大型商業辦公綜合體制冷站設計中的節能技術運用

姚健，沈清清，劉珺，江晨，曹陽

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063)

0 引言

隨著我國經濟的飛躍發展，帶動了城市商業的繁榮。大型商業綜合體的建筑模式在城市的各個區域越來越多地出現。本項目位于上海，為大型商業辦公綜合體，總建筑面積約37 萬m2，分東西兩個區域。東區包括：地下4 層（功能為車庫、設備用房及超市商業等）、裙房6 層（功能為商業）及2棟塔樓（功能為辦公），總建筑面積約31 萬平方米，總冷負荷為25000 kW；西區包括：地下2 層（功能為車庫、設備用房及超市商業等）、裙房4 層（功能為商業）及1 棟塔樓（功能為辦公），總建筑面積約6 萬m2，總冷負荷為6700 kW。圖1 為建筑效果圖。

1 制站系統的設計

為滿足該項目的空調需要，東西區分別設制冷站。

東區制冷機房設在東區地下3 層，冷源選用5臺名義制冷能力為 4219 kW（1200 冷噸）的離心式冷水機組和2 臺名義制冷能力為 2110 kW（600冷噸）的變頻離心式冷水機組。冷凍水的供/回水溫度為6℃/ 13℃。東區地塊冷凍水系統采用二次泵系統。

西區制冷機房設在西區地下2 層，冷源選用3臺名義制冷能力為2285 kW（650 冷噸）的離心式冷水機組（其中1 臺為變頻機組）。冷凍水的供/回水溫度為6℃/ 13℃。西區地塊冷凍水系統采用一次泵變流量系統。

東、西區制冷站系統原理圖見圖2 和圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 東區制冷站系統原理圖

圖3 西區制冷站系統原理圖

2 制冷站設計中的節能技術運用

由于本項目的體量較大，建筑能耗較大，而空調系統中冷源系統的能耗又是重中之重，因此，降低制冷站的能耗對于整個項目的節能具有更大的作用。

結合新版《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[1]和《公共建筑節能設計標準》[2]的執行，本項目在制冷站的設計中采用了一系列節能技術。

2.1 大溫差系統

大溫差系統就是指冷水機組提供的冷量不變，通過擴大冷凍水、冷卻水溫差，降低循環水泵、冷卻塔、空調末端運行能耗，從而提高空調系統的綜合效率。

本工程冷凍水溫差由通常的5℃（7℃/12℃）擴大至7℃（6℃/13℃），冷水機組制冷效率降低了(4～5)%，多耗能約253 kW (本項目東西區冷水機組總電機功率5623 kW)。但同時冷凍水循環量降低28%，相應的減少輸送能耗為301 kW（冷凍水泵總功率1075 kW）。冷凍水供水溫度的降低可以使空調送風溫度降低，空調末端風系統的送風溫差加大，送風量減少，從而可以減小風管尺寸，減小吊頂空間，節約風機的能耗。風機能耗的節能幅度約20%。二者比較，顯然擴大冷凍水溫差后，冷凍水系統綜合效率提高了。

由于冷凍水溫度降低，使壓縮機壓縮比增大，導致機組能效比下降。因此，在設計小流量大溫差系統時，需要充分考慮到冷凍機組的性能特性，不能無限制的降低供水溫度。一般以(6～8)℃為宜。總之，冷凍水采用大溫差、小流量系統雖使冷凍機的效率略微降低，同時可降低循環水泵耗電量、減少送風量和系統冷損失，得失相抵獲得了節能效益。

2.2 一次泵變流量系統

一次泵變流量水系統的變流量節能控制，是把原固定轉速的一次泵改成變頻調速驅動水泵，利用冷水機組蒸發器在低水流量能力上的改進和新的測控技術的提高，使一次冷凍水量可以按負荷的需要在一定的范圍內調節。因此，一次泵變流量空調水系統可取得非常好的節能效果。

一次泵變頻技術是建立在傳統的一次泵系統的基礎上的變流量技術。一次泵系統大都采用定速泵，水泵的轉速和流量是不隨空調負荷變化的。因此在運行過程中會出現大流量小溫差現象，浪費大量水泵輸送電能。為了讓水泵隨負荷的變化實現變流量運行，可采用加裝變頻器改變水泵轉速的方式。水泵電機的轉速滿足下列公式：

式中：

N——電機轉速；

f——供電頻率（變頻器的輸出頻率）；

P——電機的極對數。

根據水泵的相似定律，水泵的流量、揚程、功率和轉速之間存在以下關系：

式中：

Q0，H0，W0，N0——額定工況下水泵的流量、揚程、軸功率、轉速；

Q1，H1，W1，N1——水泵轉速為N1下水泵的流量、揚程、軸功率、轉速。

當N1/N0=0.8時，W1/W0=(N1/N0)3=(Q1/Q0)3=0.83=0.512。

由上式可得當流量變為額定流量的80%時，水泵的軸功率僅為額定流量的50%左右，水泵運行能耗下降50%左右。可以看到通過變頻調速的方式來改變水泵轉速可以為水泵運行節省大量的能耗。

蒸發器的蒸發溫度是決定冷水機組COP的一個重要因素。根據既有的研究，在部分負荷時，使用變流量運行，冷水機組的蒸發溫度隨冷凍水量的減少呈降低的趨勢。在供回水溫度不變的條件下，當流量變為設計流量60%，蒸發溫度下降不到1℃，冷水機組COP降低的幅度不超過10%。

冷凍水的流量對冷水機組蒸發溫度和COP有一定的影響。但只要保證流量沒有降低到最小流量以下，保證蒸發器不被凍結，理論上冷水機組完全可以實現變流量。

雖然流量的降低導致了冷機本身COP的下降，但同時也使泵的能耗大大降低。為了比較這兩種互為矛盾的結果對整個系統的影響，可以定義冷水機組綜合COP，其計算公式為：

式中：

COP——冷水機組的性能系數；

Q——冷機的制冷量，kW；

W1——所有運行冷機的總耗功，kW；

W2——所有運行的冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機的總功耗，kW。

冷水機組綜合COP可以反映出冷凍水變流量后，整個冷凍機房水系統的能耗情況。根據現有文獻資料，水泵能耗占整個冷凍水系統能耗的不同比例下，冷水機組綜合COP的變化情況如圖4。

由圖4 可以得出：水泵能耗占整個冷凍機房水系統能耗的比例越大，系統綜合COP升高幅度越大。

本項目西區建筑體量相對較小，建筑高度未超過100 m，各空調區域間的冷凍水回路管道阻力差別不大，采用一次泵變流量系統。冷凍機房冷水機組總功率為1200 kW，冷凍水泵總功率為240 kW，冷凍水泵能耗占整個冷凍水系統能耗的20%左右，采用一次泵變流量系統在50%負荷時冷源系統的綜合節能幅度為5%左右。

圖4 冷水機組綜合COP 升高的幅度

2.3 免費冷源

免費冷源是指項目的商業及辦公內區在冬季仍需要提供冷凍水時，利用冷卻塔，通過板交與空調冷凍水進行熱交換，對系統提供冷源，而省去了冷凍機運行的能耗。按上海地區的冬季氣象參數，通過冷卻塔直接冷卻換熱，可以獲得供/回水溫度為10℃/16℃的冷源。由于冷卻塔是按夏季工況選擇，而在冬季時其室內冷負荷遠小于夏季工況，因此利用冷卻塔可以滿足冬季免費冷源的要求。

本項目在制冷站設計中，為節省制冷機組能耗，東西區分別設1 臺板式熱交換器，在冬季，當冷水機組停止運行后，通過閥門切換，利用冷卻塔的冷卻水系統提供(9～11)℃的一次側冷水，經板式換熱器換熱后，提供10℃/16℃的空調供/回水。按東西區合計冬季室內冷負荷4400 kW 計，與冬季運行冷水機組制冷相比，免費冷源的運用可節省約52.8 萬kWh 的耗電。

2.4 冷卻水變流量系統

冷凝熱量隨著機組的負荷變化而變化，相應調節冷卻水流量可以節省冷卻水泵的能耗，同時冷卻水的冷凝溫度是影響冷水機組制冷性能的一個重要參數。

本項目冷卻水變流量采用定溫差控制，即在冷卻水進出水管上各安裝一組溫度傳感器，將溫度信號傳給控制器,控制器將此實際冷卻水溫差與某一固定溫差(一般為5℃)進行比較，以控制水泵轉速和流量。當系統處于部分負荷，冷卻水溫差較小時，降低水泵轉速，以保持5℃溫差。為了保證水流量不低于最小流量，設定頻率下限，通常在25 Hz 以上。負荷Q與冷卻水流量G和冷卻水的進出水溫度t1，t2間的關系為：

式中：

cp——水的比定壓熱容；。

冷卻水定溫差變流量會影響冷凝溫度的穩定，對冷水機組的性能系數的有一定的影響。根據現有文獻資料，在部分負荷時，冷卻水定溫差控制時冷水機組的COP較冷卻水定流量時的情形有所降低，負荷及冷卻水流量為75%時，COP降低4%左右；流負荷及冷卻水流量為50%時，COP降低6.5%左右。

設定流量情形單臺冷水機組和水泵的輸入功率分別為Nc和Np，變流量情形為Nc’和Np’。由于水泵調速而引起此一機一泵系統的節能量為：

于是，相對于水泵的節能率可表示為

式中，r 為相對于額定流量的流量。

圖5 比較了當冷卻水泵電功率與主機在名義工況下的電功率之比Np/Nc分別為10%，15%和20%時，冷卻水變流量的節能效果。圖中變流量的節能率是以水泵的功率為基礎。

圖5 定溫差控制的節能效果

考慮變流量對主機COP的影響，特別是當水泵相對于主機的功率較小或流量變化幅度較大時，對冷卻水變流量的節能效果有很大影響，當水泵相對于主機的功率此值在10%以上時,變流量一般均能取得一定的節能效果。

本項目東區冷凍機總功率Nco為4420kW，冷卻水總功率Npo為1200 kW，Npo/Nco=27%，西區冷凍機總功率Nco為1200 kW，冷卻水總功率Npo為336 kW，Npo/Nco=28%，按圖5，在50%負荷時的冷卻水變流量的水泵節能率約為60%。

2.5 冷凝器在線清洗系統

減小冷卻水量，提高冷凝溫度，對冷水機組可能帶來的不利影響是增加冷凝器和冷卻水管道中的結垢速度，冷卻水流速的減小使得其沖刷能力下降，對冷卻水系統的清污除垢提出了新的要求。

本項目在冷水機組的循環冷卻水系統設置冷凝器自動在線清洗裝置，可以有效降低冷凝器的污垢熱阻，保持冷凝器換熱管內壁較高的潔凈度，從而降低冷凝溫差（制冷劑冷凝溫度與冷卻水的離開溫度差）和冷凝溫度。在不低于冷水機組冷卻水溫度要求下限的條件下，冷凝溫度越低，冷水機組的制冷系數越高，可以減少壓縮機的耗電量。當蒸發溫度一定時，冷凝溫度每降低1℃，冷水機組的耗功率約節省3%～ 4%。

2.6 冷凍站自動控制系統

本工程空調冷凍機房控制系統主要對冷水機組、冷凍循環水泵、冷卻循環水泵、冷卻塔及相關輔助設備等組成的冷源系統進行現場監控。

控制冷源系統冷水機組、水泵、冷卻塔、電動開關閥的啟停順序；

根據空調系統負荷的需求變化調整系統的運行水量和冷水機組的運行臺數，達到供回水總管的壓差平衡和降低空調系統的運行能耗；

根據系統負荷和冷水機組的能效比，自動調整冷水機組的運行負荷和運行臺數，使冷水機組盡可能在其效率最高的工況區運行，以達到最佳節能目的；

根據冷卻塔進出水溫差,自動調整冷卻水運行水量及冷卻塔運行臺數以節能；

累計主機及附屬設備運行時間，控制設備優先開啟(關閉)順序，保證設備運行壽命一致；

中央控制系統通過網絡協議與冷水機組進行通信，實現數據的雙向通信，并顯示冷水機組詳細的運行信息；

自動控制系統根據預先編好的軟件程序和設定值，作出圖形及數據顯示，趨勢分析，數據管理，實現對冷源系統的現場控制功能；

顯示系統的故障信息，包括：冷水機組的保護及報警、定壓裝置高低壓報警等。

冷凍機房采用集中自動控制系統不僅可以使系統的運行更加便捷可靠，更關鍵是可以通過自動控制系統的監控和調節，使冷水機組及相應配套設備根據系統的需要調整開啟數量及運行容量，并盡可能使設備運行在各自的高效率點，從而節約系統的運行能耗。

2.7 冷凍站能源計量系統

對冷凍站能源設計量系統，采用能量型空調計量方式，依據熱力學原理，通過檢測系統的各支路回水總管上的流量和供回水溫度，計算處系統各回路使用的空調能量值。系統由電磁流量計、溫度傳感器及能量積算儀組成。計算公式如下：

式中：

Q——累計熱量值，J；

qm——流經熱量表的水的質量流量，kg/h；

Δh——系統供回水的焓值差，J/kg；

t——時間，h。

在冷凍站進行能源計量，可以作為空調使用的統計和費用分攤的依據，還有助于分析能耗的構成，在空調的具體運行過程中尋找節能的途徑。

3 結論

通過在本工程項目的制冷站系統設計中采用了一系列節能措施，可以初步統計出制冷站的總體節能量：按系統裝機制冷總容量32170 kW，年運行總制冷負荷為2500 萬kWh 計，折合到制冷站部分的年用電量消耗約650 萬kWh，通過節能措施的應用，估算每年可節約用電能耗約110 萬kWh（相當于124 噸標準煤），相應減少了相當于372 噸的碳排放。

隨著現代科學技術迅猛發展和節能環保要求的日益提高，暖通空調系統的節能技術應用手段越來越多。根據工程項目的實際情況和條件，需要采用合適的節能技術。任何一項新技術新手段的應用，都需要綜合考慮技術經濟因素，權衡利弊，一味地為了迎合潮流而盲目堆砌概念，可能對會適得其反。但作為暖通行業的從業工作者，非常有必要和義務將節能的理念深入到我們的設計工作中，積極主動地探索實踐，與時俱進，為人類社會的可持續發展盡自己的努力。

[1]GB 50736-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[2]DGJ8-107-2012.公共建筑節能設計規范[S].