暖通空調(diào)高效制冷機房設計的思考

李超然

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

雙碳戰(zhàn)略目標的提出，力爭在2030 年達到二氧化碳排放峰值，努力爭取在2060 年實現(xiàn)碳中和。在這一戰(zhàn)略目標背景下，建筑節(jié)能變得尤為重要。建筑節(jié)能的關(guān)鍵一環(huán)在于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，而高效制冷機房的設計是公共建筑實現(xiàn)綠色建筑的重要途徑，通過冷水機組選型優(yōu)化、輸配系統(tǒng)優(yōu)化、合理控制與監(jiān)測，實現(xiàn)暖通空調(diào)高效制冷機房設計。

1 基于全年負荷特性的冷機選型

1.1 氣候特點分析及全年負荷計算

我國地域廣袤，從南到北氣候特點各不相同。例如北京地區(qū)，屬于溫帶季風性氣候，春季較為干旱，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，全年四季分明，天氣比較多變，隨著緯度的增加，冬季與夏季氣溫的變幅逐漸增大，降水逐漸減少，降水的季節(jié)分配十分不均，全年的降水量大多集中在夏季，年平均日照時數(shù)在2000~2800h 之間。北京年平均氣溫為10~12℃，其全年濕球溫差十分明顯，其中，溫度在18℃以下的總共有6731h，溫度高于28℃只有36h。對于過渡季節(jié)外區(qū)，一般采取自然通風，對于過度季節(jié)內(nèi)區(qū)，則采取冷源節(jié)能方式。基于不同的氣候特征，進行全年負荷計算。以某辦公建筑為例，全年負荷計算，供冷時間一般在5 月初至9 月底，全年冷負荷大概578.51kWhc，其中，單日冷負荷的高峰達到5685kW，相應的冷負荷指標大概是120.8W/m2。分析全年動態(tài)負荷需求和分布特征，選用高效空調(diào)設備。

1.2 依據(jù)全年負荷分布特征選擇冷機的類型

冷水機組、冷卻塔、水泵等選型的主要依據(jù)便是全年冷負荷的分布特征，根據(jù)廠家提供的設備性能曲線，通過數(shù)值模擬全年能耗，選出性能最佳的設備，對于不同的建筑類型，選擇不同功率的冷機[1]。在選擇冷機的時候，應從多方面進行考慮，不僅要考慮建筑物全年空調(diào)冷負荷的變化規(guī)律，還應考慮冷機部分負荷運行時的調(diào)節(jié)特性，合理選擇冷機類型、臺數(shù)、單機容量，從而便于提升部分負荷運行效率，減少年運行的費用。冷機的臺數(shù)不應過多，中小型系統(tǒng)通常使用兩臺，較大型系統(tǒng)通常使用三臺，大型系統(tǒng)通常使用三臺或四臺[2]。根據(jù)全年冷負荷特性，使用兩臺水冷離心式冷機，一臺水冷變頻螺桿式冷機，螺桿式制冷機及機組的名義工況如表1 所示。在夏季用冷高峰期，冷量不足的話則由水蓄冷來補充，冷機的設計工況能效比分別6.03W/W、5.83W/W，冷水與冷卻水設計的供回水溫度分別是7/13℃、31/37℃，冷水泵以及冷卻水泵都是采用的雙吸泵。對于冷卻水側(cè)，使用冷凝器清洗裝置，主要是將冷機最初的換熱溫差作為設定值，確保冷機冷凝器換熱溫差處于可控得出范圍之內(nèi)。冷卻塔使用多個模塊并聯(lián)運行，選擇風機功率、塔損最低的塔型，并模擬通風條件，確保冷卻塔進風量的有效性。

表1 螺桿式制冷機及機組的名義工況

2 高效制冷機房設計

2.1 水蓄冷技術(shù)應用

水蓄冷系統(tǒng)的應用雖然會增加制冷機房的面積和一定的初投資，有一些劣勢，但是在其他方面具體較大的優(yōu)勢。借助BIM技術(shù)，優(yōu)化機房布置，也可以有效縮小制冷系統(tǒng)的占用面積，抵消水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)帶來的面積占用；同時，采取水蓄冷技術(shù)，可以減小冷機配置的10%以上，后續(xù)也減少了用電費用，綜合衡量對投資回收期的影響不大。通過使用自然分層式水蓄冷技術(shù)，優(yōu)化機房空間，在夜間電價的低段時間，使用制冷系統(tǒng)中的一臺水冷離心式冷機和水冷變頻螺桿式冷機在夜間蓄冷，蓄滿之后，在白天冷水系統(tǒng)制冷運行期間，與冷機聯(lián)合放冷運行[3]。在蓄放冷期間，冷水與溫水之間會有一定的溫度差，在兩者的分界處形成相應的過渡層，即斜溫層，而其厚度的大小則是冷水和溫水混合程度的衡量指標，隨著斜溫層厚度的減小，蓄冷的利用率會逐漸變高，相應的損失也會減小。一般來說，斜溫層厚度的影響因素主要包括蓄水池的結(jié)構(gòu)、水池中的空氣、保溫層的厚度等，其中比較重要的一點是布水器的設計。不管是在蓄水期間，還是在放冷期間，都會有斜溫層，在運行初期，其厚度比較薄，在持續(xù)進行下，則逐漸增厚。在層流下，蓄冷、放冷期間都存在一定的可逆性，且斜溫層會不斷發(fā)生變化。同時，通過對冷機部分負荷率下的運行特性進行優(yōu)化，采取高溫蓄冷的方式調(diào)節(jié)供冷量，讓制冷機組始終處于高效運行區(qū)間，從而提高空調(diào)系統(tǒng)效率，調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷。

2.2 輸配管網(wǎng)低阻力設計

一般情況下，系統(tǒng)的冷凍、冷卻水泵耗能是總耗能的一半左右，因此降低輸配系統(tǒng)的能耗也是實現(xiàn)高效機房設計的重要途徑。首先可以通過精細的水力計算，得到可靠的管網(wǎng)阻力，并通過CFD 軟件模擬計算，選擇流量、壓頭合適的高性能、低阻力水泵設備，保證水泵在高性能區(qū)間運行；同時，借助BIM 技術(shù)優(yōu)化管路布置，避免多余閥門、彎頭、三通等管網(wǎng)配件造成不必要的浪費。最后，要保證施工質(zhì)量，避免施工不良導致的空調(diào)輸配系統(tǒng)能耗。

2.3 大溫差低冷卻水進水溫度設計

冷水使用6℃大溫差供水系統(tǒng)進行設計，與管網(wǎng)阻力進行匹配，將制冷系統(tǒng)的能耗進行合理配置，在提高水蓄冷容量的同時，有效地減少管路、泵體的投資，降低冷卻水溫度，提高冷機能效。對于冷卻水進水溫度，在27℃下，水冷離心式冷機的最高能效比達到了6.87，在31℃下，最高能效比為6.19；在27℃下，變頻螺桿式水冷冷機的最高能效比達到了7.20，在31℃下，最高能效比為6.40。

2.4 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)

使用Indas EMC007 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，利用計算機控制技術(shù)、變頻調(diào)速與控制技術(shù)等，有效地實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高效、舒適運行。在系統(tǒng)中，構(gòu)建知識庫，智能模糊控制的形成，主要基于相應的模型以及運算規(guī)則，影響系統(tǒng)運行的參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集，根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)原則，經(jīng)過預測與運算得出控制參數(shù)，將其送至冷凍水子系統(tǒng)、冷卻塔子系統(tǒng)，快速有效地改變系統(tǒng)循環(huán)流體的溫度與流量，從而確保不管在任何負荷條件下，系統(tǒng)都能夠保持最佳工作狀態(tài)，起到一定的綜合節(jié)能作用[4]。

2.5 基于建筑信息模型的能源監(jiān)測管理系統(tǒng)

目前，BIM 技術(shù)通常在建筑設計、建設環(huán)節(jié)進行應用，而在運行維護環(huán)節(jié)卻很少應用。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，建筑的運行維護貫穿于建筑任何階段，維護的成本達到總體的2/3。智能建筑管理系統(tǒng)可以集中管理不同功能的建筑子系統(tǒng)以及相應的設備，并形成相應的建筑管理平臺，其中具有優(yōu)化管理、互相聯(lián)通等多種功能。通過利用BIM 模型，冷卻塔、冷凍泵、管路的走向等能夠更加立體地呈現(xiàn)出來，相關(guān)管理人員可以通過3D 這種直觀的形式進行查看，不僅可以清晰地觀察到設備的參數(shù)信息，并有效進行控制，還能夠查看設備相關(guān)的一些文檔資料，真正實現(xiàn)設備的信息化運維管理[5]。該管理系統(tǒng)能夠幫助物業(yè)管理人員有效地處理設備故障等各種突發(fā)事件，確保建筑設備的順利運行。在具體的項目中，充分利用各種最新技術(shù)有效落實，還可以借助建筑能源監(jiān)測管理功能，實時了解設備的實際運行狀況，當設備出現(xiàn)故障情況的時候，及時進行報警提示，確保相應的售后服務質(zhì)量，并且還具有對耗能設備的能耗進行能耗統(tǒng)計與分析、遠程抄表、節(jié)能診斷等多種功能，有效地實現(xiàn)一體化閉環(huán)管理[6]。

2.6 能效計量與評價

高效機房不僅需要優(yōu)秀的設計，與全年負荷特征適配的主機選型、精良的施工，還要有精準的能效計量，才能準確評價系統(tǒng)能效。當完成空調(diào)系統(tǒng)的安裝以及驗收工作之后，由專門的測量人員，在制冷季節(jié)，利用精準的儀器測量空調(diào)主機的運行能效，并對其系統(tǒng)能效進行評價，并且在經(jīng)過優(yōu)化后，提供相應的系統(tǒng)熱平衡報告。高效機房的能效計量應采用專業(yè)級的計量儀表，以滿足能效測量與評價的精度要求。其中，數(shù)據(jù)采集儀的精度要求為16bit 采集精度；使用鉑電阻作為溫度測量元件的冷熱量表；流量傳感器的精度要求為1%精度，使用管道式電磁流量計或者插入式超聲波流量計；高精度濕度傳感器的精度要求為：精度±0.06℃；智能電表的精度要求為：電壓±0.2%、功率±0.7%、電流±0.5%。

3 結(jié)語

在雙碳戰(zhàn)略目標背景下，暖通空調(diào)高效制冷機房的設計應從節(jié)能出發(fā)，通過技術(shù)整合與優(yōu)化，最大程度實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。在建筑能耗中，空調(diào)能耗占總能耗的一半左右，而制冷機房在空調(diào)能耗中則占據(jù)70%左右。可見在建筑節(jié)能中，制冷機房的節(jié)能是極其重要的一環(huán)。高效制冷機房的設計應從多方面進行考慮，通過水蓄冷技術(shù)的應用，輸配管網(wǎng)低阻力設計，大溫差低冷卻水進水溫度設計等優(yōu)化設計手段來降低能耗；利用建筑信息模型的能源監(jiān)測管理系統(tǒng)，中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)來輔助機房高效運行，并進行準確有效的能效計量與評價，從而降低建筑空調(diào)系統(tǒng)高成本運行和減少能源浪費。