某工廠冷卻工藝用中央空調高效機房方案選型設計

摘要：介紹了基于自然冷卻技術、變頻技術、水系統變流量技術的三種高效系統在某工廠冷卻工藝用中央空調高效機房中的應用，并詳細探討了高效機房的方案設計思路，為高效機房的設計提供了技術參考。

關鍵詞：高效機房;中央空調;自然冷卻;變頻技術

0 引言

中央空調系統的制冷機房是一個由多種設備組成且需協調運行的綜合體，中央空調高效機房通過對主機、水泵、冷卻塔、管路等設備進行系統化設計，采用最佳的運行策略綜合調控，從而實現系統的高效運行。

實現高效機房的前提是設計一個高效的節能系統，以北方地區中央空調機房為例，分別有基于自然冷卻技術、變頻技術、水系統變流量技術的三種高效系統。自然冷卻技術是利用冬季低溫環境，將冷卻塔的冷卻水直接供到板式換熱器，通過板式換熱器進行換熱置換出冷水，而無須制冷主機開機，冬季自然冷卻系統示意圖如圖1所示。

冷水機組變頻技術作為現在比較成熟的節能技術，已被廣泛應用。

一方面，在冷卻水溫降低的情況下，冷水機組變頻技術可有效降低冷水機組變頻電機的耗電量;另一方面，當制冷負荷降低時，電機負荷會自動調節，亦能有效降低電機耗電量。水系統變流量技術可根據實際負荷需求調節冷凍水泵的頻率以適應冷水流量的實際需求，實行按需配送，可有效降低水泵耗電量。

1 工程概述

某工廠位于山東省臨沂市，工藝生產線的換熱器有冷卻降溫需求，冷負荷為1 400 kW，冷水出水溫度為7 ℃，全年制冷。工廠的換熱器數量為200個，布置高度各有不同，最高點處約27 m，最長冷水循環水環路為600 m。本項目擬從高效機房綜合解決方案的角度，遵循技術先進、經濟實用、節能減排的原則，為客戶提供最優方案，使工廠生產線達到最佳經濟運行狀態。

2 方案說明

2.1 ? ?系統描述

因臨沂市的冬季氣溫較低，本著降低運行費用的目的，本項目的高效機房系統采用變頻螺桿式冷水機組系統、自然冷卻系統及水系統變流量技術相結合的形式。

該項目選擇3臺制冷量為770 kW的變頻螺桿式冷水機組，其中一臺機組作為備用，以保證在其他機組檢修或者出現故障時，整個系統能夠正常運行。選擇變頻螺桿機組的原因是在用戶側負荷變化時，機組電機頻率可隨負荷調節，當負荷下降時，電機的輸入功率降低，從而主機的能耗也會降低。

自然冷卻系統采用不銹鋼板式換熱器，在1月、2月、12月三個月份內，主機不運行，來自冷卻塔的冷卻水直接送至板式換熱器，通過板式換熱器置換冷水送至末端。自然冷卻系統開啟時，只有水泵和冷卻塔運行，主機不開機、無能耗，從而有效降低了整體能耗。

水系統變流量是指冷水泵、冷卻水泵采用變頻泵，在部分負荷運行的月份，采用水系統變流量技術，利用自控系統調整水泵的頻率，改變冷水與冷卻水的供給量，從而降低水泵能耗，大幅節省冷水泵和冷卻水泵的運行費用。

因本項目為工藝生產用，考慮到生產線連續運行，系統設置水箱一臺，內部設置隔板，將供回水分開。

2.2 ? ?高效機房主要設備選型

高效機房的主要設備明細及參數如表1所示。

2.3 ? ?系統流程

根據《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019—2015）[1]中9.9章節空氣調節冷熱水及冷凝水系統的指導措施布置系統流程，其中三臺冷水機組與一臺板式換熱器采用管路并聯的形式，系統流程圖如圖2所示。

從3月至11月，{5}板式換熱器兩側的循環管路關閉，不參與循環。冷卻水循環系統流程為：來自{6}冷卻塔的冷卻水經過{3}冷卻水循環泵送至{1}冷水機組的冷凝器，與冷凝器的高溫制冷劑換熱，冷卻水出水溫度提高，返回至{6}冷卻塔，水經過冷卻塔向空氣散熱，冷卻水水溫下降，再次經過{3}冷卻水循環泵，完成冷卻水循環。冷水循環系統流程為：來自用戶末端的冷水回水流至{7}回水箱，回水經過{2}冷水循環泵送至{1}冷水機組的蒸發器，與蒸發器的低溫制冷劑換熱，冷水溫度下降，然后送至{7}供水箱，經過{4}二次循環泵送到用戶末端，完成冷水循環。

在1月、2月、12月，因為環境溫度低于0 ℃，①冷水機組無須開機，開啟{5}板式換熱器兩側循環管路。循環流程為：{6}冷卻塔的冷卻水與外界低溫空氣換熱，產生低溫的冷卻水，經過{3}冷卻水循環泵送至{5}板式換熱器一次側，經過板式換熱器換熱溫度升高，返回至{6}冷卻塔，完成冷卻水循環。來自用戶末端的冷水回水經過{7}回水箱，經由{2}冷水循環泵送至{5}板式換熱器二次側，經過板換與低溫冷卻水換熱，冷水溫度下降，完成冷水循環。

3 高效機房經濟性分析

3.1 ? ?高效機房年運行費用概算

計算高效機房系統年運行費用的時候，按照每月的負荷和耗電量計算更加接近系統的真實運行情況，因此確定月平均冷卻水進水溫度和月平均負荷極為重要。結合自然冷卻月份（1月、2月、12月）和冷卻塔選型，將冷卻水進水溫度定為6.5 ℃，剩余9個月份根據當地的月平均濕球溫度和主機冷卻水溫度運行范圍確定冷卻水的進水溫度，月平均負荷由客戶提供，機組、冷卻塔、水泵在不同工況下的輸入功率均由所選設備廠家提供，年運行費用如表2所示。

3.2 ? ?初投資概算

根據具體選型結果對設備初投資進行概算，具體如表3所示。

4 結語

本文通過案例分析闡述了中央空調高效機房的理念，詳細論述了機房綜合性能系數與運行費用的計算方法。結合全文可以看出，中央空調高效機房在節能方面有著很高的經濟價值。在國家倡導碳達峰、碳中和的市場需求下，中央空調高效機房可作為有效的節能方案進行推廣。

[參考文獻]

[1] 工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范：GB 50019—2015[S].

收稿日期：2021-07-23

作者簡介：王偉東（1985—），男，山東人，工程師，研究方向：暖通空調制冷系統。