某綜合樓制冷系統高效改造

廣汽本田汽車有限公司 林偉江 嚴順照 范海泉 孟 晶 區海宇 范一格

0 引言

空調制冷系統是營造舒適辦公環境必不可少的重要組成部分，同時也是能耗大戶。本文以廣汽本田汽車有限公司增城工廠綜合樓制冷系統改造為例，通過現場實地考察、分析診斷，介紹如何因地制宜地進行系統節能改造，以期為制冷系統節能改造提供參考性的建議。

1 項目概況

改造項目位于廣東省廣州市增城區，綜合樓內建有展廳、更衣室、飯堂、會議室、辦公區、文體中心等多個場所。冷源為風冷螺桿機組和冷水泵組成的集中空調系統，末端設備主要為組合式風柜及水冷式盤管風機，總供冷面積為8 243 m2。空調冷源系統如表1所示，共包含3臺風冷螺桿機組，總裝機容量為3 400 kW，設計供水溫度為7 ℃，回水溫度為12 ℃。系統配備冷水泵4臺，三用一備。

表1 綜合樓冷源系統設備參數

系統設備均未配置變頻調節裝置，均由人工啟閉及調節。項目團隊于2019年供冷季對綜合樓制冷系統進行了分析診斷，對末端需求進行了更新統計，進而提出了有針對性的節能改造建議，以達到在提升末端場所環境舒適度的同時降低系統運行能耗的目的。

2 系統能效分析

該綜合樓制冷機房于2006年投入使用。到目前已使用14 a，主機供冷能力有所下降。項目團隊對機房設備進行了現狀摸底及能效檢測，情況如下：

1) 主機能效低。主機采用風冷螺桿制冷機組，名義制冷量為1 140 kW，額定功率為388 kW，COP為2.94。每臺主機均設有2個制冷模塊，3臺主機組合成主副機系統，當檢測到出水溫度過高時自動增加系統投入，出水溫度過低時自動退出運行。主機雖均執行了月度、季度、年度保養，但由于使用年限已久，整體老化嚴重，尤其是冷凝器部分，主要體現在散熱不良、肋片穿孔及機組表面生銹，導致制冷量及制冷效率均下降，工作可靠性降低，運維成本增大。第三方的檢測結果顯示，1#風冷主機能效為1.93，低于GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能源效率等級》標準要求的3級能效。

2) 冷水泵能效低。冷水泵電動機型號為YL200-4，由于其導磁材料使用熱軋硅鋼片，能耗高，能效等級不滿足GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中的3級能效標準，屬于《高耗能落后機電設備(產品)淘汰目錄(第二批)》中要求強制淘汰的產品。

3) 主機、冷水泵均不具備變頻調節功能。系統設計供/回水溫度為7 ℃/12 ℃，溫差為5 ℃，但在供冷季清晨、凌晨時段系統的供回水溫差常常低于2 ℃，表明系統存在“大馬拉小車”的現象，造成能源浪費。

4) 系統缺乏計量器具。系統只在配電房配電柜配備機械電表，精度低且無遠程通訊功能。站房內沒有配備冷量計，無法對站房效率進行統計分析。

根據目前已知數據得出，冷源系統整體能效EER約為1.50，遠低于廣東省標準DBJ/T 15-129—2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》中對于額定制冷量≥1 758 kW制冷系統能效大于3.5的要求。

3 改造需求分析

項目團隊通過長期的運行記錄及現場實際需求分析發現，供冷季綜合樓有持續供冷需求的場所為更衣室、展廳、飯堂，合計供冷面積為4 603 m2，為總供冷面積的55.8%，而且供冷需求時間段各不相同。為滿足末端用冷需求，制冷系統需24 h開啟。綜合樓制冷系統夏季日負荷如圖1所示。日冷負荷最高峰出現在15：00—18：00，可達1 230 kW；冷負荷低谷出現在22：00—23：00，其值為200 kW左右。

圖1 綜合樓夏季逐時冷負荷

在該種供冷需求下，目前供冷系統的開機模式為：10：00—20：00開2臺風冷主機，20：00至次日10：00開1臺風冷主機，可以滿足日常供冷需求。設置出水溫度后風冷主機系統根據水溫判斷模塊運行數量，但由于缺乏變頻及機組可靠性差，主機端出水溫度波動大，導致末端環境溫度波動大，舒適性較差。因此，綜合末端用戶的改造需求和運維人員的運行需求，以及考慮到改造制約因素，對機房的改造提出以下要求：

1) 機房全年平均能效達到廣東省標準DBJ/T 15-129—2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》2級以上標準，即不低于4.1；

2) 系統需配備自動啟停、變頻調節、云端監控、日程設置、遠程操作的功能，減少運維人員的管理成本；

3) 設備需采用節能產品，兼顧節能及維護便利性。

綜上，結合機房運行現狀及末端用戶需求，綜合樓制冷站房改造將側重于節能高效、自動化的特點來進行設計。

4 機房改造優化

4.1 改造內容

由于風冷主機能效較低，耐久度一般，不滿足機房節能高效的改造需求，項目改造時將風冷主機系統改造成水冷主機系統，并配備相應的冷卻水泵及冷卻塔。考慮到綜合樓最大冷負荷與常用冷負荷之間有較大差距，從投資效益最大化角度考慮，主機容量按照常用冷負荷選取，供冷量大時采用風冷主機及水冷主機聯供的方式運行。

4.2 機房布置優化

機房改造最大變化點為風冷主機系統改為水冷主機系統，水冷主機需放置在室內，新增冷卻塔需放置在室外。在進行結構核算后，拆除了1臺風冷主機，利舊其混凝土基礎安裝冷卻塔，冷卻水泵配備在冷卻塔旁，新增冷卻水管道；水冷主機則設置在設備間內，冷水泵在原位置進行更換，新增水冷主機的進出口冷水管接至原有冷水管道。

4.3 設備選型優化

1) 主機。通過對綜合樓現有供冷需求的分析可知，全年冷負荷基本在1 400 kW以下，主要運行負荷區間為700～1 000 kW，夜間最低負荷降至350 kW以下。按照以往經驗，1 400 kW以上供冷需求很少(全年不足20 d)，考慮到整體運行效率及投資效果，主機選用1 400 kW變頻離心機，名義工況下滿載COP為6.40，IPLV為8.17，在1 400 kW以上負荷段，采用水冷主機與風冷主機聯供的方式，水冷主機與風冷主機互為備用。

2) 冷水泵。由于自投運以來末端管路及設備基本保持一致，在水泵選型時保持水泵功率30 kW不變，經測量及復核優化后，水泵揚程選用31 m，流量選用245 m3/h。水泵電動機配備變頻器，能效滿足GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中的2級能效標準。

3) 冷卻水泵。通過對冷卻塔及主機擺放位置的優化，減少管路長度及彎頭，從而減小冷卻水泵的選型規格，最終選用的水泵的功率為22 kW，揚程為23 m，流量為310 m3/h。水泵電動機配備變頻器,能效滿足GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中的2級能效標準。

4) 冷卻塔。冷卻塔在原有風冷主機的基礎上澆筑水泥支墩后安裝，由于受高度限制，同時不能與天面人行道、既有管道相互干擾，因此對冷卻塔尺寸進行額外要求。冷卻塔進/出水溫度設計為35.5 ℃/30.5 ℃，冷卻水量為152 m3/h，濕球溫度為28 ℃，冷卻塔共設置2臺，均配備變頻器。

在設備的選型過程中，通過對制冷機房的整體優化設計，有效地減小了水路阻力，從而降低了水泵規格，減少初投資的同時減少了后續的運行費用及運維成本。機房改造前后單個制冷單元的設備功率變化及占比如圖2所示。雖然增加了冷卻水泵及冷卻塔，但整體電功率下降124 kW，與原風冷主機系統相比下降約29.6%。主機、水泵、冷卻塔均可變頻調節，安裝的電動閥、冷量計、溫度傳感器、壓力傳感器、室外溫濕度傳感器為自動化運行調節提供了硬件基礎。

圖2 改造前后各類型設備電功率變化及占比

4.4 軟件系統

為了兼顧運行節能、便利、舒適性，該制冷站房配備了軟件系統，帶有監控調節功能。軟件功能如下：

1) 收集現場管路設備、計量器具、電動附件的信號，在監控界面上顯示具體信息；

2) 配備日程管理、遠程啟停、自動管理、數據記錄及分析、報警功能；

3) 內置運行邏輯，通過對比溫度、壓力等參數的實際值與預設值的差值來進行頻率、臺數的調節。

機房硬件、軟件完成安裝調試后，系統已具備全自動運行能力，但要達到進一步的節能高效，運行參數還需不斷調試完善。該系統主要通過溫度、壓力來進行主機、水泵、冷卻塔的變頻控制及臺數控制。通過一段時間的調試，系統優化后的運行參數及邏輯如下：

1) 主機出水溫度設置。雖然主機設計進/出水溫度為7 ℃/12 ℃，但對于主機而言，提高冷水出水溫度可以提高主機運行COP，因此，項目團隊對主機出水溫度及現場舒適度進行了測試，通過試運行期間調整主機出水溫度，并對飯堂、展廳、更衣室等場所的溫度進行監測，同時開展用戶調查，最終確定夏季出水溫度基準值為10.5 ℃，滿足現場舒適度要求的同時也有一定調節余量。同時根據室外溫度及濕度進行賦值調整(濕度越高、氣溫越高，出水溫度越低)，整體出水溫度在9.5～12.0 ℃之間。

2) 冷水泵頻率調節。改造后，日常運行只需開1臺冷水泵，冷水泵運行頻率與冷水主管壓差直接相關，而壓差與末端設備的開啟臺數有關。根據運行規律調查顯示，供冷季各個時間段末端設備開啟臺數基本固定，因此設定4種壓差調節方案，根據每天不同時間段自動跳轉，分別對應凌晨、早晨、中午、下午、傍晚、晚上6個時間段。冷水泵頻率根據壓差值進行調節。

3) 冷卻塔及冷卻水泵頻率調節。冷卻塔設計選型的逼近度為2.5 ℃，系統運行時逼近度設定為3 ℃。根據夏季室外溫度調整冷卻水供回水溫差，室外溫度越高，冷卻水溫差越小，冷卻水溫差基本控制在4～5 ℃之間。根據逼近度、供回水溫差調節冷卻塔頻率、臺數及冷卻水泵頻率。

4) 蓄冷模式。蓄冷模式主要用于系統冷負荷低、主機負荷率低的工況，多出現在夏季凌晨或過渡季節的早晨和傍晚。以夏季為例，凌晨只有飯堂后廚使用風柜，主機負荷率一直低于50%，系統在制冷主機負荷率低于40%時進入蓄冷模式，出水溫度達到9 ℃后關閉制冷機，只保留冷水泵低頻運行，當主機出口處水溫高于17 ℃時，主機重新啟動制冷，一直循環。雖然進入蓄冷模式后主機不運行，系統能效為0，但節能率非常可觀。過渡季某日蓄冷模式下站房用電量如圖3所示。

注：方框內為蓄冷模式。圖3 蓄冷模式下站房用電量

軟件系統投運后系統實現全自動運行，調適后的參數設置滿足綜合樓各場所的供冷需求。

5 改造效果

機房改造后于2020年7月中旬投入運行，運行以來制冷站房EER、節能量(相比去年同期)、節能率如表2所示，達到了預期投資效果。

表2 改造后綜合樓冷源系統節能效果

在機房建成投運初期，系統沒有運行蓄冷模式，夏季系統單日EER可達5.5以上，但凌晨時段能源利用率太低，因此引入了蓄冷模式。雖然沒有主機冷量輸出會導致系統EER為0，但實現了系統在低負荷工況下的效率最大化。機房引入自控系統后，系統全自動運行并自動抄表，運維人員無需到現場開關機及調節運行參數，工時縮減100%，極大地減小了運維壓力。

6 關于制冷機房改造的幾點思考

經過本次制冷站房的改造及參觀其他優秀項目，總結了幾點經驗與思考，見表3。

表3 制冷機房改造經驗與思考

本次項目只完成了機房內的改造，結合此前進行的更衣室風機盤管控制系統改造，有較好的聯動控制效果，但該系統仍有以下4個方面可以挖掘：1) 末端設備換熱效率低，冷量利用不充分；2) 末端大部分調節閥已無法動作，造成浪費；3) 現場均為人工控制開關及進行溫度調節，可能造成冷量浪費；4) 水冷主機與風冷主機并聯運行困難，主機制冷量余量小，可能無法滿足冷量高峰需求。

制冷機房只是制冷系統的重要組成部分，提高末端的冷量使用效率，減少不必要的浪費才能使整體系統效率最大化，因此項目團隊仍需繼續推進二期改造項目。

7 結語

本次舊改項目精準把握用戶需求，在機房設備老舊化更新的同時，借助高效機房深化設計技術及自動化技術，實現了機房運行的自動化、高效化。相對于新建機房，舊改機房項目受現場制約因素多，無法做到十全十美，最關鍵的還是要圍繞現場使用實際需求及考慮未來變更方向，因地制宜地進行改造。體量大、難度大的項目，亦可以分期推進，設定階段性的目標，做到一次規劃、分步實施、全局最優。