暖通空調(diào)高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)的思考

李超然

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，力爭在2030 年達(dá)到二氧化碳排放峰值，努力爭取在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和。在這一戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，建筑節(jié)能變得尤為重要。建筑節(jié)能的關(guān)鍵一環(huán)在于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，而高效制冷機(jī)房的設(shè)計(jì)是公共建筑實(shí)現(xiàn)綠色建筑的重要途徑，通過冷水機(jī)組選型優(yōu)化、輸配系統(tǒng)優(yōu)化、合理控制與監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)。

1 基于全年負(fù)荷特性的冷機(jī)選型

1.1 氣候特點(diǎn)分析及全年負(fù)荷計(jì)算

我國地域廣袤，從南到北氣候特點(diǎn)各不相同。例如北京地區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，春季較為干旱，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，全年四季分明，天氣比較多變，隨著緯度的增加，冬季與夏季氣溫的變幅逐漸增大，降水逐漸減少，降水的季節(jié)分配十分不均，全年的降水量大多集中在夏季，年平均日照時(shí)數(shù)在2000~2800h 之間。北京年平均氣溫為10~12℃，其全年濕球溫差十分明顯，其中，溫度在18℃以下的總共有6731h，溫度高于28℃只有36h。對(duì)于過渡季節(jié)外區(qū)，一般采取自然通風(fēng)，對(duì)于過度季節(jié)內(nèi)區(qū)，則采取冷源節(jié)能方式?；诓煌臍夂蛱卣?，進(jìn)行全年負(fù)荷計(jì)算。以某辦公建筑為例，全年負(fù)荷計(jì)算，供冷時(shí)間一般在5 月初至9 月底，全年冷負(fù)荷大概578.51kWhc，其中，單日冷負(fù)荷的高峰達(dá)到5685kW，相應(yīng)的冷負(fù)荷指標(biāo)大概是120.8W/m2。分析全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷需求和分布特征，選用高效空調(diào)設(shè)備。

1.2 依據(jù)全年負(fù)荷分布特征選擇冷機(jī)的類型

冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵等選型的主要依據(jù)便是全年冷負(fù)荷的分布特征，根據(jù)廠家提供的設(shè)備性能曲線，通過數(shù)值模擬全年能耗，選出性能最佳的設(shè)備，對(duì)于不同的建筑類型，選擇不同功率的冷機(jī)[1]。在選擇冷機(jī)的時(shí)候，應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮，不僅要考慮建筑物全年空調(diào)冷負(fù)荷的變化規(guī)律，還應(yīng)考慮冷機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)特性，合理選擇冷機(jī)類型、臺(tái)數(shù)、單機(jī)容量，從而便于提升部分負(fù)荷運(yùn)行效率，減少年運(yùn)行的費(fèi)用。冷機(jī)的臺(tái)數(shù)不應(yīng)過多，中小型系統(tǒng)通常使用兩臺(tái)，較大型系統(tǒng)通常使用三臺(tái)，大型系統(tǒng)通常使用三臺(tái)或四臺(tái)[2]。根據(jù)全年冷負(fù)荷特性，使用兩臺(tái)水冷離心式冷機(jī)，一臺(tái)水冷變頻螺桿式冷機(jī)，螺桿式制冷機(jī)及機(jī)組的名義工況如表1 所示。在夏季用冷高峰期，冷量不足的話則由水蓄冷來補(bǔ)充，冷機(jī)的設(shè)計(jì)工況能效比分別6.03W/W、5.83W/W，冷水與冷卻水設(shè)計(jì)的供回水溫度分別是7/13℃、31/37℃，冷水泵以及冷卻水泵都是采用的雙吸泵。對(duì)于冷卻水側(cè)，使用冷凝器清洗裝置，主要是將冷機(jī)最初的換熱溫差作為設(shè)定值，確保冷機(jī)冷凝器換熱溫差處于可控得出范圍之內(nèi)。冷卻塔使用多個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行，選擇風(fēng)機(jī)功率、塔損最低的塔型，并模擬通風(fēng)條件，確保冷卻塔進(jìn)風(fēng)量的有效性。

表1 螺桿式制冷機(jī)及機(jī)組的名義工況

2 高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)

2.1 水蓄冷技術(shù)應(yīng)用

水蓄冷系統(tǒng)的應(yīng)用雖然會(huì)增加制冷機(jī)房的面積和一定的初投資，有一些劣勢(shì)，但是在其他方面具體較大的優(yōu)勢(shì)。借助BIM技術(shù)，優(yōu)化機(jī)房布置，也可以有效縮小制冷系統(tǒng)的占用面積，抵消水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)帶來的面積占用；同時(shí)，采取水蓄冷技術(shù)，可以減小冷機(jī)配置的10%以上，后續(xù)也減少了用電費(fèi)用，綜合衡量對(duì)投資回收期的影響不大。通過使用自然分層式水蓄冷技術(shù)，優(yōu)化機(jī)房空間，在夜間電價(jià)的低段時(shí)間，使用制冷系統(tǒng)中的一臺(tái)水冷離心式冷機(jī)和水冷變頻螺桿式冷機(jī)在夜間蓄冷，蓄滿之后，在白天冷水系統(tǒng)制冷運(yùn)行期間，與冷機(jī)聯(lián)合放冷運(yùn)行[3]。在蓄放冷期間，冷水與溫水之間會(huì)有一定的溫度差，在兩者的分界處形成相應(yīng)的過渡層，即斜溫層，而其厚度的大小則是冷水和溫水混合程度的衡量指標(biāo)，隨著斜溫層厚度的減小，蓄冷的利用率會(huì)逐漸變高，相應(yīng)的損失也會(huì)減小。一般來說，斜溫層厚度的影響因素主要包括蓄水池的結(jié)構(gòu)、水池中的空氣、保溫層的厚度等，其中比較重要的一點(diǎn)是布水器的設(shè)計(jì)。不管是在蓄水期間，還是在放冷期間，都會(huì)有斜溫層，在運(yùn)行初期，其厚度比較薄，在持續(xù)進(jìn)行下，則逐漸增厚。在層流下，蓄冷、放冷期間都存在一定的可逆性，且斜溫層會(huì)不斷發(fā)生變化。同時(shí)，通過對(duì)冷機(jī)部分負(fù)荷率下的運(yùn)行特性進(jìn)行優(yōu)化，采取高溫蓄冷的方式調(diào)節(jié)供冷量，讓制冷機(jī)組始終處于高效運(yùn)行區(qū)間，從而提高空調(diào)系統(tǒng)效率，調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷。

2.2 輸配管網(wǎng)低阻力設(shè)計(jì)

一般情況下，系統(tǒng)的冷凍、冷卻水泵耗能是總耗能的一半左右，因此降低輸配系統(tǒng)的能耗也是實(shí)現(xiàn)高效機(jī)房設(shè)計(jì)的重要途徑。首先可以通過精細(xì)的水力計(jì)算，得到可靠的管網(wǎng)阻力，并通過CFD 軟件模擬計(jì)算，選擇流量、壓頭合適的高性能、低阻力水泵設(shè)備，保證水泵在高性能區(qū)間運(yùn)行；同時(shí)，借助BIM 技術(shù)優(yōu)化管路布置，避免多余閥門、彎頭、三通等管網(wǎng)配件造成不必要的浪費(fèi)。最后，要保證施工質(zhì)量，避免施工不良導(dǎo)致的空調(diào)輸配系統(tǒng)能耗。

2.3 大溫差低冷卻水進(jìn)水溫度設(shè)計(jì)

冷水使用6℃大溫差供水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與管網(wǎng)阻力進(jìn)行匹配，將制冷系統(tǒng)的能耗進(jìn)行合理配置，在提高水蓄冷容量的同時(shí)，有效地減少管路、泵體的投資，降低冷卻水溫度，提高冷機(jī)能效。對(duì)于冷卻水進(jìn)水溫度，在27℃下，水冷離心式冷機(jī)的最高能效比達(dá)到了6.87，在31℃下，最高能效比為6.19；在27℃下，變頻螺桿式水冷冷機(jī)的最高能效比達(dá)到了7.20，在31℃下，最高能效比為6.40。

2.4 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)

使用Indas EMC007 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、變頻調(diào)速與控制技術(shù)等，有效地實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高效、舒適運(yùn)行。在系統(tǒng)中，構(gòu)建知識(shí)庫，智能模糊控制的形成，主要基于相應(yīng)的模型以及運(yùn)算規(guī)則，影響系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集，根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)原則，經(jīng)過預(yù)測(cè)與運(yùn)算得出控制參數(shù)，將其送至冷凍水子系統(tǒng)、冷卻塔子系統(tǒng)，快速有效地改變系統(tǒng)循環(huán)流體的溫度與流量，從而確保不管在任何負(fù)荷條件下，系統(tǒng)都能夠保持最佳工作狀態(tài)，起到一定的綜合節(jié)能作用[4]。

2.5 基于建筑信息模型的能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

目前，BIM 技術(shù)通常在建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用，而在運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)卻很少應(yīng)用。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，建筑的運(yùn)行維護(hù)貫穿于建筑任何階段，維護(hù)的成本達(dá)到總體的2/3。智能建筑管理系統(tǒng)可以集中管理不同功能的建筑子系統(tǒng)以及相應(yīng)的設(shè)備，并形成相應(yīng)的建筑管理平臺(tái)，其中具有優(yōu)化管理、互相聯(lián)通等多種功能。通過利用BIM 模型，冷卻塔、冷凍泵、管路的走向等能夠更加立體地呈現(xiàn)出來，相關(guān)管理人員可以通過3D 這種直觀的形式進(jìn)行查看，不僅可以清晰地觀察到設(shè)備的參數(shù)信息，并有效進(jìn)行控制，還能夠查看設(shè)備相關(guān)的一些文檔資料，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息化運(yùn)維管理[5]。該管理系統(tǒng)能夠幫助物業(yè)管理人員有效地處理設(shè)備故障等各種突發(fā)事件，確保建筑設(shè)備的順利運(yùn)行。在具體的項(xiàng)目中，充分利用各種最新技術(shù)有效落實(shí)，還可以借助建筑能源監(jiān)測(cè)管理功能，實(shí)時(shí)了解設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障情況的時(shí)候，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，確保相應(yīng)的售后服務(wù)質(zhì)量，并且還具有對(duì)耗能設(shè)備的能耗進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與分析、遠(yuǎn)程抄表、節(jié)能診斷等多種功能，有效地實(shí)現(xiàn)一體化閉環(huán)管理[6]。

2.6 能效計(jì)量與評(píng)價(jià)

高效機(jī)房不僅需要優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，與全年負(fù)荷特征適配的主機(jī)選型、精良的施工，還要有精準(zhǔn)的能效計(jì)量，才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)系統(tǒng)能效。當(dāng)完成空調(diào)系統(tǒng)的安裝以及驗(yàn)收工作之后，由專門的測(cè)量人員，在制冷季節(jié)，利用精準(zhǔn)的儀器測(cè)量空調(diào)主機(jī)的運(yùn)行能效，并對(duì)其系統(tǒng)能效進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且在經(jīng)過優(yōu)化后，提供相應(yīng)的系統(tǒng)熱平衡報(bào)告。高效機(jī)房的能效計(jì)量應(yīng)采用專業(yè)級(jí)的計(jì)量儀表，以滿足能效測(cè)量與評(píng)價(jià)的精度要求。其中，數(shù)據(jù)采集儀的精度要求為16bit 采集精度；使用鉑電阻作為溫度測(cè)量元件的冷熱量表；流量傳感器的精度要求為1%精度，使用管道式電磁流量計(jì)或者插入式超聲波流量計(jì)；高精度濕度傳感器的精度要求為：精度±0.06℃；智能電表的精度要求為：電壓±0.2%、功率±0.7%、電流±0.5%。

3 結(jié)語

在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，暖通空調(diào)高效制冷機(jī)房的設(shè)計(jì)應(yīng)從節(jié)能出發(fā)，通過技術(shù)整合與優(yōu)化，最大程度實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。在建筑能耗中，空調(diào)能耗占總能耗的一半左右，而制冷機(jī)房在空調(diào)能耗中則占據(jù)70%左右?？梢娫诮ㄖ?jié)能中，制冷機(jī)房的節(jié)能是極其重要的一環(huán)。高效制冷機(jī)房的設(shè)計(jì)應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮，通過水蓄冷技術(shù)的應(yīng)用，輸配管網(wǎng)低阻力設(shè)計(jì)，大溫差低冷卻水進(jìn)水溫度設(shè)計(jì)等優(yōu)化設(shè)計(jì)手段來降低能耗；利用建筑信息模型的能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)來輔助機(jī)房高效運(yùn)行，并進(jìn)行準(zhǔn)確有效的能效計(jì)量與評(píng)價(jià)，從而降低建筑空調(diào)系統(tǒng)高成本運(yùn)行和減少能源浪費(fèi)。