合肥市某項(xiàng)目高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)分析

張文濤 （安徽置地投資有限公司，安徽 合肥 230031）

1 項(xiàng)目概況

1.1 基本信息

合肥市某住宅小區(qū)建設(shè)地點(diǎn)位于合肥市濱湖區(qū)上海路附近，總建筑面積24491.57m2，共有三棟住宅樓，建筑高度60.00m，其中地下1 層、地上13 層。項(xiàng)目以建設(shè)科技為引領(lǐng)，以建筑節(jié)能為目的，目前已經(jīng)成功取得了中國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)三星設(shè)計(jì)認(rèn)證。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

制冷機(jī)房集中設(shè)置在地下室，采用高能效制冷機(jī)房技術(shù)保證空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、節(jié)能運(yùn)行。高效制冷機(jī)房系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合能效比EERad 大于5.0，能效等級(jí)不低于2級(jí)。

2 建筑負(fù)荷計(jì)算

2.1 合肥氣候特點(diǎn)

合肥市屬于夏熱冬冷地區(qū)，平均溫度14℃～17℃，1月為最冷月，平均溫度-1℃～4℃；7 月為最熱月，平均溫度27℃～29℃[2]。

2.2 全年運(yùn)行時(shí)間確定

通過(guò)對(duì)周邊類(lèi)似項(xiàng)目調(diào)研并與項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)公司溝通了解，預(yù)計(jì)每年夏季供冷時(shí)間在5 月1 日～9 月30 日，每年冬季供熱時(shí)間預(yù)計(jì)在12月5日～3月4日。

2.3 全年冷熱負(fù)荷模擬分析

結(jié)合合肥市典型年天氣數(shù)據(jù)，通過(guò)逐時(shí)氣象參數(shù)，確認(rèn)各負(fù)荷分配比例，確認(rèn)全年綜合能效預(yù)期目標(biāo)。利用DeST軟件建立建筑模型后，設(shè)定計(jì)算參數(shù)，包括定義建筑物的地理位置、維護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、室內(nèi)熱繞參數(shù)、房間功能、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、全年內(nèi)擾及空調(diào)作息模式等[3]。按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）要求，進(jìn)行了全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷模擬，同時(shí)對(duì)建筑全年運(yùn)行中的冷熱負(fù)荷占比情況進(jìn)行了分析。

對(duì)于該項(xiàng)目，空調(diào)總冷負(fù)荷主要由設(shè)備及照明負(fù)荷、人員熱濕負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷組成。其中設(shè)備及照明負(fù)荷受室外溫度濕度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響小，在空調(diào)使用期間負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，按照《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 449-2018）附錄C 建筑供暖和空調(diào)系統(tǒng)模擬計(jì)算運(yùn)行參數(shù)及其他相關(guān)規(guī)范要求計(jì)算。人員熱濕負(fù)荷受室外溫度、濕度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響小，主要與室內(nèi)人員數(shù)量有關(guān)。按照《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)要求計(jì)算，新風(fēng)負(fù)荷受室外空氣溫濕度（焓值）及室內(nèi)人員數(shù)量影響，室內(nèi)人員密度按照《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 449-2018）附錄C 建筑供暖和空調(diào)系統(tǒng)模擬計(jì)算運(yùn)行參數(shù)相關(guān)要求計(jì)算，則可通過(guò)室外焓值變化模擬計(jì)算出各時(shí)段新風(fēng)負(fù)荷。維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷受室外溫度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響，因此該部分負(fù)荷的大小可以通過(guò)室外空氣干球溫度及太陽(yáng)輻射情況進(jìn)行計(jì)算。

基于以上負(fù)荷特征，可以模擬出全年供冷運(yùn)行負(fù)荷分布情況，如圖1～圖3所示。通過(guò)模擬結(jié)果得出以下兩點(diǎn)結(jié)論。

圖1 合肥市全年逐時(shí)溫度變化曲線

圖2 合肥市全年逐時(shí)溫度變化曲線（制冷）

圖3 合肥市全年逐時(shí)溫度變化曲線（制熱）

①全年冷負(fù)荷約為2558759kW·h，全年熱負(fù)荷約1690673kW·h，冷負(fù)荷比熱負(fù)荷多51%，冷熱不平衡較大。因此在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮輔助散熱措施。

②制冷機(jī)組大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。夏季設(shè)計(jì)負(fù)荷百分比為30%～40%時(shí)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，為541h，約占總運(yùn)行時(shí)間的16.1%；而滿負(fù)荷運(yùn)行只有49h，約占總運(yùn)行時(shí)間的1.5%。冬季設(shè)計(jì)負(fù)荷百分比為70%～80%時(shí)，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，為533h，約占總運(yùn)行時(shí)間的24.6%；而滿負(fù)荷運(yùn)行只有184h，約占總運(yùn)行時(shí)間的8.5%。因此在制冷主機(jī)設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇部分負(fù)荷下能效高的設(shè)備機(jī)組。

3 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

地源熱泵技術(shù)是利用淺層地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)建筑供冷供暖的技術(shù)，是清潔能源供暖技術(shù)中非常重要的一環(huán)[4]。地源熱泵技術(shù)是以常溫土壤或地表水（地下水）為熱源，冬季從地下提取熱量，夏季把建筑的熱量又存入地下，從而解決冬夏兩季采暖和空調(diào)的冷熱源問(wèn)題。尤其在住宅小區(qū)中利用地源熱泵技術(shù)能夠避免設(shè)置鍋爐房，較好地解決了熱源的問(wèn)題。地源熱泵技術(shù)屬于可再生能源利用技術(shù)，也是受?chē)?guó)家政策支持的新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)采暖技術(shù)。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用垂直式地埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季，地源熱泵機(jī)組運(yùn)行滿足全部熱負(fù)荷；夏季，地源熱泵機(jī)組運(yùn)行滿足部分冷負(fù)荷?？紤]在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，夏季向土壤的散熱量比冬季取熱量大，設(shè)計(jì)冷卻塔輔助夏季散熱，解決土壤熱平衡問(wèn)題。埋管數(shù)量根據(jù)空調(diào)裝機(jī)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，本文不再詳細(xì)介紹。

3.2 冷熱源設(shè)備選型

本項(xiàng)目夏季空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷為1947.88kW，單位建筑面積冷負(fù)荷為106.98W；冬季空調(diào)計(jì)算熱負(fù)荷1125.15kW，單位建筑面積熱負(fù)荷58.28W。

選用高效的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高效制冷機(jī)房的基礎(chǔ)，需特別注意制冷機(jī)組負(fù)荷下的運(yùn)行性能系數(shù)。該階段的主要工作內(nèi)容是確定冷水機(jī)組和冷卻塔型號(hào)及臺(tái)數(shù)，基本思路是利用仿真工具分別搭建冷水機(jī)組和冷卻塔性能仿真模型，在預(yù)設(shè)控制策略的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的冷水機(jī)組設(shè)計(jì)綜合性能系數(shù)和冷卻水供水溫度是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值的要求。需要強(qiáng)調(diào)的是針對(duì)冷水機(jī)組和冷卻塔的性能仿真均是基于全年工況。

本項(xiàng)目高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)的地源熱泵系統(tǒng)采用2 臺(tái)變頻螺桿式熱泵機(jī)組、1臺(tái)變頻螺桿式水冷機(jī)組，冷水溫度分別為7℃/12℃，熱水溫度分別為45℃/50℃，地源夏季溫度為25/30℃，冬季溫度為10/5℃；冷卻塔供、回水溫度為31/36℃。輔助冷熱源選用1 臺(tái)冷卻能力為165t/h 的低噪音橫流冷卻塔，設(shè)置在通風(fēng)良好的位置，進(jìn)、出水溫度為36℃/31℃，冷卻塔對(duì)應(yīng)螺桿式水冷機(jī)組運(yùn)行。

表1 名義工況下地源熱泵機(jī)組和變頻螺桿式水冷機(jī)組參數(shù)

表2 循環(huán)水泵優(yōu)化選型前后主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

4 輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)。該階段的主要工作內(nèi)容是通過(guò)對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選取冷凍水泵和冷卻水泵及其閥部件。

4.1 利用BIM技術(shù)優(yōu)化輸配管網(wǎng)

在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)BIM 技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及合理性[5]。主要技術(shù)措施為降低制冷主機(jī)水壓降、提高設(shè)備的工作效率；充分利用機(jī)房空間，盡可能使用45°彎頭及低阻力閥件；冷水機(jī)組進(jìn)口與水泵出口處于同一高度，減少?gòu)濐^數(shù)量；合理布置管道，避免翻彎；使用阻力小的水處理設(shè)備，避免使用管道直通式水處理設(shè)備。BIM設(shè)計(jì)成果如圖4所示。

圖4 機(jī)房BIM模型

BIM 技術(shù)也為后期的施工提供可視化的技術(shù)指導(dǎo)，提升了施工質(zhì)量，為高效制冷機(jī)房的可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。另外，BIM 模型可以進(jìn)行模擬仿真，幫助管理者定位和識(shí)別運(yùn)行維護(hù)階段潛在的危險(xiǎn)，并提出系統(tǒng)的解決方案和應(yīng)急措施，確保了高效機(jī)房最終的運(yùn)行能效，真正實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的高效節(jié)能。

表3 高效制冷機(jī)房能效模擬結(jié)果

4.2 循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)

高效機(jī)房選用的冷凍水泵和冷卻水泵的效率應(yīng)不低于現(xiàn)行《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》（GB 19762-2007）規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值。泵電機(jī)效率應(yīng)滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB 18613-2020）規(guī)定中的2 級(jí)及以上能效的要求。最終優(yōu)化后設(shè)備選型如表2所示。

5 方案評(píng)價(jià)

根據(jù)高效制冷機(jī)房設(shè)備配置，制冷機(jī)房總配置供冷能力為1940kW。結(jié)合制冷機(jī)房供冷區(qū)域在不同時(shí)間段的負(fù)荷模擬數(shù)據(jù)，可以模擬出制冷機(jī)房各設(shè)備在不同負(fù)載率下的運(yùn)行小時(shí)數(shù)、耗電量，最終得到模擬全年平均能效。

高效制冷機(jī)房全時(shí)段年模擬供冷量為2558759kW·h，年模擬用電量為481016kW·h。

水泵、冷卻塔、風(fēng)機(jī)采用變頻系統(tǒng)，參數(shù)配置按照優(yōu)化后高效制冷機(jī)房設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置，通過(guò)智能控制系統(tǒng)及能效優(yōu)化管理系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算得出制冷機(jī)房模擬全年平均能效為5.32kW/kW。

6 結(jié)束語(yǔ)

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)采用高效制冷機(jī)房技術(shù)，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加明顯，因此在設(shè)計(jì)高效制冷機(jī)房時(shí)，可以結(jié)合其他的高效節(jié)能系統(tǒng)，如冰蓄冷技術(shù)、地源熱泵技術(shù)等。

本文進(jìn)行了全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷模擬，同時(shí)對(duì)建筑全年運(yùn)行中的冷熱負(fù)荷占比情況進(jìn)行分析，得出制冷機(jī)組大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。因此在制冷主機(jī)設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇部分負(fù)荷下能效高的設(shè)備機(jī)組。

本文借助建筑能耗模擬軟件和BIM機(jī)電管網(wǎng)模擬軟件，提升了高效制冷機(jī)房性能化設(shè)計(jì)效率和可靠性。通過(guò)深化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)優(yōu)化，使問(wèn)題在施工前得以解決，確保了輸配系統(tǒng)實(shí)施的可行性，為設(shè)備選型提供了可靠的依據(jù)。