中央空調高能效制冷站系統設計的三點體會

梁德文 ，張斯雅

（1. 廣東南海國際建筑設計有限公司，廣東省佛山市 528000；2. 廣東省制冷學會，廣東省廣州市 510080）

0 引言

中央空調系統在提供舒適環境的同時，也成為了建筑中的能耗大戶。廣東地區采用中央空調系統的公共建筑，空調系統的能耗約占建筑總能耗的30%～60%，對建筑環境舒適性要求高的商場、酒店的空調系統能耗占建筑總能耗的60%以上。而制冷站系統能耗占集中空調系統能耗的60%～90%。因此，提升中央空調制冷站系統的能效對降低建筑的能耗，實現建筑節能有明顯的作用，為碳達峰、碳中和出一份力。

作為設計環節的一線設計師，筆者將以佛山某綜合體項目的設計為例，對中央空調高效制冷站設計中所遇到的難點、重點以及采用的設計技術進行歸納、總結、分享，以供參考。

中央空調高效制冷站其實不僅限于“冷水機房”，而是整個中央空調系統的高效設計，我們在佛山某綜合體項目設計過程中總結出三項重點難點：

空調系統設備優化選型，包括冷水機組、水泵、冷卻塔，采用高能效設備是系統達到綜合能效最佳的前提；

空調水系統管網優化設計，盡可能降低管網阻力，降低水泵揚程，減少水系統輸送動力能耗；

空調制冷站系統控制深化設計，實現冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機等主要能耗設備的精確、高能效運行。

1 空調系統設備優化選型

1.1 冷水機組優化選型。

本項目根據全年逐時冷負荷需求模型進行分析，結合節能控制系統運行策略，為本項目比選綜合能效較佳的主機組合形式，最終選用2×1000RT變頻離心式冷水機組+1×500RT變頻離心式冷水機組。設備選型時選用超高效冷水機組，名義工況的參數值須高于《公共建筑節能設計標準》GB/T 50189和《綠色建筑評價標準》GB/T 50387要求：

1000RT變頻離心式冷水機組：

COP=6.05＞5.9×0.93×1.06（綠建要求提高6%），

500RT變頻離心冷水機組：

COP=6.47＞5.7×0.93×1.06（綠建要求提高6%），

冷凍水供回水溫度：7-12℃，冷卻水供回水溫度36-31℃。冷卻水溫度對應是冷水機組的冷凝溫度，對于離心機組，根據理論循環溫熵和壓焓分析，冷卻水溫度小范圍的變化，其通過自身調節，保證制冷量不變，且冷卻水溫度降低時，制冷量不變，壓縮功減少，耗電量減少，從而提高COP。本案例采用冷卻水進水溫度降低1℃，主機COP相對37-32℃工況提高約3%。

蒸發器水阻力：≤60kPa，高能效的冷水機組，在某一確定系列機型，其換熱器越大，蒸發器、冷凝器阻力越低。

1.2 水泵選型優化。

本項目處于夏熱冬暖地區，水泵的能耗在典型公共建筑空調能耗中，約占15%，其能耗用于克服管道阻力，因此，水泵的化應結合管網系統和設備效率來考慮。

1）優化水系統阻力，降低水泵揚程。

關于管網部分，詳見本文“二、空調管網優化設計”。主機與水泵一對一連接，可減少部分蝶閥、過濾器以及合流三通；冷卻塔盡量靠近機房放置，縮短冷卻水的長度，有助于降低冷卻水泵揚程。

2）選用效率大于80%的水泵、冷卻水泵。

3）冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻控制。由于泵與風機的比例定律，

式中N——轉速為n時，泵的功率，

N1——轉速為n1時，泵的功率。

水泵功率與頻率的3次方成正比，空調系統處于部分負荷時水泵變頻可大幅度減少空調系統輸送動力能耗。本項目為一次泵變流量系統，冷凍水泵根據壓差信號變頻運行，通過降低頻率，可大幅度減少空調系統輸送動力能耗。但需注意的是，由于冷卻水流量和水溫影響主機COP，故冷卻水泵在部分負荷時不一定節能，只有冷卻水泵功耗在機組的綜合性能系數中的比重較大時，變頻采用節能效果。

1.3 冷卻塔選型優化。

雖然冷卻塔只有風機部分直接產生能耗，但上文提及到冷卻水對主機COP的決定性作用，因此，冷卻塔的優化選型非常關鍵。

本項目的優化措施：

1）降低冷卻塔塔體揚程。冷卻塔布水器與集水盤液面高度之差即塔體揚程的大小，直接影響到冷卻水泵揚程的大小，因此設計時盡量選用塔體揚程小的冷卻塔。

2）冷卻塔風機變頻。本項目所采用的5臺名義冷卻水流量為425m3/h的冷卻塔運行在50Hz時，單臺風量為280000m3/h，用電量18.5kW。與傳統的單機對單塔運行方式相比，若5臺冷卻塔變頻運行 在30Hz時，總 風 量3×280000=5×16800=840000m3/h 不變，換熱面積5:3增大了67%有利于降低冷卻塔進出水溫度，5臺塔的總用電量總用電量19.98kW:55.5kW節電64%，且低頻狀態下冷卻塔風機低速運行，噪音明顯降低。

3）采用變流量噴灑技術。常規冷卻塔在低水量時布水不均，循環水量變小時噴淋面積變小導致換熱面積浪費。采用變流量噴灑技術的冷卻塔，確保30%～100%循環水量時均能實現均勻布水，有效降低冷卻塔進出水溫度，實現主機能效提升。

4）嚴格要求冷卻塔的填料換熱面積，確保冷卻塔熱交換能力。關于冷卻塔的選型部分設計師存在一個誤區，為了確保冷卻塔的冷卻效果把冷卻塔選型放大，經常看到冷卻塔的水流量是主機冷卻水流量的1.5倍甚至更大，看起來“冷卻效果”很有保障，但若單位流量的填料面積不足，也無法起到充分散熱，反而引起冷卻水溫度偏高，主機能耗增加，甚至無法開機。冷卻塔熱交換能力的關鍵是風量和換熱面積，設計時可參考表1對冷卻塔填料換熱面積作要求。

表1 冷卻塔每噸冷卻水填料換熱面積m2

5）為盡可能提高主機的COP，冷卻塔進出水溫度分別選取35.5-30.5℃，36-31℃進行擺放位置的論證。

本項目采用35.5-30.5℃塔體的面積為36-31℃的1.1倍，結合屋面擺放冷卻塔的位置，

最終確定冷卻塔每噸冷卻水可配置8.3m2填料換熱面積，冷卻水進出水溫度可達到36-31℃。若冷卻塔擺放空間足夠，且通風條件允許時建議增加填料換熱面積以降低冷卻塔進出水溫度。

2 空調水系統管網優化設計

2.1 采用低流速確定機房內水管管徑。

機房內設備、管件種類與數量較多，局部阻力為主要的管道阻力，管道局部阻力

⊿pj——局部阻力，pa；

ρ——水的密度，1000kg/m3；

υ——水的流速，m/s。

根據以上公式，建議采用≤1.5m/s管內低流速來確定機房內的水管管徑，不建議采用經濟比摩阻≤100pa/m的方法。

2.2 選用低阻力閥件和避免重復設置閥。

常規Y 型水過濾器阻力一般10～30kPa，選用水阻小于5kPa的籃式過濾器可有效降低水系統阻力。水泵入口還可以選擇直角式過濾器，連接水平管和豎向管道，節省一個彎頭及其阻力損失。常規止回閥為蝶式止回閥，阻力一般10～20kPa，建議選用水阻小于5kPa的靜音式止回閥可有效降低水系統阻力。

2.3 接管低阻力設計。

統一水泵進出水口與主機進出口的安裝高度，使主機與水泵水平對接，直進直出可避免多個彎頭。機房內水管路設置彎頭時應減少直角彎和直三通，盡量設置順水彎頭和斜三通，前者的局部阻力是后者的1.5倍或以上。此外，取消落地式分集水器可減少彎頭數量。

圖1 冷水機房局部接管剖面圖

2.4 冷水干管低阻力設計。

式中

⊿P1——管徑為d1時，單位流量所產生的阻力；

⊿P2——管徑為d2時，單位流量所產生的阻力。

根據以上公式可知，相同流量時，管道的阻力與管徑的反比的5次方，采用DN300的管徑取代DN250，管路阻力減小60%，因此，適當增大干管的管徑，有助于降低管道的阻力。

2.5 選用低水阻空調末端。

末端選型時選用低水阻空調機組，盡可能降低水系統管網阻力。組合式空調機組和柜式空調機組水阻力控制在50kPa以內，風機盤管水阻力控制在30kPa以內。

3 空調制冷站系統控制深化設計

前面所提到設備選型和管網優化設計是中央空調高效冷水機房的硬件部分，群控系統則將這些設備的控制信號與接點，以及通過一定邏輯的控制策略，實現智能、高效地運行，并且記錄運行所需的一切必要數據。

節能控制系統是整個中央空調系統不可或缺的大腦，充分發揮中央空調系統綜合部分負荷的最優能效，達到全年中央空調系統的制冷機房系統高效運行效果。目前各大空調主機廠家或集成商均有推出節能控制系統，各自算法及策略有所不同，但控制系統的目的都是確保系統性能系數最高( 即系統整體能耗最低)。在設計階段，需要明確和強調實現高效運行的機房群控須包含以下功能：

● 冷水機組啟停，加減機組的控制；

● 冷凍水出水溫度重新設置控制；

● 冷凍、冷卻水泵啟停、臺數及頻率控制；

● 冷卻塔風機啟停、臺數及頻率控制；

● 自動采集冷水機組、水泵、冷卻塔的監測數據：電量、流量、能量、冷凍冷卻水供回水溫度、室外干濕球溫度等值，用于計算并在人機界面顯示年度、季度、月以及當日運行能效；

● 根據《集中空調制冷機房系統能效檢測及評價標準》DBJ/T15-129中的要求，明確所用的儀器儀表的精度。

結 語

要實現中央空調制冷站系統高能效運行，精細化設計、高性能設備、高精度測量、全過程監造、數智化運維，而這五個因素，缺一不可。目前行業仍處在在設計標準、建設標準、驗收標準均不完善的階段，作為設計師，有必要在設計階段，充分對實現系統高能效運行，在現行的設計規范和標準的基礎上，須提出更精細、更明確的要求：

1. 采用高能效制冷設備，高效率輸送設備；

2. 精細化進行水系統管網計算和設計；

3. 對制冷站中的機房群控進行必要的學習，并對實現高效運行、管理與調適所需的測量點、數據做出明確要求。

為中央空調高能效制冷站系統的最終達成打下堅實的基礎，保障項目集中空調系統實現高能效運行。