上海某展館空調冷熱源的改造方案

湯國芳

上海聯(lián)創(chuàng)設計集團股份有限公司 上海 200093

1、項目背景及工程概況

展館建筑面積98051平方米，其中一號樓建筑面積88067平方米，總高度40米，地上部分62214平方米，主要功能為展廳、影院等；地下部分25853萬平方米，主要功能為商店、展廳及設備輔助用房等；二號樓建筑面積9984平方米，地上主要功能為會議室、辦公室及鍋爐房等；地下一層主要功能為制冷機房等設備用房。

展館18年的不間斷運行，使建筑物內外不可避免地出現(xiàn)了老化問題，設備設施大部分已經超過或接近使用壽命，部分元件失效，設備故障率高，且缺乏功能上的先進性，需要對展館進行整體更新改造。

本文主要分析1號樓的空調冷熱源運行現(xiàn)狀，從實際運行需求出發(fā)，提出空調冷熱源改造方案，滿足現(xiàn)行節(jié)能、環(huán)保規(guī)范及達到改造建筑綠建評星相關要求。

2、冷熱源的現(xiàn)狀

2.1 冷熱源介紹

展館1號樓采用4臺制冷量550RT雙工況螺桿式制冷機組+10套鋼盤管冰槽（每套蓄冰量924RTH）供冷。設備均位于2號樓地下一層制冷機房內。與制冷機組匹配的4臺冷卻塔，位于2號樓四樓平臺。空調冷凍水系統(tǒng)為二次泵定流量系統(tǒng)，通過天橋供給1號樓。

供暖系統(tǒng)采用兩臺2960kW和一臺1172kW的燃氣承壓熱水鍋爐（1號樓、2號樓共用），供回水溫度為95℃/70℃，額定熱效率為90%。

2.2 存在的問題

（1）原雙工況制冷機組所采用冷媒R22為非環(huán)保冷媒。

（2）雙工況制冷機組COP不滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范。《上海市公共建筑節(jié)能設計標準》（DGJ08-107-2015) 規(guī)定名義制冷量大于1163kW的螺桿式冷水機組COP不低于5.6。

四臺制冷機組同一型號，制冷工況額定 COP 為 5.3，低于規(guī)范要求；蓄冰工況額定 COP 為 3.4。

根據(jù)2016年制冷機組的運行數(shù)據(jù)記，計算出夏季某日各冷機的COP，從下表可以看出 4 臺冷機的性能較差，COP 遠遠沒有達到額定值。率 79.4%。說明夜間蓄冰量不足，沒有充分利用蓄冰體。

圖2 逐時供冷量及蓄冰量變化

圖1 典型日制冷及蓄冰工況下冷機COP

（3）夜間蓄冰量不足，沒有充分利用蓄冰槽。

冰槽蓄冰量采取液位計測量，液位計長時間使用，精度降低、誤差較大，導致實際蓄冰量沒有達到設定值時，提前結束蓄冰。從制冷機房運行記錄上看，蓄冰結束時間在2：30～4：30，對谷電時間利用不充分，沒有將蓄冰系統(tǒng)的經濟優(yōu)勢發(fā)揮到最大。

分析2016年全年的運行記錄，可以得到逐日供冷量及蓄冰量，如圖2 所示。供冷季平均蓄冰量為 4604RTh，遠低于設計值9240RTh。全年冷負荷轉移率為 39.3%，遠低于最大年冷負荷轉移

（4）據(jù)物業(yè)人員反映及運行記錄顯示，夏季供冷的運行策略是：先融冰供冷，融冰結束后，開啟雙工況制冷機組單獨供冷。當8：00～18：00室外平均溫度高于34℃時，14：00左右融冰結束，這時開啟主機供冷，14：00～15：00一般是尖峰負荷出現(xiàn)的時刻，很難滿足負荷需求，出現(xiàn)供冷不足的現(xiàn)象。

（5）蓄冰槽保溫材料老化，出現(xiàn)外表面結露現(xiàn)象；冰槽底部基礎、冰槽外表面金屬構件銹蝕嚴重。兩套冰槽鋼盤管銹蝕，乙二醇溶液泄漏，2018年底更換成兩套塑料盤管冰槽（每套蓄冰量924RTH）。

（6）冷卻塔設備老化嚴重、故障率高。

（7）鍋爐熱效率不滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范，《上海市公共建筑節(jié)能設計標準》（DGJ08-107-2015) 規(guī)定額定熱功率小于等于1.4MW的燃氣鍋爐額定熱效率不低于90%；額定熱功率大于1.4MW的燃氣鍋爐額定熱效率不低于92%。從2016年1月30日到2月4日鍋爐房運行記錄上的數(shù)據(jù)分析，鍋爐實際熱效率只有81.8%，遠低于規(guī)范值，且低于額定值。

（8）鍋爐煙囪排放標準不滿足現(xiàn)行規(guī)范。

3、冷熱源改造方案

3.1 冷熱負荷計算值

室外空氣計算參數(shù)、室內空調設計參數(shù)根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》(GB50736-2012)進行調整，并根據(jù)圍護結構參數(shù)的調整，重新計算空調冷熱負荷。

最大小時冷負荷為10400kW（2957RT），設計日總負荷為101068kWh（28737RTH）；熱負荷：5165kW。

3.2 冷源改造方案

上海峰谷電價差距明顯，峰電價約為谷電價的3.3～4.2倍，詳見表1，采用冰蓄冷具有明顯的經濟效益，所以1號樓冷源改造方案仍采用冰蓄冷系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)狀存在的問題及冷負荷計算值，優(yōu)化雙工況制冷機組及冰槽的配置。

表1 上海峰平谷電價

（1）設備配置

通過公式1計算得出雙工況制冷機組制冷量為1890RT，根據(jù)公式2及制冷量1890RT，得出制冰量為1129RT。

式中 qc——制冷機的標定制冷量（空調工況），kW;

Q——設計日冷負荷，kWh;

n2——白天制冷機在空調工況下運行小時數(shù)，取10h;ni——夜間制冷機在制冰工況下運行小時數(shù)，取8h;cf——制冷機制冰時制冷能力的變化率，取0.65;

本次大修變壓器不做調整，制冷機組臺數(shù)只能是偶數(shù)，且采用環(huán)保冷媒的雙工況機組制冷量一般在600RT以上，故采用兩臺制冷量960RT的雙工況離心式變頻制冷機組（制冷工質R134a），單臺機組的最大制冰量為661RT。

空調冷源采用雙工況主機上游、蓄冰裝置下游的串聯(lián)循環(huán)流程，內融冰盤管采用不完全凍結式，可以保證主機制冷后再經過盤管冰槽的乙二醇溶液出口溫度穩(wěn)定在3.5℃，主機置于循環(huán)回路的上游，提高了主機的蒸發(fā)溫度，同時提高了主機的效率。末端供回水溫度為4.5℃/14.5℃，如將主機乙二醇回液溫度定為12℃，主機會因溫差大而流量小導致制冰不均勻，將乙二醇溶液回液溫度定為11.5℃。兩臺雙工況離心式變頻制冷機組在空調標況下（供回液溫度7/12℃）制冷量為960RT，當回液溫度為11.5℃時，雙工況主機的實際制冷量為946RT。

國標工況COP為6.3，運行工況75%負荷時COP為7.7，50%負荷時COP可達到11.41。制冰工況時，供回液溫度為-2.14/-5.6℃ ，冷卻水溫為30/33.6℃，COP為4.0。

對設計日主機供冷量和融冰供冷量進行逐時分配，主機供冷量均為1892RT，根據(jù)逐時冷負荷確定融冰供冷量。設計日所需最小總融冰供冷量為9817RTH。

為保證冰槽間阻力相同且蓄冰融冰速率相同，將原8套鋼盤管冰槽更換為n套924RTH的塑料盤管冰槽，根據(jù)雙工況主機的制冰量，并考慮10%的冰槽余量，確定n為10.6套。因制冷機房有冰槽擴容的條件，可將原8套冰槽更換為11套924RTH的塑料盤管冰槽，擴容18%（2018年更換的兩套保留）。雙工況主機與冰槽的配置能提供的實際制冰量為10576RTH，與設計日所需最小總融冰供冷量相比，有759RT的富余量，可減少雙工況制冷機組白天供冷量。蓄冰率（蓄冰量與空調日負荷之比）約為36.8%，小時最大融冰率為14%，冷源調整配置后可提供的最大小時供冷量為3372RT。

根據(jù)冷水機組的變化重新配置冷卻塔容量，并根據(jù)屋面通風條件合理布置冷卻塔基礎。

從2號樓制冷機房出來的冷凍水通過天橋輸送到1號樓，系統(tǒng)作用半徑較大、設計水流阻力較高，采用變流量二級泵系統(tǒng)，二級泵設置在1號樓地下室，將二次泵更換為變頻泵。

（2）運行策略調整

設計日系統(tǒng)逐時運行策略為融冰與主機聯(lián)合供冷，當8：00～18：00雙工況主機滿負荷供冷時，蓄冰量有759RT的富裕量，因8：00～11：00為峰值電價，在這個時段減少主機供冷量，增加融冰供冷。詳見圖3。

圖3 設計日運行策略圖

部分負荷時，按照融冰優(yōu)先的模式進行，即每個小時的融冰量相等，當負荷高于平均融冰量時，雙工況主機開啟；當負荷低于平均融冰量時，雙工況主機停掉。最大限度地減少主機在電力高峰期的運行時間，從而減少系統(tǒng)的運行費用。實現(xiàn)方法：將主機回水溫度設定在6.3℃（根據(jù)乙二醇流量，冰槽出口乙二醇溫度3.5℃及平均融冰量確定），當主機回水溫度高于6.3℃時，雙工況主機開啟，主機和蓄冰槽聯(lián)合供冷；當主機回水溫度低于6.3℃時，主機停掉，蓄冰槽單獨供冷。

3.3 熱源改造方案

上海《鍋爐大氣污染物排放標準》DB31/387-2018規(guī)定，鍋爐煙氣氮氧化物排放限值為50mg/m3。降低氮氧化物排放的方式有兩種：（1）僅更換燃燒器，換成低氮燃燒器；（2）鍋爐整體更換，換成低氮鍋爐。

本項目的鍋爐為進口品牌，維保做的也非常好，運行相對穩(wěn)定，但已運行近18年，鍋爐熱效率已有明顯衰減，如僅更換燃燒器，還會因降低爐膛溫度，鍋爐能效更低。為保證展館接下來10～15年安全穩(wěn)定運營，且大修時吊裝孔打開，有運輸條件，所以本次改造采用鍋爐整體更換的方式。

兩臺2960kW的鍋爐更換為兩臺2800kW燃氣承壓熱水鍋爐，原一臺1172kW的鍋爐更換為一臺350kW燃氣承壓熱水鍋爐。供回水溫度為95/70℃，設備承壓：1.0MPa，鍋爐效率不小于92%。熱帶雨林冬季夜間供暖時，僅開啟350kW的鍋爐。

4、小結

20年前的建筑大多面臨機電設備老化、耗能不斷增加等現(xiàn)狀，需要改造更新。希望通過本項目冷熱源改造方案的介紹，對類似項目的改造有所借鑒。改造設計主要注意事項：

（1）對原設計圖紙、現(xiàn)場做全面細致的摸底；

（2）了解設備的運行現(xiàn)狀，對運行記錄中一些必要的數(shù)據(jù)進行整理、計算分析；

（3）結合現(xiàn)行規(guī)范、甲方需求及施工可行性，確定改造方案。