某綜合樓制冷系統(tǒng)高效改造

廣汽本田汽車有限公司 林偉江 嚴(yán)順照 范海泉 孟 晶 區(qū)海宇 范一格

0 引言

空調(diào)制冷系統(tǒng)是營(yíng)造舒適辦公環(huán)境必不可少的重要組成部分，同時(shí)也是能耗大戶。本文以廣汽本田汽車有限公司增城工廠綜合樓制冷系統(tǒng)改造為例，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察、分析診斷，介紹如何因地制宜地進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能改造，以期為制冷系統(tǒng)節(jié)能改造提供參考性的建議。

1 項(xiàng)目概況

改造項(xiàng)目位于廣東省廣州市增城區(qū)，綜合樓內(nèi)建有展廳、更衣室、飯?zhí)谩?huì)議室、辦公區(qū)、文體中心等多個(gè)場(chǎng)所。冷源為風(fēng)冷螺桿機(jī)組和冷水泵組成的集中空調(diào)系統(tǒng)，末端設(shè)備主要為組合式風(fēng)柜及水冷式盤管風(fēng)機(jī)，總供冷面積為8 243 m2?？照{(diào)冷源系統(tǒng)如表1所示，共包含3臺(tái)風(fēng)冷螺桿機(jī)組，總裝機(jī)容量為3 400 kW，設(shè)計(jì)供水溫度為7 ℃，回水溫度為12 ℃。系統(tǒng)配備冷水泵4臺(tái)，三用一備。

表1 綜合樓冷源系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)備均未配置變頻調(diào)節(jié)裝置，均由人工啟閉及調(diào)節(jié)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于2019年供冷季對(duì)綜合樓制冷系統(tǒng)進(jìn)行了分析診斷，對(duì)末端需求進(jìn)行了更新統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而提出了有針對(duì)性的節(jié)能改造建議，以達(dá)到在提升末端場(chǎng)所環(huán)境舒適度的同時(shí)降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗的目的。

2 系統(tǒng)能效分析

該綜合樓制冷機(jī)房于2006年投入使用。到目前已使用14 a，主機(jī)供冷能力有所下降。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)狀摸底及能效檢測(cè)，情況如下：

1) 主機(jī)能效低。主機(jī)采用風(fēng)冷螺桿制冷機(jī)組，名義制冷量為1 140 kW，額定功率為388 kW，COP為2.94。每臺(tái)主機(jī)均設(shè)有2個(gè)制冷模塊，3臺(tái)主機(jī)組合成主副機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到出水溫度過高時(shí)自動(dòng)增加系統(tǒng)投入，出水溫度過低時(shí)自動(dòng)退出運(yùn)行。主機(jī)雖均執(zhí)行了月度、季度、年度保養(yǎng)，但由于使用年限已久，整體老化嚴(yán)重，尤其是冷凝器部分，主要體現(xiàn)在散熱不良、肋片穿孔及機(jī)組表面生銹，導(dǎo)致制冷量及制冷效率均下降，工作可靠性降低，運(yùn)維成本增大。第三方的檢測(cè)結(jié)果顯示，1#風(fēng)冷主機(jī)能效為1.93，低于GB 19577—2015《冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求的3級(jí)能效。

2) 冷水泵能效低。冷水泵電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YL200-4，由于其導(dǎo)磁材料使用熱軋硅鋼片，能耗高，能效等級(jí)不滿足GB 18613—2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中的3級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，屬于《高耗能落后機(jī)電設(shè)備(產(chǎn)品)淘汰目錄(第二批)》中要求強(qiáng)制淘汰的產(chǎn)品。

3) 主機(jī)、冷水泵均不具備變頻調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)供/回水溫度為7 ℃/12 ℃，溫差為5 ℃，但在供冷季清晨、凌晨時(shí)段系統(tǒng)的供回水溫差常常低于2 ℃，表明系統(tǒng)存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成能源浪費(fèi)。

4) 系統(tǒng)缺乏計(jì)量器具。系統(tǒng)只在配電房配電柜配備機(jī)械電表，精度低且無遠(yuǎn)程通訊功能。站房?jī)?nèi)沒有配備冷量計(jì)，無法對(duì)站房效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)目前已知數(shù)據(jù)得出，冷源系統(tǒng)整體能效EER約為1.50，遠(yuǎn)低于廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-129—2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于額定制冷量≥1 758 kW制冷系統(tǒng)能效大于3.5的要求。

3 改造需求分析

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過長(zhǎng)期的運(yùn)行記錄及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求分析發(fā)現(xiàn)，供冷季綜合樓有持續(xù)供冷需求的場(chǎng)所為更衣室、展廳、飯?zhí)?，合?jì)供冷面積為4 603 m2，為總供冷面積的55.8%，而且供冷需求時(shí)間段各不相同。為滿足末端用冷需求，制冷系統(tǒng)需24 h開啟。綜合樓制冷系統(tǒng)夏季日負(fù)荷如圖1所示。日冷負(fù)荷最高峰出現(xiàn)在15：00—18：00，可達(dá)1 230 kW；冷負(fù)荷低谷出現(xiàn)在22：00—23：00，其值為200 kW左右。

圖1 綜合樓夏季逐時(shí)冷負(fù)荷

在該種供冷需求下，目前供冷系統(tǒng)的開機(jī)模式為：10：00—20：00開2臺(tái)風(fēng)冷主機(jī)，20：00至次日10：00開1臺(tái)風(fēng)冷主機(jī)，可以滿足日常供冷需求。設(shè)置出水溫度后風(fēng)冷主機(jī)系統(tǒng)根據(jù)水溫判斷模塊運(yùn)行數(shù)量，但由于缺乏變頻及機(jī)組可靠性差，主機(jī)端出水溫度波動(dòng)大，導(dǎo)致末端環(huán)境溫度波動(dòng)大，舒適性較差。因此，綜合末端用戶的改造需求和運(yùn)維人員的運(yùn)行需求，以及考慮到改造制約因素，對(duì)機(jī)房的改造提出以下要求：

1) 機(jī)房全年平均能效達(dá)到廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-129—2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》2級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，即不低于4.1；

2) 系統(tǒng)需配備自動(dòng)啟停、變頻調(diào)節(jié)、云端監(jiān)控、日程設(shè)置、遠(yuǎn)程操作的功能，減少運(yùn)維人員的管理成本；

3) 設(shè)備需采用節(jié)能產(chǎn)品，兼顧節(jié)能及維護(hù)便利性。

綜上，結(jié)合機(jī)房運(yùn)行現(xiàn)狀及末端用戶需求，綜合樓制冷站房改造將側(cè)重于節(jié)能高效、自動(dòng)化的特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 機(jī)房改造優(yōu)化

4.1 改造內(nèi)容

由于風(fēng)冷主機(jī)能效較低，耐久度一般，不滿足機(jī)房節(jié)能高效的改造需求，項(xiàng)目改造時(shí)將風(fēng)冷主機(jī)系統(tǒng)改造成水冷主機(jī)系統(tǒng)，并配備相應(yīng)的冷卻水泵及冷卻塔?？紤]到綜合樓最大冷負(fù)荷與常用冷負(fù)荷之間有較大差距，從投資效益最大化角度考慮，主機(jī)容量按照常用冷負(fù)荷選取，供冷量大時(shí)采用風(fēng)冷主機(jī)及水冷主機(jī)聯(lián)供的方式運(yùn)行。

4.2 機(jī)房布置優(yōu)化

機(jī)房改造最大變化點(diǎn)為風(fēng)冷主機(jī)系統(tǒng)改為水冷主機(jī)系統(tǒng)，水冷主機(jī)需放置在室內(nèi)，新增冷卻塔需放置在室外。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)核算后，拆除了1臺(tái)風(fēng)冷主機(jī)，利舊其混凝土基礎(chǔ)安裝冷卻塔，冷卻水泵配備在冷卻塔旁，新增冷卻水管道；水冷主機(jī)則設(shè)置在設(shè)備間內(nèi)，冷水泵在原位置進(jìn)行更換，新增水冷主機(jī)的進(jìn)出口冷水管接至原有冷水管道。

4.3 設(shè)備選型優(yōu)化

1) 主機(jī)。通過對(duì)綜合樓現(xiàn)有供冷需求的分析可知，全年冷負(fù)荷基本在1 400 kW以下，主要運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間為700～1 000 kW，夜間最低負(fù)荷降至350 kW以下。按照以往經(jīng)驗(yàn)，1 400 kW以上供冷需求很少(全年不足20 d)，考慮到整體運(yùn)行效率及投資效果，主機(jī)選用1 400 kW變頻離心機(jī)，名義工況下滿載COP為6.40，IPLV為8.17，在1 400 kW以上負(fù)荷段，采用水冷主機(jī)與風(fēng)冷主機(jī)聯(lián)供的方式，水冷主機(jī)與風(fēng)冷主機(jī)互為備用。

2) 冷水泵。由于自投運(yùn)以來末端管路及設(shè)備基本保持一致，在水泵選型時(shí)保持水泵功率30 kW不變，經(jīng)測(cè)量及復(fù)核優(yōu)化后，水泵揚(yáng)程選用31 m，流量選用245 m3/h。水泵電動(dòng)機(jī)配備變頻器，能效滿足GB 18613—2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中的2級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

3) 冷卻水泵。通過對(duì)冷卻塔及主機(jī)擺放位置的優(yōu)化，減少管路長(zhǎng)度及彎頭，從而減小冷卻水泵的選型規(guī)格，最終選用的水泵的功率為22 kW，揚(yáng)程為23 m，流量為310 m3/h。水泵電動(dòng)機(jī)配備變頻器,能效滿足GB 18613—2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中的2級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

4) 冷卻塔。冷卻塔在原有風(fēng)冷主機(jī)的基礎(chǔ)上澆筑水泥支墩后安裝，由于受高度限制，同時(shí)不能與天面人行道、既有管道相互干擾，因此對(duì)冷卻塔尺寸進(jìn)行額外要求。冷卻塔進(jìn)/出水溫度設(shè)計(jì)為35.5 ℃/30.5 ℃，冷卻水量為152 m3/h，濕球溫度為28 ℃，冷卻塔共設(shè)置2臺(tái)，均配備變頻器。

在設(shè)備的選型過程中，通過對(duì)制冷機(jī)房的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地減小了水路阻力，從而降低了水泵規(guī)格，減少初投資的同時(shí)減少了后續(xù)的運(yùn)行費(fèi)用及運(yùn)維成本。機(jī)房改造前后單個(gè)制冷單元的設(shè)備功率變化及占比如圖2所示。雖然增加了冷卻水泵及冷卻塔，但整體電功率下降124 kW，與原風(fēng)冷主機(jī)系統(tǒng)相比下降約29.6%。主機(jī)、水泵、冷卻塔均可變頻調(diào)節(jié)，安裝的電動(dòng)閥、冷量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、室外溫濕度傳感器為自動(dòng)化運(yùn)行調(diào)節(jié)提供了硬件基礎(chǔ)。

圖2 改造前后各類型設(shè)備電功率變化及占比

4.4 軟件系統(tǒng)

為了兼顧運(yùn)行節(jié)能、便利、舒適性，該制冷站房配備了軟件系統(tǒng)，帶有監(jiān)控調(diào)節(jié)功能。軟件功能如下：

1) 收集現(xiàn)場(chǎng)管路設(shè)備、計(jì)量器具、電動(dòng)附件的信號(hào)，在監(jiān)控界面上顯示具體信息；

2) 配備日程管理、遠(yuǎn)程啟停、自動(dòng)管理、數(shù)據(jù)記錄及分析、報(bào)警功能；

3) 內(nèi)置運(yùn)行邏輯，通過對(duì)比溫度、壓力等參數(shù)的實(shí)際值與預(yù)設(shè)值的差值來進(jìn)行頻率、臺(tái)數(shù)的調(diào)節(jié)。

機(jī)房硬件、軟件完成安裝調(diào)試后，系統(tǒng)已具備全自動(dòng)運(yùn)行能力，但要達(dá)到進(jìn)一步的節(jié)能高效，運(yùn)行參數(shù)還需不斷調(diào)試完善。該系統(tǒng)主要通過溫度、壓力來進(jìn)行主機(jī)、水泵、冷卻塔的變頻控制及臺(tái)數(shù)控制。通過一段時(shí)間的調(diào)試，系統(tǒng)優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)及邏輯如下：

1) 主機(jī)出水溫度設(shè)置。雖然主機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)/出水溫度為7 ℃/12 ℃，但對(duì)于主機(jī)而言，提高冷水出水溫度可以提高主機(jī)運(yùn)行COP，因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)主機(jī)出水溫度及現(xiàn)場(chǎng)舒適度進(jìn)行了測(cè)試，通過試運(yùn)行期間調(diào)整主機(jī)出水溫度，并對(duì)飯?zhí)?、展廳、更衣室等場(chǎng)所的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)開展用戶調(diào)查，最終確定夏季出水溫度基準(zhǔn)值為10.5 ℃，滿足現(xiàn)場(chǎng)舒適度要求的同時(shí)也有一定調(diào)節(jié)余量。同時(shí)根據(jù)室外溫度及濕度進(jìn)行賦值調(diào)整(濕度越高、氣溫越高，出水溫度越低)，整體出水溫度在9.5～12.0 ℃之間。

2) 冷水泵頻率調(diào)節(jié)。改造后，日常運(yùn)行只需開1臺(tái)冷水泵，冷水泵運(yùn)行頻率與冷水主管壓差直接相關(guān)，而壓差與末端設(shè)備的開啟臺(tái)數(shù)有關(guān)。根據(jù)運(yùn)行規(guī)律調(diào)查顯示，供冷季各個(gè)時(shí)間段末端設(shè)備開啟臺(tái)數(shù)基本固定，因此設(shè)定4種壓差調(diào)節(jié)方案，根據(jù)每天不同時(shí)間段自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)凌晨、早晨、中午、下午、傍晚、晚上6個(gè)時(shí)間段。冷水泵頻率根據(jù)壓差值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3) 冷卻塔及冷卻水泵頻率調(diào)節(jié)。冷卻塔設(shè)計(jì)選型的逼近度為2.5 ℃，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)逼近度設(shè)定為3 ℃。根據(jù)夏季室外溫度調(diào)整冷卻水供回水溫差，室外溫度越高，冷卻水溫差越小，冷卻水溫差基本控制在4～5 ℃之間。根據(jù)逼近度、供回水溫差調(diào)節(jié)冷卻塔頻率、臺(tái)數(shù)及冷卻水泵頻率。

4) 蓄冷模式。蓄冷模式主要用于系統(tǒng)冷負(fù)荷低、主機(jī)負(fù)荷率低的工況，多出現(xiàn)在夏季凌晨或過渡季節(jié)的早晨和傍晚。以夏季為例，凌晨只有飯?zhí)煤髲N使用風(fēng)柜，主機(jī)負(fù)荷率一直低于50%，系統(tǒng)在制冷主機(jī)負(fù)荷率低于40%時(shí)進(jìn)入蓄冷模式，出水溫度達(dá)到9 ℃后關(guān)閉制冷機(jī)，只保留冷水泵低頻運(yùn)行，當(dāng)主機(jī)出口處水溫高于17 ℃時(shí)，主機(jī)重新啟動(dòng)制冷，一直循環(huán)。雖然進(jìn)入蓄冷模式后主機(jī)不運(yùn)行，系統(tǒng)能效為0，但節(jié)能率非?？捎^。過渡季某日蓄冷模式下站房用電量如圖3所示。

注：方框內(nèi)為蓄冷模式。圖3 蓄冷模式下站房用電量

軟件系統(tǒng)投運(yùn)后系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，調(diào)適后的參數(shù)設(shè)置滿足綜合樓各場(chǎng)所的供冷需求。

5 改造效果

機(jī)房改造后于2020年7月中旬投入運(yùn)行，運(yùn)行以來制冷站房EER、節(jié)能量(相比去年同期)、節(jié)能率如表2所示，達(dá)到了預(yù)期投資效果。

表2 改造后綜合樓冷源系統(tǒng)節(jié)能效果

在機(jī)房建成投運(yùn)初期，系統(tǒng)沒有運(yùn)行蓄冷模式，夏季系統(tǒng)單日EER可達(dá)5.5以上，但凌晨時(shí)段能源利用率太低，因此引入了蓄冷模式。雖然沒有主機(jī)冷量輸出會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)EER為0，但實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在低負(fù)荷工況下的效率最大化。機(jī)房引入自控系統(tǒng)后，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行并自動(dòng)抄表，運(yùn)維人員無需到現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)機(jī)及調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，工時(shí)縮減100%，極大地減小了運(yùn)維壓力。

6 關(guān)于制冷機(jī)房改造的幾點(diǎn)思考

經(jīng)過本次制冷站房的改造及參觀其他優(yōu)秀項(xiàng)目，總結(jié)了幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與思考，見表3。

表3 制冷機(jī)房改造經(jīng)驗(yàn)與思考

本次項(xiàng)目只完成了機(jī)房?jī)?nèi)的改造，結(jié)合此前進(jìn)行的更衣室風(fēng)機(jī)盤管控制系統(tǒng)改造，有較好的聯(lián)動(dòng)控制效果，但該系統(tǒng)仍有以下4個(gè)方面可以挖掘：1) 末端設(shè)備換熱效率低，冷量利用不充分；2) 末端大部分調(diào)節(jié)閥已無法動(dòng)作，造成浪費(fèi)；3) 現(xiàn)場(chǎng)均為人工控制開關(guān)及進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可能造成冷量浪費(fèi)；4) 水冷主機(jī)與風(fēng)冷主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行困難，主機(jī)制冷量余量小，可能無法滿足冷量高峰需求。

制冷機(jī)房只是制冷系統(tǒng)的重要組成部分，提高末端的冷量使用效率，減少不必要的浪費(fèi)才能使整體系統(tǒng)效率最大化，因此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)仍需繼續(xù)推進(jìn)二期改造項(xiàng)目。

7 結(jié)語

本次舊改項(xiàng)目精準(zhǔn)把握用戶需求，在機(jī)房設(shè)備老舊化更新的同時(shí)，借助高效機(jī)房深化設(shè)計(jì)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房運(yùn)行的自動(dòng)化、高效化。相對(duì)于新建機(jī)房，舊改機(jī)房項(xiàng)目受現(xiàn)場(chǎng)制約因素多，無法做到十全十美，最關(guān)鍵的還是要圍繞現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)際需求及考慮未來變更方向，因地制宜地進(jìn)行改造。體量大、難度大的項(xiàng)目，亦可以分期推進(jìn)，設(shè)定階段性的目標(biāo)，做到一次規(guī)劃、分步實(shí)施、全局最優(yōu)。