大型公建类写字楼功能建筑的能耗标准体系,并将此标准体系上升为技术标准化应用技术文件。而这样的文件将适用于所有同类功能建筑,不仅使对既有建筑的节能改造规范化,也为未来此类建筑的设计制定了相关的依据。
通过本工程的实施,可以起到的示范作用在于:
       1.根据国务院节能减排的基本国策要求,对大型公共建筑的节能改造是落实建筑节能的基本措施之一,同时也是在全球气候变暖以及构建能源节约型社会的大环境要求下,提高能源利用效率从而实现节能减排的重要环节。因此,通过改造实现该建筑的最大化节能是首要的示范意义。
       2.本工程的改造对象是天津的标志性建筑之一,也是写字楼功能的同类大型公共建筑中的代表性建筑。对其能耗标准的探索,不仅为此类建筑的能耗标准的制定提供了有力的依据,也为同类建筑的节能改造提供了直接的经验,有着非常重要的示范推广意义。
七、思考与启示
 推进建筑节能,当前面临的双重任务是既要按节能标准严格控制新建建筑的能耗水平,又要加快对既有建筑的节能改造步伐。
       我国有大量不符合节能标准的既有建筑,如何让这些建筑重新发挥其历史作用并服务社会是我们的责任和义务。推进建筑节能改造,既改善室内热环境,又降低能源消耗,还可减少温室气体的排放,是符合可持续发展战略的利国利民的事情。从当前来看,节能改造,会增加一些投入成本,但是,在追求发展、追求经济效益的同时,应该兼顾社会效益,实现经济效益与社会效益的有机统一,关注生态成本和社会成本。
       节能改造后的建筑由于改善了室内的环境,使人的疾病发生率大幅度下降,生存质量也大大提高,这就是社会成本的节约。所以说从长远利益来说,我们应该大力鼓励节能改造。从当前来开,建筑节能改造工作还有很多困难,希望泰达大厦节能改造的实例能够起到抛砖引玉的作用,为其它的改造项目提供一些参考和借鉴。我们在改造过程中也在不断的积累经验,力求寻找出一条历史建筑改造、利用的新路子。