淺談制冷機房精細(xì)化設(shè)計在工程中的應(yīng)用

劉坡軍 陳衷華 陳立章 利一鋒

廣東省建筑設(shè)計研究院

據(jù)統(tǒng)計，一般中央空調(diào)能耗約占整個建筑總能耗的50%左右，商場和綜合樓高達(dá)65%以上。制冷機房能耗（制冷主機、水泵、冷卻塔能耗）約占中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的70%以上，因此降低制冷機房能耗對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能起關(guān)鍵作用。同時我國約42.4%的既有公共建筑建造于2010 年以前，且大多是改革開放不久后興建的，因此大部分公共建筑制冷機房存在空調(diào)設(shè)備老化，設(shè)備能耗高等問題，制冷機房節(jié)能改造工作量日益顯著。制冷機房精細(xì)化設(shè)計對降低建筑能耗起到非常重要的作用。

1 制冷機房精細(xì)化設(shè)計

制冷機房主要由制冷主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔通過設(shè)有閥門、過濾器、止回閥等管道連接組成，制冷機房能耗均由以上各部分能耗組成，筆者結(jié)合實際案例進(jìn)行討論分析。

1.1 制冷機房總裝機容量的確定

目前，有些設(shè)計人員錯誤的利用設(shè)計手冊中供方案設(shè)計或初步設(shè)計時估算冷負(fù)荷用的單位建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)，直接作為施工圖設(shè)計階段確定空調(diào)冷負(fù)荷的依據(jù)。造成總負(fù)荷偏大、水泵配置偏大、末端設(shè)備偏大的“四大”現(xiàn)象。其結(jié)果是初投資增高、能量消耗增加，給國家和投資人造成巨大損失，而且給系統(tǒng)控制、節(jié)能和環(huán)保帶來潛在問題。因此《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》和《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》均要求施工圖設(shè)計必須進(jìn)行逐時冷負(fù)荷計算，確定空調(diào)系統(tǒng)總裝機容量。

1.2 制冷機房冷水機組的選擇

1.2.1 新建建筑

為提高冷水機組的全年運行能效，其優(yōu)化配置方案應(yīng)基于詳細(xì)的建筑動態(tài)負(fù)荷計算，考慮全年氣象參數(shù)對機組運行性能的影響以及不同負(fù)荷需求下的機組運行策略，進(jìn)行全年典型工況下的綜合分析得到。通常采用DeST、EnergyPlus 等軟件對建筑全年逐時空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行模擬計算，考慮到該軟件建模復(fù)雜、操作性難度較大，可以通過全年典型工況8760 h 簡化計算方法[1]計算，該簡化計算方法計算的全年供冷季負(fù)荷與實際運行數(shù)據(jù)誤差為10%～20%之間，認(rèn)為該簡化計算方法計算結(jié)果可靠，方法可行。

空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷Q 主要包括四個部分：

式中：Q1，Q2，Q3，Q4分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、新風(fēng)、人員和燈光設(shè)備累積冷負(fù)荷，kW·h。

實際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱為動態(tài)傳熱過程。采用穩(wěn)態(tài)計算方法計算逐時圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷存在較大的誤差。然而對于一段時間內(nèi)的累積冷負(fù)荷的計算，穩(wěn)態(tài)計算方法具有可行性。

式中：i 表示朝向（東、西、南、北、屋頂）；Kw，Kwin分別為外墻（或屋頂）、外窗（或天窗）的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Aw，Awin分別為外墻（或屋頂）、外窗（或天窗）的面積，m2；tout，tin分別為室外、室內(nèi)干球溫度，℃；ew為外表面太陽輻射吸收比；hw為外墻（或屋頂）的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；SHGC 為太陽得熱系數(shù)；qs為表面的太陽輻照度，W/m2；α 為溫差傳熱修正系數(shù)；β 為太陽輻射得熱修正系數(shù)；Δt 為計算時間步長，1 h。

注：可通過該地區(qū)典型年份全年逐時氣象參數(shù)查出各個時刻室外、室內(nèi)干球溫度，太陽得熱系數(shù)，表面的太陽輻照度值。

供冷季累積新風(fēng)冷負(fù)荷根據(jù)下式計算：

式中：G 為單位時間內(nèi)進(jìn)入建筑的總新風(fēng)量，包括機械新風(fēng)量和室外滲入風(fēng)量，m3/h；hw，hn分別為室外、室內(nèi)空氣比焓，kJ/kg。

室內(nèi)人體散熱形成的累積冷負(fù)荷根據(jù)下式計算：

式中：q3為成年男子全熱散熱量，W；n 為每小時在室人數(shù)；φ 為群集系數(shù)。

燈具、設(shè)備等散熱形成的累積冷負(fù)荷根據(jù)分項計量系統(tǒng)中的耗電量數(shù)據(jù)計算：

式中：Eeq為空調(diào)系統(tǒng)運行期間每小時建筑室內(nèi)燈具、設(shè)備總耗電量，kW·h。

1.2.2 制冷機房改造類既有建筑

通過分析制冷機房歷史運行數(shù)據(jù)，計算出建筑全年動態(tài)冷負(fù)荷。

根據(jù)建筑動態(tài)冷負(fù)荷[2]情況，并統(tǒng)計獲得建筑全年的負(fù)荷頻率分布曲線以及相對應(yīng)的室外濕球溫度分布特性，在結(jié)合冷水機組特點，通過擬定運行模式，制冷主機優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最大限度的讓機房系統(tǒng)中的各個設(shè)備在不同負(fù)荷區(qū)間均能發(fā)揮出最大潛力，降低機房能耗。

1.2.3 根據(jù)建筑動態(tài)負(fù)荷情況，合理平衡，確定冷水機組臺數(shù)和搭配

宜按照大小主機搭配的方式，選擇冷水機組，確保各個負(fù)荷段機組均能在高效率下運行。機組臺數(shù)選擇應(yīng)合理。

1）對于設(shè)計冷負(fù)荷大于528 kW 以上的公共建筑，機組設(shè)置不宜少于2 臺。臺數(shù)過少存在的問題有：負(fù)荷可靠性下降，一旦負(fù)荷高峰時機組出現(xiàn)故障，影響的比例就大。機組臺數(shù)少，單臺額定制冷量大，較低負(fù)荷時運行時，機組效率低且對離心式機組，易發(fā)生喘振現(xiàn)象。

2）要避免機組臺數(shù)過多。臺數(shù)多存在的問題有：單機容量下降，機組COP 下降，能耗高。機組臺數(shù)多，配置的循環(huán)水泵多，占用機房面積就大，同時水泵并聯(lián)多，并聯(lián)損也失高。

3）根據(jù)項目節(jié)能的定位和項目綠色建筑星級別設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合業(yè)主的實際需求選擇制冷性能系數(shù)（COP）高，部分負(fù)荷性能（IPLV）也高的制冷主機。

1.3 降低系統(tǒng)輸送能耗的措施

1.3.1 空調(diào)管道水力計算

空調(diào)水系統(tǒng)的管路水力計算是在已知水流量和推薦流速下，確定水管管徑，計算水在管路中流動的沿程阻力損失和局部阻力損失確定水泵的揚程和流量。

經(jīng)濟流速的確定：流速過大空調(diào)水系統(tǒng)水泵運行能耗急劇增加，流速過小水系統(tǒng)初投資增大，建議按照中壓力降[3]要求推薦的經(jīng)濟流速和經(jīng)濟比摩阻。

管道內(nèi)水的流速宜按照如下取值：dN≤32 mm時，ν≤0.72 m/s；dN=40～63 mm 時，ν≤1.2 m/s；dN≥80 mm 時，ν≤1.5 m/s。

冷水管采用鋼管或鍍鋅管時，比摩阻一般為50～200 Pa/m。

設(shè)計過程中宜選擇經(jīng)濟流速，不應(yīng)為減少管網(wǎng)阻力一味降低流速，根據(jù)文獻(xiàn)[4]分析，流速越小，流速對阻力的影響也越小，流速為0.1～0.2 m/s 時，流速與比摩阻關(guān)系曲線出現(xiàn)一個比較明顯的轉(zhuǎn)折，當(dāng)流速小于該區(qū)域時，流速對比摩阻的影響較小。

1.3.2 降低系統(tǒng)輸送能耗的措施

制冷機房內(nèi)連接主機、冷凍冷卻水泵、水處理等設(shè)備管道、閥門等較多，管道阻力以局部阻力為主，且管道以大口徑管道為主，為減少阻力，降低水泵揚程，在條件允許的情況下制冷機房內(nèi)水流速按照ν≤1.5 m/s 設(shè)計。同時應(yīng)選擇低阻力的主機、末端及過濾器，止回閥等設(shè)備，管道布置中減少彎頭數(shù)量。

1.3.3 水泵變頻技術(shù)的應(yīng)用

建筑空調(diào)運行中，存在著較為明顯的負(fù)荷變化規(guī)律，且部分負(fù)荷運行時間明顯大于滿負(fù)荷運行時間。不論采用供回水壓差控制還是溫差控制，低負(fù)荷率時達(dá)到的節(jié)能效果均優(yōu)于同一條件下高負(fù)荷率時的節(jié)能效果，因此在中央空調(diào)水系統(tǒng)中采用變頻水泵對降低機房能效非常重要[5]。

1.4 制冷機房冷卻塔的選擇

冷卻塔是中央空調(diào)系統(tǒng)向大氣排熱的重要設(shè)備，其排熱效果的好壞直接影響到空調(diào)系統(tǒng)的運行效率。為不影響冷卻塔的排熱能力和效果，冷卻塔的安裝設(shè)置既要考慮自身熱工性能的需要，也要考慮周圍環(huán)境的情況，其設(shè)置的原則是：

1）冷卻塔應(yīng)設(shè)置在空氣流通、風(fēng)機出口無障礙的地方。

2）冷卻塔應(yīng)設(shè)置在噪聲要求低和允許水滴飛濺的地方。

3）冷卻塔不應(yīng)設(shè)置在熱源、廢氣、煙氣等有高溫發(fā)生的地方，且應(yīng)與之保持必要的距離。

2 制冷機房群控系統(tǒng)

制冷機房主要的耗能設(shè)備為冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔，機房的綜合能耗由每個單體設(shè)備的能耗累加而成，但是每個單體設(shè)備的能耗又受到多種因素的影響，并且各設(shè)備之間的運行會相互影響，通過設(shè)置機房群控系統(tǒng)尋找整個制冷機房的最佳效率點，保證制冷機房能動態(tài)地運行在最佳效率點上實現(xiàn)最佳節(jié)能目標(biāo)，最大限度的降低能耗。

3 精細(xì)化改造設(shè)計實例

湛江某大廈，總建筑面積約3.0 萬m2，地上25 層，地下一層，1～3 層為多功能廳、展廳及會議中心，4～25層為辦公用房，該項目到改造前已經(jīng)運行了約23 年，改造內(nèi)容：制冷機房內(nèi)設(shè)計及管道（樓層末端不在改造范圍內(nèi)），改造前后實景照分別如圖1、2，改造后某時刻運行情況如圖3。

圖1 改造前

圖2 改造后

圖3 某時刻運行情況

改造前后制冷機房設(shè)備參數(shù)如表1 所示：

表1 制冷機房設(shè)備參數(shù)

改造前空調(diào)系統(tǒng)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)：EER-sys改造前=3.37

改造后空調(diào)系統(tǒng)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)：EER-sys改造后=4.34

空調(diào)系統(tǒng)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)提高率：η=(EER-sys改造后-EER-sys改造前)/EER-sys改造前×100%=28.8%

實際過程中，改造前因主機水泵均運行23 年，主機和水泵效率均有不同程度的衰減，因此實際空調(diào)系統(tǒng)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)提高率遠(yuǎn)大于計算的28.8%。

通過精細(xì)化設(shè)計，機房中管路彎頭減少：減少管道彎頭（原機房彎頭46 個，直角三通14 個。改造后機房彎頭6 個，135°彎頭6 個，135°三通12 個），主機和水泵管徑由原來DN200 優(yōu)化為DN250，冷凍水流速由2.1 m/s 降到1.3m/s，比摩阻由311 Pa/m 降到97 Pa/m。冷卻水流速由2.29 m/s 降到1.44 m/s，比摩阻由384 Pa/m 降到125 Pa/m。相應(yīng)管路中單個閥門、過濾器或彎頭等局部阻力降幅約達(dá)60%。

該項目目前運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)能效可達(dá)到5.7。

5 結(jié)語

制冷機房精細(xì)化設(shè)計應(yīng)根據(jù)項目的實際情況，既要考慮系統(tǒng)節(jié)能，又要考慮項目的投資性價比，還應(yīng)考慮項目在施工過程中的可操作性，是一個動態(tài)的全過程分析，從項目逐時負(fù)荷計算，全年動態(tài)冷負(fù)荷分析確定主機總?cè)萘考爸鳈C搭配，到設(shè)計過程中管路優(yōu)化等每個細(xì)節(jié)都應(yīng)認(rèn)真詳細(xì)計算，對中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。