高效冷水機(jī)房技術(shù)在某既有建筑改造中的運(yùn)用

文／褚慶翔 上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200437

1、項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)，建筑面積5 萬(wàn)平方米，其中1層大堂，2～3層裙房為餐飲，4～27層塔樓為辦公。冷水機(jī)房已使用25年，設(shè)備老化嚴(yán)重，能效低下，急需翻新改造。業(yè)主希望通過(guò)本次節(jié)能改造打造高效冷水機(jī)房，其年綜合能效不低于0.7KW/RT。

原有冷水機(jī)房主要設(shè)備配置如下（見(jiàn)表1）：

表1 冷水機(jī)房主要設(shè)備配置表

經(jīng)能耗模擬，原系統(tǒng)運(yùn)行能效為1.18 KW/RT。

2、面臨的挑戰(zhàn)

這樣的老舊建筑高效機(jī)房改造除新建高效機(jī)房能效方面挑戰(zhàn)以外，還有一些特殊情況。以本項(xiàng)目為例面臨的挑戰(zhàn)主要是：

A.大樓為25年前建造，在使用期間還經(jīng)歷過(guò)多次小改造，能查閱到的圖紙與現(xiàn)場(chǎng)情況偏離很大，而且水泵等關(guān)鍵設(shè)備銘牌缺失。冷量、揚(yáng)程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)如何確認(rèn)？

B.本次改造要求全年綜合能效不低于0.7KW/RT。但改造范圍僅包含冷水機(jī)房，末端設(shè)備暫不改造。最新冷凍機(jī)房節(jié)能技術(shù)與老舊末端設(shè)備的適應(yīng)能力如何權(quán)衡取舍？

C.本次改造要求全年綜合能效不低于0.7KW/RT，機(jī)房總量有2000RT。但總預(yù)算十分有限，既要節(jié)省初投資，又要達(dá)成高效性能，如何平衡？

3、解決方案

以上挑戰(zhàn)貫穿整個(gè)改造過(guò)程，重點(diǎn)在冷量與主機(jī)配置確認(rèn)、冷凍供回水溫度確認(rèn)、冷卻水供回水溫度確認(rèn)、水泵揚(yáng)程確認(rèn)四個(gè)方面。下面分別加以闡述。

3.1 冷量與主機(jī)配置確認(rèn)

舊機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)配置有4 臺(tái)500RT 水冷離心機(jī)組，但物業(yè)人員反映2021年最熱季僅開(kāi)啟2 臺(tái)，配置冷量與使用冷量存在巨大差異。最大2000RT 與最小1000RT 的改造成本相差接近300 萬(wàn)元。而配置冷量不足將直接影響空調(diào)效果，作為正在運(yùn)營(yíng)的大樓是不可接受的。

匯總多方調(diào)研、計(jì)算情況得出（見(jiàn)表2）：

表2 調(diào)研、計(jì)算情況表

其中第5 項(xiàng)是按圖紙測(cè)算空調(diào)面積，考慮不同業(yè)態(tài)的負(fù)荷指標(biāo)估算得出。

再根據(jù)冷凍、冷卻水泵流量與冷凍、冷卻水主管管徑分析可得（表3）：

表3 主管流速分析表

當(dāng)開(kāi)啟4 臺(tái)水泵時(shí)主管流速明顯超過(guò)經(jīng)濟(jì)流速，而且對(duì)應(yīng)4 臺(tái)主機(jī)只配置了4 臺(tái)泵，沒(méi)有備泵。因此可以推斷，當(dāng)前安裝的4 臺(tái)主機(jī)是三用一備。檔案圖上顯示的3 臺(tái)650RT 主機(jī)，可能是兩用一備。

又調(diào)研得到當(dāng)前部分餐飲區(qū)域在以前的改造中自行增加VRV 系統(tǒng)約450KW（128RT），這部分區(qū)域目前不采用主系統(tǒng)供冷。

綜合上述情況，決定大樓總冷負(fù)荷按1100RT 確定。再考慮如下因素：

A.一般舒適性空調(diào)：不設(shè)備機(jī)；

B.全年綜合能效：不低于0.7KW/RT；

C.機(jī)房空間：最多可安裝4 臺(tái)主機(jī)；

D.吊裝通道：整機(jī)吊裝最大200RT；分體拼裝最大600RT；

E.利用原配電系統(tǒng)，降低成本：當(dāng)前冷凍機(jī)配電功率390KW，新機(jī)COP 取6.0，新機(jī)最大允許冷量665RT；

F.工期：僅4月1日～4月30日的過(guò)渡季節(jié)為大規(guī)模施工窗口，工期非常緊張；

G.其他：新?lián)Q主機(jī)壽命25年，而大樓還有40年以上壽命。這期間大樓使用功能如發(fā)生較大調(diào)整，冷負(fù)荷發(fā)生較大變化，要能妥善應(yīng)對(duì)。

考慮最優(yōu)性價(jià)比，主機(jī)配置方案確定如下：

A.更換500RT 高效變頻水冷離心機(jī)組2 臺(tái)，在1000RT 范圍內(nèi)保證高效運(yùn)行；

B.對(duì)選用的主機(jī)做550RT 冷量校核，保證極端情況下可以供應(yīng)1100RT 冷量；

C.新主機(jī)安裝在原2、3 號(hào)主機(jī)位置。如大樓使用功能今后發(fā)生較大功能調(diào)整，負(fù)荷增加較多，可以在拆除的1 號(hào)主機(jī)位置方便的再增加一臺(tái)新主機(jī)；

D.保留4 號(hào)舊主機(jī)，以備不可控因素導(dǎo)致新主機(jī)不能在制冷季前投產(chǎn)。

3.2 冷凍供回水溫度確認(rèn)

原系統(tǒng)冷凍供回水溫度為7 ～12℃（5 度溫差），但實(shí)際運(yùn)行記錄顯示運(yùn)行溫差在2 ～4℃。冷凍水系統(tǒng)存在明顯的小溫差綜合癥，浪費(fèi)能源。按常規(guī)高效機(jī)房設(shè)計(jì)原則，應(yīng)加大冷凍供回水溫差，并采用一次泵變流量系統(tǒng)。

由于本次末端設(shè)備不改造，如盲目加大供回水溫差且采用水泵變頻，不僅不能解決小溫差綜合癥，反而會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水力失調(diào)，影響空調(diào)效果。所以本項(xiàng)目不具備冷凍水大溫差實(shí)施條件。

因此確定如下冷凍供回水溫度設(shè)定與水泵改造方案：

A.考慮當(dāng)前末端實(shí)際換熱能力，冷凍水供回水溫度設(shè)定為7 ～11℃；

B.考慮日后末端改造后換熱能力提升，對(duì)冷凍機(jī)做7 ～12℃的校核驗(yàn)證；

C.水泵流量按冷凍水供回水溫差4℃確定為400m/h，保證改造后主機(jī)流量需求；

D.考慮到將來(lái)末端改造后可加大溫差，進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行能耗。水泵配置變頻器，以對(duì)應(yīng)將來(lái)的工況調(diào)整；

E.與空調(diào)箱使用單位溝通加裝電動(dòng)溫控調(diào)節(jié)閥事宜。如可以加裝，水泵做變流量控制；

F.如目前空調(diào)箱不能加裝電動(dòng)溫控調(diào)節(jié)閥，則水泵定流量運(yùn)行。通過(guò)冷凍機(jī)通訊接口做變出水溫度控制。

3.3 冷卻供回水溫度確認(rèn)

原系統(tǒng)冷卻供回水溫度為30 ～35℃（5 度溫差），但實(shí)際運(yùn)行記錄顯示最熱季供回水溫度為33 ～37℃，4℃溫差。冷卻水系統(tǒng)同樣存在小溫差綜合癥，且冷凍機(jī)回水溫度偏高，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。另外原系統(tǒng)30℃的冷卻塔出水溫度，在上海地區(qū)氣象條件下基本是不可能實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)場(chǎng)冷卻水泵定頻運(yùn)行，銘牌缺失。檔案圖上冷凍機(jī)為650RT，其對(duì)應(yīng)的水泵參數(shù)不能采信。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)得冷卻水泵流量500m/h 左右，對(duì)應(yīng)500RT 主機(jī)其溫差為4.5℃左右，符合運(yùn)行記錄。三臺(tái)冷卻塔的銘牌顯示單塔額定流量為700m/h，對(duì)應(yīng)4臺(tái)冷卻水泵，可以推算冷卻水泵的額定流量為525m/h，與前述測(cè)量值基本一致。

通過(guò)冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可得冷卻塔填料破損、坍塌嚴(yán)重，塔體框架銹蝕嚴(yán)重，與出水溫度偏高的情況相一致。

冷卻塔更換在本次改造范圍內(nèi)，因此冷卻水側(cè)可以采用大溫差方案。冷卻能力需求計(jì)算如下：

采用CTI 認(rèn)證塔型，冷卻能力余量取10%，按主機(jī)COP=6.0 計(jì)算冷卻能力需求為

1100RT＊3.516＊（1+1/6）＊110%=4963KW，取整按5000KW 考慮；

再考慮如下限制性因素：

A.原有冷卻塔基礎(chǔ)與屋面結(jié)構(gòu)：冷卻塔占地面積不能超過(guò)6m＊15m；

B.既有結(jié)構(gòu)框架高度：冷卻塔高度不能超過(guò)5m；

C.上海地區(qū)空調(diào)計(jì)算濕球溫度：28.2℃，考慮安全系數(shù)提高到28.5℃做冷卻塔選型；

D.噪音：現(xiàn)有冷卻塔基礎(chǔ)位置靠近居民小區(qū)，其整體噪音不宜超過(guò)70dBA。否則要考慮額外的消聲降噪措施；

得冷卻塔最低趨近溫度2.5℃，最大冷幅7℃。因此冷卻供回水溫度設(shè)定為31-38℃。冷卻水泵流量按此溫差確定為280 m/h。

3.4 水泵揚(yáng)程確認(rèn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)走訪，得知系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)老水泵前后閥門一直都是全開(kāi)狀態(tài)。也就是說(shuō)老水泵揚(yáng)程是比較符合系統(tǒng)需求的。但由于水泵銘牌缺失，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得到老水泵的揚(yáng)程。而且新系統(tǒng)水溫差發(fā)生了變化，也不能直接套用老水泵揚(yáng)程。以冷卻水泵為例，確認(rèn)新水泵揚(yáng)程方法如下：

A.雖然檔案圖主機(jī)為650RT，與現(xiàn)場(chǎng)不符，但其水泵揚(yáng)程選擇還是具有參考意義的。檔案圖顯示老冷卻水泵揚(yáng)程為38m；

B.現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)啟3 臺(tái)老冷卻水泵，通過(guò)泵前后壓力表可得其揚(yáng)程為40m，與檔案圖基本一致；

C.3 臺(tái)老冷卻水泵的合計(jì)流量為1500m/h，而更換后的2 臺(tái)新冷卻水泵的合計(jì)流量為560m/h.根據(jù)相似原理估算新水泵揚(yáng)程如下（見(jiàn)表4）：

表4 新水泵揚(yáng)程估算表

D.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查繪制管路圖，逐段計(jì)算如下（見(jiàn)表5）：

表5 管段逐段計(jì)算結(jié)果表

綜合以上數(shù)據(jù)，確定冷卻水泵揚(yáng)程按12 mHO 選型。

4、改造前后對(duì)比

改造后冷水機(jī)房主要設(shè)備配置如下（見(jiàn)表6）：

表6 冷水機(jī)房主要設(shè)備配置表

按此方案改造后冷水機(jī)房運(yùn)行能效達(dá)到0.69KW/RT,較改造前提升41.5%。而且冷水機(jī)房配電總功率由2209KW 降低到810KW，在冷水機(jī)房運(yùn)行節(jié)能的同時(shí)還能有效降低契約用電負(fù)荷（MD）費(fèi)用。

5、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

既有建筑高效冷水機(jī)房改造在重點(diǎn)關(guān)注能效以及初投資與運(yùn)行費(fèi)用平衡之外，由于其老舊建筑與局部改造的特點(diǎn)，諸如大溫差、變流量、末端溫控等技術(shù)手段的運(yùn)用一定要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況充分論證方可采用。此外還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注多種數(shù)據(jù)印證、實(shí)際冷量需求、機(jī)房空間與搬運(yùn)通道限制、施工窗口期與應(yīng)急對(duì)應(yīng)措施等諸多既有建筑現(xiàn)實(shí)因素。只有這樣才能安全可靠高效并最具性價(jià)比的做好既有建筑高效冷水機(jī)房改造工作。