大型商業(yè)辦公綜合體制冷站設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)運(yùn)用

姚健，沈清清，劉珺，江晨，曹陽(yáng)

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200063)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，帶動(dòng)了城市商業(yè)的繁榮。大型商業(yè)綜合體的建筑模式在城市的各個(gè)區(qū)域越來越多地出現(xiàn)。本項(xiàng)目位于上海，為大型商業(yè)辦公綜合體，總建筑面積約37 萬m2，分東西兩個(gè)區(qū)域。東區(qū)包括：地下4 層（功能為車庫(kù)、設(shè)備用房及超市商業(yè)等）、裙房6 層（功能為商業(yè)）及2棟塔樓（功能為辦公），總建筑面積約31 萬平方米，總冷負(fù)荷為25000 kW；西區(qū)包括：地下2 層（功能為車庫(kù)、設(shè)備用房及超市商業(yè)等）、裙房4 層（功能為商業(yè)）及1 棟塔樓（功能為辦公），總建筑面積約6 萬m2，總冷負(fù)荷為6700 kW。圖1 為建筑效果圖。

1 制站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為滿足該項(xiàng)目的空調(diào)需要，東西區(qū)分別設(shè)制冷站。

東區(qū)制冷機(jī)房設(shè)在東區(qū)地下3 層，冷源選用5臺(tái)名義制冷能力為 4219 kW（1200 冷噸）的離心式冷水機(jī)組和2 臺(tái)名義制冷能力為 2110 kW（600冷噸）的變頻離心式冷水機(jī)組。冷凍水的供/回水溫度為6℃/ 13℃。東區(qū)地塊冷凍水系統(tǒng)采用二次泵系統(tǒng)。

西區(qū)制冷機(jī)房設(shè)在西區(qū)地下2 層，冷源選用3臺(tái)名義制冷能力為2285 kW（650 冷噸）的離心式冷水機(jī)組（其中1 臺(tái)為變頻機(jī)組）。冷凍水的供/回水溫度為6℃/ 13℃。西區(qū)地塊冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)。

東、西區(qū)制冷站系統(tǒng)原理圖見圖2 和圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 東區(qū)制冷站系統(tǒng)原理圖

圖3 西區(qū)制冷站系統(tǒng)原理圖

2 制冷站設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)運(yùn)用

由于本項(xiàng)目的體量較大，建筑能耗較大，而空調(diào)系統(tǒng)中冷源系統(tǒng)的能耗又是重中之重，因此，降低制冷站的能耗對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的節(jié)能具有更大的作用。

結(jié)合新版《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]的執(zhí)行，本項(xiàng)目在制冷站的設(shè)計(jì)中采用了一系列節(jié)能技術(shù)。

2.1 大溫差系統(tǒng)

大溫差系統(tǒng)就是指冷水機(jī)組提供的冷量不變，通過擴(kuò)大冷凍水、冷卻水溫差，降低循環(huán)水泵、冷卻塔、空調(diào)末端運(yùn)行能耗，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的綜合效率。

本工程冷凍水溫差由通常的5℃（7℃/12℃）擴(kuò)大至7℃（6℃/13℃），冷水機(jī)組制冷效率降低了(4～5)%，多耗能約253 kW (本項(xiàng)目東西區(qū)冷水機(jī)組總電機(jī)功率5623 kW)。但同時(shí)冷凍水循環(huán)量降低28%，相應(yīng)的減少輸送能耗為301 kW（冷凍水泵總功率1075 kW）。冷凍水供水溫度的降低可以使空調(diào)送風(fēng)溫度降低，空調(diào)末端風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差加大，送風(fēng)量減少，從而可以減小風(fēng)管尺寸，減小吊頂空間，節(jié)約風(fēng)機(jī)的能耗。風(fēng)機(jī)能耗的節(jié)能幅度約20%。二者比較，顯然擴(kuò)大冷凍水溫差后，冷凍水系統(tǒng)綜合效率提高了。

由于冷凍水溫度降低，使壓縮機(jī)壓縮比增大，導(dǎo)致機(jī)組能效比下降。因此，在設(shè)計(jì)小流量大溫差系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮到冷凍機(jī)組的性能特性，不能無限制的降低供水溫度。一般以(6～8)℃為宜。總之，冷凍水采用大溫差、小流量系統(tǒng)雖使冷凍機(jī)的效率略微降低，同時(shí)可降低循環(huán)水泵耗電量、減少送風(fēng)量和系統(tǒng)冷損失，得失相抵獲得了節(jié)能效益。

2.2 一次泵變流量系統(tǒng)

一次泵變流量水系統(tǒng)的變流量節(jié)能控制，是把原固定轉(zhuǎn)速的一次泵改成變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)水泵，利用冷水機(jī)組蒸發(fā)器在低水流量能力上的改進(jìn)和新的測(cè)控技術(shù)的提高，使一次冷凍水量可以按負(fù)荷的需要在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因此，一次泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)可取得非常好的節(jié)能效果。

一次泵變頻技術(shù)是建立在傳統(tǒng)的一次泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的變流量技術(shù)。一次泵系統(tǒng)大都采用定速泵，水泵的轉(zhuǎn)速和流量是不隨空調(diào)負(fù)荷變化的。因此在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)大流量小溫差現(xiàn)象，浪費(fèi)大量水泵輸送電能。為了讓水泵隨負(fù)荷的變化實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行，可采用加裝變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速的方式。水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足下列公式：

式中：

N——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

f——供電頻率（變頻器的輸出頻率）；

P——電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

根據(jù)水泵的相似定律，水泵的流量、揚(yáng)程、功率和轉(zhuǎn)速之間存在以下關(guān)系：

式中：

Q0，H0，W0，N0——額定工況下水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率、轉(zhuǎn)速；

Q1，H1，W1，N1——水泵轉(zhuǎn)速為N1下水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率、轉(zhuǎn)速。

當(dāng)N1/N0=0.8時(shí)，W1/W0=(N1/N0)3=(Q1/Q0)3=0.83=0.512。

由上式可得當(dāng)流量變?yōu)轭~定流量的80%時(shí)，水泵的軸功率僅為額定流量的50%左右，水泵運(yùn)行能耗下降50%左右?？梢钥吹酵ㄟ^變頻調(diào)速的方式來改變水泵轉(zhuǎn)速可以為水泵運(yùn)行節(jié)省大量的能耗。

蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度是決定冷水機(jī)組COP的一個(gè)重要因素。根據(jù)既有的研究，在部分負(fù)荷時(shí)，使用變流量運(yùn)行，冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度隨冷凍水量的減少呈降低的趨勢(shì)。在供回水溫度不變的條件下，當(dāng)流量變?yōu)樵O(shè)計(jì)流量60%，蒸發(fā)溫度下降不到1℃，冷水機(jī)組COP降低的幅度不超過10%。

冷凍水的流量對(duì)冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度和COP有一定的影響。但只要保證流量沒有降低到最小流量以下，保證蒸發(fā)器不被凍結(jié)，理論上冷水機(jī)組完全可以實(shí)現(xiàn)變流量。

雖然流量的降低導(dǎo)致了冷機(jī)本身COP的下降，但同時(shí)也使泵的能耗大大降低。為了比較這兩種互為矛盾的結(jié)果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，可以定義冷水機(jī)組綜合COP，其計(jì)算公式為：

式中：

COP——冷水機(jī)組的性能系數(shù)；

Q——冷機(jī)的制冷量，kW；

W1——所有運(yùn)行冷機(jī)的總耗功，kW；

W2——所有運(yùn)行的冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的總功耗，kW。

冷水機(jī)組綜合COP可以反映出冷凍水變流量后，整個(gè)冷凍機(jī)房水系統(tǒng)的能耗情況。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，水泵能耗占整個(gè)冷凍水系統(tǒng)能耗的不同比例下，冷水機(jī)組綜合COP的變化情況如圖4。

由圖4 可以得出：水泵能耗占整個(gè)冷凍機(jī)房水系統(tǒng)能耗的比例越大，系統(tǒng)綜合COP升高幅度越大。

本項(xiàng)目西區(qū)建筑體量相對(duì)較小，建筑高度未超過100 m，各空調(diào)區(qū)域間的冷凍水回路管道阻力差別不大，采用一次泵變流量系統(tǒng)。冷凍機(jī)房冷水機(jī)組總功率為1200 kW，冷凍水泵總功率為240 kW，冷凍水泵能耗占整個(gè)冷凍水系統(tǒng)能耗的20%左右，采用一次泵變流量系統(tǒng)在50%負(fù)荷時(shí)冷源系統(tǒng)的綜合節(jié)能幅度為5%左右。

圖4 冷水機(jī)組綜合COP 升高的幅度

2.3 免費(fèi)冷源

免費(fèi)冷源是指項(xiàng)目的商業(yè)及辦公內(nèi)區(qū)在冬季仍需要提供冷凍水時(shí)，利用冷卻塔，通過板交與空調(diào)冷凍水進(jìn)行熱交換，對(duì)系統(tǒng)提供冷源，而省去了冷凍機(jī)運(yùn)行的能耗。按上海地區(qū)的冬季氣象參數(shù)，通過冷卻塔直接冷卻換熱，可以獲得供/回水溫度為10℃/16℃的冷源。由于冷卻塔是按夏季工況選擇，而在冬季時(shí)其室內(nèi)冷負(fù)荷遠(yuǎn)小于夏季工況，因此利用冷卻塔可以滿足冬季免費(fèi)冷源的要求。

本項(xiàng)目在制冷站設(shè)計(jì)中，為節(jié)省制冷機(jī)組能耗，東西區(qū)分別設(shè)1 臺(tái)板式熱交換器，在冬季，當(dāng)冷水機(jī)組停止運(yùn)行后，通過閥門切換，利用冷卻塔的冷卻水系統(tǒng)提供(9～11)℃的一次側(cè)冷水，經(jīng)板式換熱器換熱后，提供10℃/16℃的空調(diào)供/回水。按東西區(qū)合計(jì)冬季室內(nèi)冷負(fù)荷4400 kW 計(jì)，與冬季運(yùn)行冷水機(jī)組制冷相比，免費(fèi)冷源的運(yùn)用可節(jié)省約52.8 萬kWh 的耗電。

2.4 冷卻水變流量系統(tǒng)

冷凝熱量隨著機(jī)組的負(fù)荷變化而變化，相應(yīng)調(diào)節(jié)冷卻水流量可以節(jié)省冷卻水泵的能耗，同時(shí)冷卻水的冷凝溫度是影響冷水機(jī)組制冷性能的一個(gè)重要參數(shù)。

本項(xiàng)目冷卻水變流量采用定溫差控制，即在冷卻水進(jìn)出水管上各安裝一組溫度傳感器，將溫度信號(hào)傳給控制器,控制器將此實(shí)際冷卻水溫差與某一固定溫差(一般為5℃)進(jìn)行比較，以控制水泵轉(zhuǎn)速和流量。當(dāng)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷，冷卻水溫差較小時(shí)，降低水泵轉(zhuǎn)速，以保持5℃溫差。為了保證水流量不低于最小流量，設(shè)定頻率下限，通常在25 Hz 以上。負(fù)荷Q與冷卻水流量G和冷卻水的進(jìn)出水溫度t1，t2間的關(guān)系為：

式中：

cp——水的比定壓熱容；。

冷卻水定溫差變流量會(huì)影響冷凝溫度的穩(wěn)定，對(duì)冷水機(jī)組的性能系數(shù)的有一定的影響。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，在部分負(fù)荷時(shí)，冷卻水定溫差控制時(shí)冷水機(jī)組的COP較冷卻水定流量時(shí)的情形有所降低，負(fù)荷及冷卻水流量為75%時(shí)，COP降低4%左右；流負(fù)荷及冷卻水流量為50%時(shí)，COP降低6.5%左右。

設(shè)定流量情形單臺(tái)冷水機(jī)組和水泵的輸入功率分別為Nc和Np，變流量情形為Nc’和Np’。由于水泵調(diào)速而引起此一機(jī)一泵系統(tǒng)的節(jié)能量為：

于是，相對(duì)于水泵的節(jié)能率可表示為

式中，r 為相對(duì)于額定流量的流量。

圖5 比較了當(dāng)冷卻水泵電功率與主機(jī)在名義工況下的電功率之比Np/Nc分別為10%，15%和20%時(shí)，冷卻水變流量的節(jié)能效果。圖中變流量的節(jié)能率是以水泵的功率為基礎(chǔ)。

圖5 定溫差控制的節(jié)能效果

考慮變流量對(duì)主機(jī)COP的影響，特別是當(dāng)水泵相對(duì)于主機(jī)的功率較小或流量變化幅度較大時(shí)，對(duì)冷卻水變流量的節(jié)能效果有很大影響，當(dāng)水泵相對(duì)于主機(jī)的功率此值在10%以上時(shí),變流量一般均能取得一定的節(jié)能效果。

本項(xiàng)目東區(qū)冷凍機(jī)總功率Nco為4420kW，冷卻水總功率Npo為1200 kW，Npo/Nco=27%，西區(qū)冷凍機(jī)總功率Nco為1200 kW，冷卻水總功率Npo為336 kW，Npo/Nco=28%，按圖5，在50%負(fù)荷時(shí)的冷卻水變流量的水泵節(jié)能率約為60%。

2.5 冷凝器在線清洗系統(tǒng)

減小冷卻水量，提高冷凝溫度，對(duì)冷水機(jī)組可能帶來的不利影響是增加冷凝器和冷卻水管道中的結(jié)垢速度，冷卻水流速的減小使得其沖刷能力下降，對(duì)冷卻水系統(tǒng)的清污除垢提出了新的要求。

本項(xiàng)目在冷水機(jī)組的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)置冷凝器自動(dòng)在線清洗裝置，可以有效降低冷凝器的污垢熱阻，保持冷凝器換熱管內(nèi)壁較高的潔凈度，從而降低冷凝溫差（制冷劑冷凝溫度與冷卻水的離開溫度差）和冷凝溫度。在不低于冷水機(jī)組冷卻水溫度要求下限的條件下，冷凝溫度越低，冷水機(jī)組的制冷系數(shù)越高，可以減少壓縮機(jī)的耗電量。當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，冷凝溫度每降低1℃，冷水機(jī)組的耗功率約節(jié)省3%～ 4%。

2.6 冷凍站自動(dòng)控制系統(tǒng)

本工程空調(diào)冷凍機(jī)房控制系統(tǒng)主要對(duì)冷水機(jī)組、冷凍循環(huán)水泵、冷卻循環(huán)水泵、冷卻塔及相關(guān)輔助設(shè)備等組成的冷源系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

控制冷源系統(tǒng)冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、電動(dòng)開關(guān)閥的啟停順序；

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的需求變化調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行水量和冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，達(dá)到供回水總管的壓差平衡和降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗；

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷和冷水機(jī)組的能效比，自動(dòng)調(diào)整冷水機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷和運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使冷水機(jī)組盡可能在其效率最高的工況區(qū)運(yùn)行，以達(dá)到最佳節(jié)能目的；

根據(jù)冷卻塔進(jìn)出水溫差,自動(dòng)調(diào)整冷卻水運(yùn)行水量及冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)以節(jié)能；

累計(jì)主機(jī)及附屬設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，控制設(shè)備優(yōu)先開啟(關(guān)閉)順序，保證設(shè)備運(yùn)行壽命一致；

中央控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與冷水機(jī)組進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，并顯示冷水機(jī)組詳細(xì)的運(yùn)行信息；

自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先編好的軟件程序和設(shè)定值，作出圖形及數(shù)據(jù)顯示，趨勢(shì)分析，數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷源系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制功能；

顯示系統(tǒng)的故障信息，包括：冷水機(jī)組的保護(hù)及報(bào)警、定壓裝置高低壓報(bào)警等。

冷凍機(jī)房采用集中自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅可以使系統(tǒng)的運(yùn)行更加便捷可靠，更關(guān)鍵是可以通過自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，使冷水機(jī)組及相應(yīng)配套設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的需要調(diào)整開啟數(shù)量及運(yùn)行容量，并盡可能使設(shè)備運(yùn)行在各自的高效率點(diǎn)，從而節(jié)約系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

2.7 冷凍站能源計(jì)量系統(tǒng)

對(duì)冷凍站能源設(shè)計(jì)量系統(tǒng)，采用能量型空調(diào)計(jì)量方式，依據(jù)熱力學(xué)原理，通過檢測(cè)系統(tǒng)的各支路回水總管上的流量和供回水溫度，計(jì)算處系統(tǒng)各回路使用的空調(diào)能量值。系統(tǒng)由電磁流量計(jì)、溫度傳感器及能量積算儀組成。計(jì)算公式如下：

式中：

Q——累計(jì)熱量值，J；

qm——流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h；

Δh——系統(tǒng)供回水的焓值差，J/kg；

t——時(shí)間，h。

在冷凍站進(jìn)行能源計(jì)量，可以作為空調(diào)使用的統(tǒng)計(jì)和費(fèi)用分?jǐn)偟囊罁?jù)，還有助于分析能耗的構(gòu)成，在空調(diào)的具體運(yùn)行過程中尋找節(jié)能的途徑。

3 結(jié)論

通過在本工程項(xiàng)目的制冷站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了一系列節(jié)能措施，可以初步統(tǒng)計(jì)出制冷站的總體節(jié)能量：按系統(tǒng)裝機(jī)制冷總?cè)萘?2170 kW，年運(yùn)行總制冷負(fù)荷為2500 萬kWh 計(jì)，折合到制冷站部分的年用電量消耗約650 萬kWh，通過節(jié)能措施的應(yīng)用，估算每年可節(jié)約用電能耗約110 萬kWh（相當(dāng)于124 噸標(biāo)準(zhǔn)煤），相應(yīng)減少了相當(dāng)于372 噸的碳排放。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展和節(jié)能環(huán)保要求的日益提高，暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用手段越來越多。根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況和條件，需要采用合適的節(jié)能技術(shù)。任何一項(xiàng)新技術(shù)新手段的應(yīng)用，都需要綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，權(quán)衡利弊，一味地為了迎合潮流而盲目堆砌概念，可能對(duì)會(huì)適得其反。但作為暖通行業(yè)的從業(yè)工作者，非常有必要和義務(wù)將節(jié)能的理念深入到我們的設(shè)計(jì)工作中，積極主動(dòng)地探索實(shí)踐，與時(shí)俱進(jìn)，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展盡自己的努力。

[1]GB 50736-2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DGJ8-107-2012.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范[S].