中央空調(diào)高能效制冷站系統(tǒng)設(shè)計的三點體會

梁德文 ，張斯雅

（1. 廣東南海國際建筑設(shè)計有限公司，廣東省佛山市 528000；2. 廣東省制冷學(xué)會，廣東省廣州市 510080）

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)在提供舒適環(huán)境的同時，也成為了建筑中的能耗大戶。廣東地區(qū)采用中央空調(diào)系統(tǒng)的公共建筑，空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占建筑總能耗的30%～60%，對建筑環(huán)境舒適性要求高的商場、酒店的空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的60%以上。而制冷站系統(tǒng)能耗占集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的60%～90%。因此，提升中央空調(diào)制冷站系統(tǒng)的能效對降低建筑的能耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能有明顯的作用，為碳達峰、碳中和出一份力。

作為設(shè)計環(huán)節(jié)的一線設(shè)計師，筆者將以佛山某綜合體項目的設(shè)計為例，對中央空調(diào)高效制冷站設(shè)計中所遇到的難點、重點以及采用的設(shè)計技術(shù)進行歸納、總結(jié)、分享，以供參考。

中央空調(diào)高效制冷站其實不僅限于“冷水機房”，而是整個中央空調(diào)系統(tǒng)的高效設(shè)計，我們在佛山某綜合體項目設(shè)計過程中總結(jié)出三項重點難點：

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化選型，包括冷水機組、水泵、冷卻塔，采用高能效設(shè)備是系統(tǒng)達到綜合能效最佳的前提；

空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，盡可能降低管網(wǎng)阻力，降低水泵揚程，減少水系統(tǒng)輸送動力能耗；

空調(diào)制冷站系統(tǒng)控制深化設(shè)計，實現(xiàn)冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機等主要能耗設(shè)備的精確、高能效運行。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化選型

1.1 冷水機組優(yōu)化選型。

本項目根據(jù)全年逐時冷負荷需求模型進行分析，結(jié)合節(jié)能控制系統(tǒng)運行策略，為本項目比選綜合能效較佳的主機組合形式，最終選用2×1000RT變頻離心式冷水機組+1×500RT變頻離心式冷水機組。設(shè)備選型時選用超高效冷水機組，名義工況的參數(shù)值須高于《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB/T 50189和《綠色建筑評價標準》GB/T 50387要求：

1000RT變頻離心式冷水機組：

COP=6.05＞5.9×0.93×1.06（綠建要求提高6%），

500RT變頻離心冷水機組：

COP=6.47＞5.7×0.93×1.06（綠建要求提高6%），

冷凍水供回水溫度：7-12℃，冷卻水供回水溫度36-31℃。冷卻水溫度對應(yīng)是冷水機組的冷凝溫度，對于離心機組，根據(jù)理論循環(huán)溫熵和壓焓分析，冷卻水溫度小范圍的變化，其通過自身調(diào)節(jié)，保證制冷量不變，且冷卻水溫度降低時，制冷量不變，壓縮功減少，耗電量減少，從而提高COP。本案例采用冷卻水進水溫度降低1℃，主機COP相對37-32℃工況提高約3%。

蒸發(fā)器水阻力：≤60kPa，高能效的冷水機組，在某一確定系列機型，其換熱器越大，蒸發(fā)器、冷凝器阻力越低。

1.2 水泵選型優(yōu)化。

本項目處于夏熱冬暖地區(qū)，水泵的能耗在典型公共建筑空調(diào)能耗中，約占15%，其能耗用于克服管道阻力，因此，水泵的化應(yīng)結(jié)合管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備效率來考慮。

1）優(yōu)化水系統(tǒng)阻力，降低水泵揚程。

關(guān)于管網(wǎng)部分，詳見本文“二、空調(diào)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計”。主機與水泵一對一連接，可減少部分蝶閥、過濾器以及合流三通；冷卻塔盡量靠近機房放置，縮短冷卻水的長度，有助于降低冷卻水泵揚程。

2）選用效率大于80%的水泵、冷卻水泵。

3）冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻控制。由于泵與風機的比例定律，

式中N——轉(zhuǎn)速為n時，泵的功率，

N1——轉(zhuǎn)速為n1時，泵的功率。

水泵功率與頻率的3次方成正比，空調(diào)系統(tǒng)處于部分負荷時水泵變頻可大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)輸送動力能耗。本項目為一次泵變流量系統(tǒng)，冷凍水泵根據(jù)壓差信號變頻運行，通過降低頻率，可大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)輸送動力能耗。但需注意的是，由于冷卻水流量和水溫影響主機COP，故冷卻水泵在部分負荷時不一定節(jié)能，只有冷卻水泵功耗在機組的綜合性能系數(shù)中的比重較大時，變頻采用節(jié)能效果。

1.3 冷卻塔選型優(yōu)化。

雖然冷卻塔只有風機部分直接產(chǎn)生能耗，但上文提及到冷卻水對主機COP的決定性作用，因此，冷卻塔的優(yōu)化選型非常關(guān)鍵。

本項目的優(yōu)化措施：

1）降低冷卻塔塔體揚程。冷卻塔布水器與集水盤液面高度之差即塔體揚程的大小，直接影響到冷卻水泵揚程的大小，因此設(shè)計時盡量選用塔體揚程小的冷卻塔。

2）冷卻塔風機變頻。本項目所采用的5臺名義冷卻水流量為425m3/h的冷卻塔運行在50Hz時，單臺風量為280000m3/h，用電量18.5kW。與傳統(tǒng)的單機對單塔運行方式相比，若5臺冷卻塔變頻運行 在30Hz時，總 風 量3×280000=5×16800=840000m3/h 不變，換熱面積5:3增大了67%有利于降低冷卻塔進出水溫度，5臺塔的總用電量總用電量19.98kW:55.5kW節(jié)電64%，且低頻狀態(tài)下冷卻塔風機低速運行，噪音明顯降低。

3）采用變流量噴灑技術(shù)。常規(guī)冷卻塔在低水量時布水不均，循環(huán)水量變小時噴淋面積變小導(dǎo)致?lián)Q熱面積浪費。采用變流量噴灑技術(shù)的冷卻塔，確保30%～100%循環(huán)水量時均能實現(xiàn)均勻布水，有效降低冷卻塔進出水溫度，實現(xiàn)主機能效提升。

4）嚴格要求冷卻塔的填料換熱面積，確保冷卻塔熱交換能力。關(guān)于冷卻塔的選型部分設(shè)計師存在一個誤區(qū)，為了確保冷卻塔的冷卻效果把冷卻塔選型放大，經(jīng)?？吹嚼鋮s塔的水流量是主機冷卻水流量的1.5倍甚至更大，看起來“冷卻效果”很有保障，但若單位流量的填料面積不足，也無法起到充分散熱，反而引起冷卻水溫度偏高，主機能耗增加，甚至無法開機。冷卻塔熱交換能力的關(guān)鍵是風量和換熱面積，設(shè)計時可參考表1對冷卻塔填料換熱面積作要求。

表1 冷卻塔每噸冷卻水填料換熱面積m2

5）為盡可能提高主機的COP，冷卻塔進出水溫度分別選取35.5-30.5℃，36-31℃進行擺放位置的論證。

本項目采用35.5-30.5℃塔體的面積為36-31℃的1.1倍，結(jié)合屋面擺放冷卻塔的位置，

最終確定冷卻塔每噸冷卻水可配置8.3m2填料換熱面積，冷卻水進出水溫度可達到36-31℃。若冷卻塔擺放空間足夠，且通風條件允許時建議增加填料換熱面積以降低冷卻塔進出水溫度。

2 空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 采用低流速確定機房內(nèi)水管管徑。

機房內(nèi)設(shè)備、管件種類與數(shù)量較多，局部阻力為主要的管道阻力，管道局部阻力

⊿pj——局部阻力，pa；

ρ——水的密度，1000kg/m3；

υ——水的流速，m/s。

根據(jù)以上公式，建議采用≤1.5m/s管內(nèi)低流速來確定機房內(nèi)的水管管徑，不建議采用經(jīng)濟比摩阻≤100pa/m的方法。

2.2 選用低阻力閥件和避免重復(fù)設(shè)置閥。

常規(guī)Y 型水過濾器阻力一般10～30kPa，選用水阻小于5kPa的籃式過濾器可有效降低水系統(tǒng)阻力。水泵入口還可以選擇直角式過濾器，連接水平管和豎向管道，節(jié)省一個彎頭及其阻力損失。常規(guī)止回閥為蝶式止回閥，阻力一般10～20kPa，建議選用水阻小于5kPa的靜音式止回閥可有效降低水系統(tǒng)阻力。

2.3 接管低阻力設(shè)計。

統(tǒng)一水泵進出水口與主機進出口的安裝高度，使主機與水泵水平對接，直進直出可避免多個彎頭。機房內(nèi)水管路設(shè)置彎頭時應(yīng)減少直角彎和直三通，盡量設(shè)置順水彎頭和斜三通，前者的局部阻力是后者的1.5倍或以上。此外，取消落地式分集水器可減少彎頭數(shù)量。

圖1 冷水機房局部接管剖面圖

2.4 冷水干管低阻力設(shè)計。

式中

⊿P1——管徑為d1時，單位流量所產(chǎn)生的阻力；

⊿P2——管徑為d2時，單位流量所產(chǎn)生的阻力。

根據(jù)以上公式可知，相同流量時，管道的阻力與管徑的反比的5次方，采用DN300的管徑取代DN250，管路阻力減小60%，因此，適當增大干管的管徑，有助于降低管道的阻力。

2.5 選用低水阻空調(diào)末端。

末端選型時選用低水阻空調(diào)機組，盡可能降低水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力。組合式空調(diào)機組和柜式空調(diào)機組水阻力控制在50kPa以內(nèi)，風機盤管水阻力控制在30kPa以內(nèi)。

3 空調(diào)制冷站系統(tǒng)控制深化設(shè)計

前面所提到設(shè)備選型和管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計是中央空調(diào)高效冷水機房的硬件部分，群控系統(tǒng)則將這些設(shè)備的控制信號與接點，以及通過一定邏輯的控制策略，實現(xiàn)智能、高效地運行，并且記錄運行所需的一切必要數(shù)據(jù)。

節(jié)能控制系統(tǒng)是整個中央空調(diào)系統(tǒng)不可或缺的大腦，充分發(fā)揮中央空調(diào)系統(tǒng)綜合部分負荷的最優(yōu)能效，達到全年中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷機房系統(tǒng)高效運行效果。目前各大空調(diào)主機廠家或集成商均有推出節(jié)能控制系統(tǒng)，各自算法及策略有所不同，但控制系統(tǒng)的目的都是確保系統(tǒng)性能系數(shù)最高( 即系統(tǒng)整體能耗最低)。在設(shè)計階段，需要明確和強調(diào)實現(xiàn)高效運行的機房群控須包含以下功能：

● 冷水機組啟停，加減機組的控制；

● 冷凍水出水溫度重新設(shè)置控制；

● 冷凍、冷卻水泵啟停、臺數(shù)及頻率控制；

● 冷卻塔風機啟停、臺數(shù)及頻率控制；

● 自動采集冷水機組、水泵、冷卻塔的監(jiān)測數(shù)據(jù)：電量、流量、能量、冷凍冷卻水供回水溫度、室外干濕球溫度等值，用于計算并在人機界面顯示年度、季度、月以及當日運行能效；

● 根據(jù)《集中空調(diào)制冷機房系統(tǒng)能效檢測及評價標準》DBJ/T15-129中的要求，明確所用的儀器儀表的精度。

結(jié) 語

要實現(xiàn)中央空調(diào)制冷站系統(tǒng)高能效運行，精細化設(shè)計、高性能設(shè)備、高精度測量、全過程監(jiān)造、數(shù)智化運維，而這五個因素，缺一不可。目前行業(yè)仍處在在設(shè)計標準、建設(shè)標準、驗收標準均不完善的階段，作為設(shè)計師，有必要在設(shè)計階段，充分對實現(xiàn)系統(tǒng)高能效運行，在現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范和標準的基礎(chǔ)上，須提出更精細、更明確的要求：

1. 采用高能效制冷設(shè)備，高效率輸送設(shè)備；

2. 精細化進行水系統(tǒng)管網(wǎng)計算和設(shè)計；

3. 對制冷站中的機房群控進行必要的學(xué)習，并對實現(xiàn)高效運行、管理與調(diào)適所需的測量點、數(shù)據(jù)做出明確要求。

為中央空調(diào)高能效制冷站系統(tǒng)的最終達成打下堅實的基礎(chǔ)，保障項目集中空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)高能效運行。