某大型數(shù)據(jù)中心配套建筑冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王桂坤

(中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

1 工程概況

某大型數(shù)據(jù)中心位于東莞市，配套設(shè)置兩棟研發(fā)辦公樓，一棟宿舍樓和一棟食堂，總建筑面積為6.8×104m2。辦公、住宿及餐廳采用集中冷站作冷源，末端采用風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)，夏季供冷冷媒為7～12 ℃冷凍水。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示[1-3]。

表1 舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 冷負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)建筑物空間布局以及實(shí)際使用特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，辦公、住宿及餐廳等區(qū)域夏季供冷總冷負(fù)荷為7 101 kW。

2.3 冷源及管網(wǎng)

供冷系統(tǒng)冷源由兩臺(tái)永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機(jī)組（單臺(tái)機(jī)組容量為700 RT）及一套冰蓄冷裝置（總蓄冰量≥7 800 RTH）共同提供。機(jī)組夜間制冰蓄冷（-2～-5 ℃ 25%乙二醇溶液），白天空調(diào)工況供冷（5～11 ℃ 25%乙二醇溶液），與蓄冰裝置均通過(guò)板式換熱器制取7～12 ℃冷水。對(duì)應(yīng)設(shè)置4臺(tái)（3+1）乙二醇泵、3臺(tái)（2+1）冷卻水泵、4臺(tái)（3+1）冷凍水泵以及3臺(tái)板式換熱器，另外研發(fā)辦公樓屋頂設(shè)置兩臺(tái)開(kāi)式冷卻塔。

離心式冰蓄冷雙工況機(jī)組、制冰裝置、水源熱泵機(jī)組、水泵、板式換熱器以及軟化水處理裝置等均設(shè)置在研發(fā)辦公樓地下室內(nèi)。室外管網(wǎng)采用雙管制，直埋敷設(shè)接至宿舍樓及餐廳樓。

3 蓄冰系統(tǒng)

3.1 蓄冰方案比選

根據(jù)空調(diào)蓄冷運(yùn)行策略，冰蓄冷空調(diào)可選擇全量冰蓄冷和分量冰蓄冷兩種方案。其中，全量冰蓄冷方案是指非電力低谷段供冷時(shí)間內(nèi)所有冷負(fù)荷都由夜間低谷期蓄存冷量供應(yīng)。分量冰蓄冷方案是指非谷段供冷時(shí)間內(nèi)一部分冷負(fù)荷由夜間低谷期蓄存冷量供應(yīng)，另一部分啟動(dòng)冷水機(jī)組供應(yīng)。該種方案能在很大程度上減少冷水機(jī)組裝機(jī)容量及蓄冷設(shè)備的容積，因而經(jīng)濟(jì)性較好，但運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)于全量蓄冷要高。

為最大限度減少裝機(jī)容量，本方案擬采用分量蓄冷方案。該方案采用主機(jī)優(yōu)先運(yùn)行策略，即冷水機(jī)組作為白天基本負(fù)載供冷，不足部分由冰蓄冷進(jìn)行補(bǔ)充[4]。

3.2 設(shè)備選型

3.2.1 蓄冷主機(jī)

本系統(tǒng)蓄冰主機(jī)選用兩臺(tái)700 RT（空調(diào)工況）制冷主機(jī)，蓄冰工況制冷量為469 RT，蓄冰主機(jī)在夜間8 h蓄冰工況運(yùn)行，機(jī)組夜間蓄冷輸出冷量為469×8×2=7 504 RTH。

3.2.2 蓄冰裝置

雙工況主機(jī)夜間低谷電期間運(yùn)行制冰工況時(shí)制備的冷量通過(guò)載冷劑（25%體積比的乙二醇溶液）在蓄冰裝置內(nèi)與水發(fā)生熱交換，水凝結(jié)成冰，儲(chǔ)存在蓄冰裝置內(nèi)。在白天供冷時(shí)，同樣通過(guò)載冷劑，在蓄冰裝置內(nèi)與冰發(fā)生熱交換從而獲取冷量，并將冷量通過(guò)板式換熱器傳遞至空調(diào)冷凍水。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用蓄冰盤管，總蓄冰量≥7 500 RTH。

3.2.3 板式換熱器

此板式換熱器是將蓄冰系統(tǒng)中循環(huán)的乙二醇溶液與通往空調(diào)末端系統(tǒng)的冷凍水隔離，同時(shí)進(jìn)行低溫乙二醇溶液與冷凍水之間的熱交換，產(chǎn)生末端所需的冷凍水。換熱量為單臺(tái)雙工況主機(jī)的空調(diào)工況負(fù)荷（700 RT），冷側(cè)（25%乙二醇溶液）5/11 ℃，熱側(cè)（水）7/12 ℃，共安置3臺(tái)。

3.2.4 冷卻塔和水泵

根據(jù)所選主機(jī)的冷凝器流量和進(jìn)出溫度可知，冷卻塔流量為主機(jī)冷凝器流量的1.2～1.3倍。常用水泵包括冷凍水泵（板式換熱器與末端循環(huán)）和冷卻水泵兩種。

3.2.5 乙二醇水泵

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主機(jī)上游串聯(lián)單泵系統(tǒng)，蓄冰工況及融冰工況都由乙二醇水泵提供流量，因此其參數(shù)必須依據(jù)上述兩種工況下系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇最大值方可滿足系統(tǒng)的整體要求。水泵流量按主機(jī)蒸發(fā)器最大流量選型，同時(shí)考慮25%乙二醇水溶液的粘度系數(shù)1.08。由于在聯(lián)合供冷情況下乙二醇溶液流經(jīng)的設(shè)備及管路最多，因此在聯(lián)合供冷情況下水泵揚(yáng)程最大，即蒸發(fā)器、蓄冰裝置、板換乙二醇側(cè)（一次側(cè)5/11 ℃）以及相應(yīng)管道阻力之和。同時(shí)考慮到蓄冰及融冰的效果，水泵的流量及揚(yáng)程在上述計(jì)算參數(shù)基礎(chǔ)上略為放大[5]。

冰蓄冷系機(jī)房設(shè)備配置詳細(xì)見(jiàn)表2。

表2 冰蓄冷系機(jī)房設(shè)備配置

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.3.1 蓄冰系統(tǒng)投資分析

蓄冰系統(tǒng)主要包含板式換熱器、乙二醇泵、蓄冰裝置、乙二醇純?nèi)芤骸⒆詣?dòng)控制系統(tǒng)及相應(yīng)的管道與設(shè)備等，該系統(tǒng)投資估算如表3所示。

表3 蓄冰系統(tǒng)投資估算

3.3.2 電費(fèi)節(jié)約分析

本項(xiàng)目以東莞市大工業(yè)1～10 kV電價(jià)為計(jì)算依據(jù)，具體以實(shí)際實(shí)施政策為準(zhǔn)。電價(jià)政策如表4所示。

表4 東莞市工業(yè)電價(jià)

電價(jià)低谷段用兩臺(tái)700 RT的雙工況主機(jī)蓄冷（制冰工況為469 RT）蓄冷8 h，總蓄冷量為469×2×8=7 504 RT，所耗的電量為（2×377+2×55+2×22）×8=7 264 kW·h，電費(fèi)為7 264×0.170 1=1 235.6元。

白天運(yùn)行時(shí)，制冷量為700 RT的主機(jī)運(yùn)行效率約為90%，即630 RT，若白天制取7 504 RT的冷量，那么運(yùn)行開(kāi)機(jī)時(shí)間約為11.9 h。每小時(shí)所耗的電量約為433+75+55+22=585 kW。12個(gè)小時(shí)中，其中3個(gè)小時(shí)為電價(jià)高峰時(shí)間，電費(fèi)為585×3×1.091 1=1 914.9元；9個(gè)小時(shí)為平時(shí)段，電費(fèi)為585×9×0.680 5=3 582.8元。

故每天節(jié)約的電費(fèi)為3 582.8+1 914.9-1 235.6=4 262.1元，年運(yùn)行時(shí)間按270天計(jì)算，則每年可節(jié)約1.151×106元的運(yùn)行電費(fèi)。

3.3.3 投資回收分析

因建設(shè)冰蓄冷系統(tǒng)后可節(jié)省1臺(tái)700 RT的裝機(jī)容量，可降低主機(jī)、附屬設(shè)備及相關(guān)配電設(shè)施的投資額約為2.10×106元，減掉雙工況主機(jī)增加的投資，節(jié)約的投資約為1.80×106元。

4 結(jié) 論

本項(xiàng)目綜合考慮東莞氣候條件、電力資源及運(yùn)行需求，空調(diào)冷源采用分量冰蓄冷系統(tǒng)，如此不僅使電力負(fù)荷削峰填谷，提高發(fā)電設(shè)備的年利用率，而且也保證了制冷機(jī)組滿負(fù)荷高效率運(yùn)行，大大降低了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。本文針對(duì)夏季電力緊張地區(qū)供冷設(shè)計(jì)提出了一種切實(shí)可行的解決方案，對(duì)其他類似項(xiàng)目具有較高的參考價(jià)值。