中信技術(shù)研發(fā)基地項(xiàng)目冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張亞立 勞逸民 潘云鋼 李雯筠

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京)

1 工程概況

中信技術(shù)研發(fā)基地位于北京市順義新城第13街區(qū),順成大街與坤安路交匯處的東南側(cè),總占地面積56 798.9 m2,總建筑面積178 975 m2,包括生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓41 000 m2(建筑功能為生產(chǎn)機(jī)房及配套設(shè)施),研發(fā)辦公樓137 975 m2(建筑功能為辦公、會(huì)議、宿舍等),效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 中信技術(shù)研發(fā)基地項(xiàng)目效果圖

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓數(shù)據(jù)機(jī)房冬季產(chǎn)生大量余熱,完全可滿足冬季研發(fā)辦公樓供熱需求,該項(xiàng)目充分利用余熱作為研發(fā)辦公樓低品位熱源。研發(fā)辦公樓采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng),將空氣顯熱與散濕量完全分開(kāi)處理,并充分利用較高能效比的高溫水[1]作為空調(diào)冷源。

2 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓冷熱源及空調(diào)設(shè)計(jì)

1) 冷源設(shè)計(jì)。

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓總冷負(fù)荷為23 080 kW,空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算見(jiàn)表1。集中冷源為水冷冷水機(jī)組和風(fēng)冷冷水機(jī)組,冷源按一用一備模式設(shè)置。其中,風(fēng)冷冷水機(jī)組為雙冷源模塊的備用冷源,水冷和風(fēng)冷冷源均提供供/回水溫度為12 ℃/18 ℃的冷水為機(jī)房末端精密空調(diào)機(jī)組供冷。水冷系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)均分為南、北2個(gè)系統(tǒng)設(shè)置,水冷冷水機(jī)組每個(gè)系統(tǒng)設(shè)3臺(tái)3 868 kW(1 100 rt)的變頻離心式冷水機(jī)組,位于地下1層制冷站,為主用冷源。冷水一級(jí)泵、二級(jí)泵為變頻水泵,板式換熱器與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)設(shè)置,冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行,部分負(fù)載工況下,可以獲得較低的冷卻水出水溫度,可延長(zhǎng)自然制冷模式工作時(shí)長(zhǎng)。風(fēng)冷冷水機(jī)組每個(gè)系統(tǒng)設(shè)6臺(tái)1 934 kW(550 rt)帶自然冷卻的風(fēng)冷螺桿式機(jī)組,位于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓屋頂,為雙冷源模塊提供備用冷源。室外設(shè)置蓄冷罐,蓄冷罐容積可滿足系統(tǒng)滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行15 min,蓄冷罐計(jì)算有效容積為1 100 m3。為保證系統(tǒng)在線維護(hù)管路的可靠性,管路設(shè)計(jì)為雙母管+末端環(huán)路設(shè)計(jì)。

表1 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓空調(diào)冷熱負(fù)荷 kW

冬季生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓的余熱為研發(fā)辦公樓提供低品位熱源,研發(fā)辦公樓空調(diào)熱負(fù)荷為5 013 kW,設(shè)2臺(tái)板式換熱器,單臺(tái)換熱量為3 260 kW,板式換熱器一次水為機(jī)房冷水,供/回水溫度為18 ℃/12 ℃,二次水供/回水溫度為15 ℃/10 ℃。

冬季數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)冷負(fù)荷僅為室內(nèi)冷負(fù)荷,且研發(fā)辦公樓和數(shù)據(jù)機(jī)房已經(jīng)啟動(dòng)供暖,冷卻塔自然冷卻負(fù)荷有所降低,僅為部分負(fù)荷運(yùn)行,其供水溫度趨近度小于設(shè)計(jì)工況。冬季剩余部分散熱量采用冷卻塔自然冷卻系統(tǒng),根據(jù)冷卻塔特性曲線(流量比為70%)[2],當(dāng)室外濕球溫度低于9.0 ℃、冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于17.0 ℃時(shí),冷卻水經(jīng)板式換冷器冷卻冷水回水,冷水回水經(jīng)板式換冷器部分冷卻后進(jìn)入冷水機(jī)組蒸發(fā)器,提供12.0 ℃的冷水。當(dāng)室外濕球溫度低于6.0 ℃、冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于10.5 ℃時(shí),可以完全由冷卻塔免費(fèi)供冷提供制冷量,冷水經(jīng)板式換冷器與冷卻水換熱,可提供12.0 ℃的冷水,此時(shí)冷水機(jī)組關(guān)閉。冷源系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 冷源系統(tǒng)原理圖

2) 熱源設(shè)計(jì)。

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓不設(shè)熱源,機(jī)房值班室、屋面水泵房等房間熱負(fù)荷由房間內(nèi)的水環(huán)熱泵機(jī)組承擔(dān),利用供/回水溫度為12 ℃/18 ℃的冷水作為水環(huán)熱泵的低品位熱源,提供供/回水溫度為45 ℃/40 ℃的空調(diào)熱水。新風(fēng)機(jī)組自帶水環(huán)熱泵模塊,同上所述,利用余熱水作為水環(huán)熱泵的低品位熱源。

3) 空調(diào)設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)采用1 000 mm的高架空地板下送風(fēng),IT機(jī)柜按冷熱通道布置,熱通道封閉。熱排風(fēng)經(jīng)由熱通道頂部設(shè)置的回風(fēng)口進(jìn)入吊頂靜壓箱,回至精密空調(diào)機(jī)組,冷熱通道處送/回風(fēng)溫度為23 ℃/36 ℃,保證數(shù)據(jù)機(jī)房在18～31 ℃溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。為了保證機(jī)房正壓要求和人員新風(fēng)量要求,設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng),新風(fēng)量按數(shù)據(jù)機(jī)房0.8 h-1的換氣次數(shù)設(shè)計(jì),冬夏季采用室內(nèi)露點(diǎn)溫度送風(fēng),控制室內(nèi)濕度。主機(jī)房采用專用濕膜加濕器(放置在空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)),在冬季及過(guò)渡季進(jìn)行加濕,保證室內(nèi)濕度。

4) 數(shù)據(jù)機(jī)房能耗分析。

電能利用效率(PUE)=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗[3];數(shù)據(jù)中心總能耗=IT設(shè)備能耗+供配電系統(tǒng)能耗+空調(diào)系統(tǒng)能耗+其他能耗;PUE=1+供配電能耗因子+空調(diào)系統(tǒng)能耗因子+其他能耗因子。

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓IT設(shè)備滿負(fù)荷時(shí),總裝機(jī)設(shè)備功率為18 000 kW。因?yàn)樵擁?xiàng)目采用余熱回收,舒適性空調(diào)供暖運(yùn)行時(shí)間按1 200 h考慮,設(shè)計(jì)工況下PUE為1.358,其中全年空調(diào)能耗因子為0.252,供配電系統(tǒng)能耗因子為0.090,照明等其他能耗因子為0.016。由于在部分負(fù)荷下冷水機(jī)組制冷綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(IPLV)高于設(shè)計(jì)工況,冷水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行,實(shí)際耗功率小于額定功率,實(shí)際運(yùn)行時(shí)PUE為1.260。

3 研發(fā)辦公樓冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 冷熱源設(shè)計(jì)。

研發(fā)辦公樓總冷負(fù)荷為5 494.7 kW,其中高溫冷水負(fù)荷為2 387.9 kW,常溫冷水負(fù)荷為3 106.8 kW;總熱負(fù)荷為5 013 kW。該樓采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng),由2臺(tái)1 230 kW(350 rt)水冷變頻離心式高溫冷水機(jī)組(供/回水溫度為16 ℃/21 ℃)負(fù)擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷與部分新風(fēng)負(fù)荷。設(shè)置3臺(tái)水源熱泵機(jī)組(夏季運(yùn)行2臺(tái),冬季運(yùn)行3臺(tái)),單臺(tái)制冷量為1 656 kW,單臺(tái)制熱量為1 730 kW,夏季負(fù)擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷、部分室內(nèi)負(fù)荷與全部濕負(fù)荷,夏季供/回水溫度為7 ℃/12 ℃;冬季負(fù)擔(dān)全部空調(diào)熱負(fù)荷,供/回水溫度為50 ℃/45 ℃。熱泵機(jī)組冬季利用生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓冷水回水作為低品位熱源,冷水回水經(jīng)板式換熱器換熱后供/回水溫度為15 ℃/10 ℃,經(jīng)熱泵機(jī)組換熱后可提供供/回水溫度為50 ℃/45 ℃的空調(diào)熱水;夏季熱泵機(jī)組供冷,提供供/回水溫度為7 ℃/12 ℃的空調(diào)冷水,熱泵機(jī)組冷凝器接冷卻塔散熱,冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃。

考慮系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用的影響,水源熱泵機(jī)組在夏季采用開(kāi)式冷卻塔提供冷卻水,由于水源熱泵機(jī)組在冬夏季需要轉(zhuǎn)換,開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)容易產(chǎn)生污垢,在冬夏季轉(zhuǎn)換時(shí)污垢會(huì)進(jìn)入空調(diào)水系統(tǒng)影響運(yùn)行,因此夏季供冷季結(jié)束后必須對(duì)水源熱泵機(jī)組冷凝器及冷卻水系統(tǒng)的管道進(jìn)行徹底清洗和維護(hù)。

數(shù)據(jù)中心機(jī)柜按照市場(chǎng)實(shí)際需求分階段安裝,初期機(jī)柜安裝數(shù)量較少,初期階段冬季無(wú)法滿足研發(fā)辦公樓供熱需求,因此研發(fā)辦公樓設(shè)備用熱源為市政熱源,設(shè)2臺(tái)板式換熱器,單臺(tái)換熱量為3 260 kW。

冬季及過(guò)渡季采用冷卻塔免費(fèi)供冷的自然制冷方式為內(nèi)區(qū)空調(diào)提供冷水,根據(jù)冷卻塔特性曲線(流量比為50%)[2],常溫冷水系統(tǒng)側(cè)冬季由冷卻塔提供供/回水溫度為7 ℃/10 ℃的冷卻水(當(dāng)室外濕球溫度為5 ℃時(shí)),通過(guò)板式換熱器與供/回水溫度為8 ℃/13 ℃的冷水進(jìn)行換熱,供冬季內(nèi)區(qū)使用。高溫冷水系統(tǒng)側(cè)冬季由冷卻塔提供供/回水溫度為15 ℃/18 ℃的冷卻水(當(dāng)室外濕球溫度為13 ℃時(shí)),經(jīng)板式換熱器換熱得到供/回水溫度為16 ℃/21 ℃的冷水,供冬季內(nèi)區(qū)使用。室外冷卻水管及冬季使用的冷卻塔采取防凍措施,且冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。

2) 空調(diào)設(shè)計(jì)。

研發(fā)辦公樓采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng),風(fēng)機(jī)盤管與新風(fēng)機(jī)組冷熱水系統(tǒng)均為四管制,開(kāi)敞式辦公區(qū)室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)采用高溫冷水(供/回水溫度為16 ℃/21 ℃)供冷,會(huì)議室、討論室等人員密集場(chǎng)所的風(fēng)機(jī)盤管采用常溫冷水(供/回水溫度為7 ℃/12 ℃)供冷。新風(fēng)機(jī)組采用雙盤管冷源熱回收新風(fēng)機(jī)組(帶排風(fēng)再熱)。

為滿足室內(nèi)人員除濕要求,人均新風(fēng)量應(yīng)為34.4 m3/h,考慮到除濕的可靠性,附加1.1倍安全系數(shù),人均新風(fēng)量取38.0 m3/h。

為避免送風(fēng)溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度引起結(jié)露,采用室內(nèi)排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)送風(fēng)進(jìn)行再熱,保證新風(fēng)出風(fēng)溫度(16.4 ℃)高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度。雙盤管冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)熱回收新風(fēng)機(jī)組(排風(fēng)再熱)原理圖見(jiàn)圖3[4],新風(fēng)側(cè)處理過(guò)程為粗效過(guò)濾器—中效過(guò)濾器—板式熱回收器—預(yù)冷高溫盤管—深冷常溫盤管—室內(nèi)再熱排風(fēng)熱管—高壓噴霧加濕器—送風(fēng)機(jī)。排風(fēng)側(cè)處理過(guò)程為粗效過(guò)濾器—室內(nèi)再熱排風(fēng)熱管—板式熱回收器—排風(fēng)機(jī)。

1.粗效過(guò)濾器;2.中效過(guò)濾器;3.板式熱回收器;4.預(yù)冷高溫盤管;5.深冷常溫盤管;6.室內(nèi)再熱排風(fēng)熱管;7.高壓噴霧加濕器;8.送風(fēng)機(jī);9.排風(fēng)粗效過(guò)濾器;10.排風(fēng)空段;11.排風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了中信技術(shù)研發(fā)基地生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓和研發(fā)辦公樓冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為提高園區(qū)能源綜合利用率,研發(fā)辦公樓利用生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓數(shù)據(jù)機(jī)房余熱作為空調(diào)熱源。研發(fā)辦公樓采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng),充分利用高溫水能效比高的特點(diǎn),新風(fēng)系統(tǒng)采用雙盤管冷源。為防止新風(fēng)送風(fēng)結(jié)露,利用室內(nèi)排風(fēng)對(duì)新風(fēng)送風(fēng)進(jìn)行再熱。生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓采用風(fēng)冷冷水機(jī)組和水冷冷水機(jī)組作為冷源,不單獨(dú)設(shè)熱源,房間熱負(fù)荷由水環(huán)熱泵機(jī)組承擔(dān)。數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)采用高架空地板下送風(fēng),新風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)量按換氣次數(shù)為0.8 h-1設(shè)計(jì),冬夏季采用室內(nèi)露點(diǎn)溫度送風(fēng),控制室內(nèi)濕度。生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)樓數(shù)據(jù)機(jī)房實(shí)際運(yùn)行工況下PUE為1.260。本工程于2020年投入使用,經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行,空調(diào)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。