上海某超高層綜合體冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 逸（科進(jìn)柏誠工程技術(shù)（北京）有限公司上海分公司，上海 200052）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市，包含一棟 100 m 內(nèi)的辦公塔樓，一棟 250 m 內(nèi)的辦公塔樓，及地上三層裙房商業(yè)，四層地庫，其中 B 1、B 2 為商業(yè)，總建筑面積約為 35 萬 m3。

2 室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目采用的室外設(shè)計(jì)參數(shù)參考 GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1；室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表 2。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要功能為辦公及商業(yè)，兩者統(tǒng)一管理運(yùn)營。考慮到商業(yè)與辦公冷熱負(fù)荷曲線峰谷值出現(xiàn)時間不同，中央冷源可以起到錯峰作用，減少冷水機(jī)組的裝機(jī)容量，以及提高運(yùn)行效率，在項(xiàng)目初期與客戶溝通后確認(rèn)本項(xiàng)目設(shè)置中央冷熱源系統(tǒng)。

3.1 冷源系統(tǒng)選擇

以下從系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性及可持續(xù)性等不同維度，對不同的冷源系統(tǒng)方案進(jìn)行了分析和比較，對比見表 3。

表3 不同冷源形式的優(yōu)劣對比

冰蓄冷系統(tǒng)能夠移峰填谷，減少高峰時刻對電網(wǎng)的沖擊，但系統(tǒng)運(yùn)行操作復(fù)雜，且冰蓄冷系統(tǒng)初投資較大，雖然上?，F(xiàn)峰谷電價比為 1∶4.2，運(yùn)行費(fèi)用相對節(jié)省，但受政策影響，峰谷電價存在不穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。另外，本項(xiàng)目地處中心地段，冰蓄冷系統(tǒng)占用較大的機(jī)房面積，影響可租賃面積。故綜合考慮，本項(xiàng)目不采用冰蓄冷系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)雖然可以提供較高的熱源熱水效率，減少全年運(yùn)行能耗，但需較大面積實(shí)施地埋管，本項(xiàng)目受用地面積限制，僅能在地庫大底板下方設(shè)置地埋管，地埋管施工需與大底板施工相配合，施工工期加長，且埋管費(fèi)用較大，經(jīng)濟(jì)性較差。 故綜合考慮，本項(xiàng)目不采用地源熱泵系統(tǒng)。因本項(xiàng)目沒有全年熱源需求，溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)不適用。最終選擇了較為常規(guī)的方案一：常規(guī)冷水機(jī)組＋冷卻塔。

3.2 負(fù)荷估算

通過軟件模擬本項(xiàng)目的冷熱負(fù)荷，峰值冷負(fù)荷為 9 183 RT，其中夜間最小冷負(fù)荷為 336 RT，廚房預(yù)冷負(fù)荷為 558 RT。峰值熱負(fù)荷為 17 348 kW，廚房預(yù)熱負(fù)荷為 898 kW。冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表 4，冷負(fù)荷曲線見圖 1。

表4 冷熱負(fù)荷估算

3.2 冷源配置分析

如表 5 所示根據(jù)負(fù)荷模擬結(jié)果，本項(xiàng)目冷源系統(tǒng)裝機(jī)容量為 9 200 RT，經(jīng)過對市場上主流冷水機(jī)組廠家產(chǎn)品調(diào)研，對冷水機(jī)組的不同配置進(jìn)行了分析及對比。

表5 冷源配置對比

經(jīng)上述對比分析可以看出，方案四在初投資及運(yùn)行費(fèi)用上都是最優(yōu)配置，雖然機(jī)組數(shù)量較其他方案一、二、五要多，但是提供更高的備用性，對機(jī)房面積影響可控，故最終選擇了方案四。

中央制冷機(jī)房設(shè)置于地下四層，共設(shè)置上述“方案 4”所確定的 4 臺 2 100 RT(高壓)離心式制冷機(jī)，及 2 臺 400 RT螺桿式制冷機(jī)。當(dāng)大冷機(jī)故障/維修時，仍能負(fù)擔(dān) 78% 最大冷負(fù)荷，小冷機(jī)最小 60 RT 負(fù)荷可以開機(jī)，提高系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性。冷凝器承壓為 1.0 MPa，蒸發(fā)器承壓為1.6 MPa。冷凍水供回水溫度為 6°～12°。與系統(tǒng)配套的冷卻塔設(shè)置在裙房屋面，與冷水機(jī)組一一對應(yīng)，冷卻塔水供/回水溫度為 32/37℃。冷源系統(tǒng)配置 1 臺1 400 kW 板式熱交換器作為過渡季節(jié)免費(fèi)供冷系統(tǒng)使用。

分我 冷凍水流量 水泵揚(yáng)程商業(yè) 45% 20 T1辦公 39% 22 T2辦公 16% 19

4 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 一次泵變流量系統(tǒng)

本項(xiàng)目水系統(tǒng)分別分布在商業(yè)、T1 辦公塔樓及 T2 辦公塔樓，經(jīng)計(jì)算各分我系統(tǒng)揚(yáng)程差在 3 m 以內(nèi)，若采用二次泵變流量系統(tǒng)，水泵能耗較一次泵變流量系統(tǒng)增加了 13%。各分我設(shè)計(jì)工況下冷凍水流量及揚(yáng)程如表 6 所示。從減少初投資、節(jié)省建筑面積以及減少運(yùn)行費(fèi)用等因素綜合考慮，采用變流量一級泵系統(tǒng)，水泵與冷機(jī)一一對應(yīng)。

4.1.1 水泵變頻的控制

一次泵變流量系統(tǒng)中，水泵按最不利環(huán)路末端壓差控制水泵流量，在不改變供回水溫差的前提下，滿足空調(diào)末端的冷量需求。冷凍水于各分我設(shè)多組供回水壓差傳感器，以平均或最大、最小、中間壓差數(shù)值計(jì)算流量需求，控制水泵轉(zhuǎn)速。到達(dá)水泵最小流量時，分集水器末端總壓差值控制旁通模擬電動調(diào)節(jié)閥開度，以保證水泵最小流量，見圖 2。冷凍水泵轉(zhuǎn)速由末端最不利環(huán)路壓差決定，與其他系統(tǒng)組件無連鎖關(guān)系。分別于冷凍水供回水主管上設(shè)置溫度傳感器，并于回水主管上設(shè)置流量傳感器，用來評估瞬時的冷凍水供回水溫度及總流量。

圖2 一次泵變流量系統(tǒng)示意圖

4.1.2 冷水機(jī)組選型

冷水機(jī)組的流量變化范圍和允許變化率是一次泵變流量系統(tǒng)中選取冷水機(jī)組的兩大指標(biāo)。本項(xiàng)目選擇允許水流量變化范圍大、適應(yīng)冷水流量變化率大、具有減少出水溫度波動的控制功能的冷水機(jī)組。

（1）機(jī)組允許的流量變化范圍。機(jī)組允許的流量變化范圍影響著冷源群控中關(guān)于冷水機(jī)組加減機(jī)的控制策略。冷水機(jī)組的最大流量由蒸發(fā)器最大許可的水壓降和水流對蒸發(fā)器管束的侵蝕因素決定。而冷水機(jī)組的最小流量會影響到蒸發(fā)器的換熱效果和運(yùn)行安全性等。經(jīng)與主流冷水機(jī)組廠家溝通，螺桿式冷水機(jī)組的最小流量一般在 30～50%，離心式冷水機(jī)組的最小流量可達(dá) 10～20%， 本項(xiàng)目中也是按此數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）機(jī)組允許的流量變化率。冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量變化必然引起冷水機(jī)組的出水溫度波動, 出水溫度的波動隨著機(jī)組允許的流量變化的加大而減小，選擇流量變化率較大的冷水機(jī)組有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免蒸發(fā)器發(fā)生結(jié)冰。本項(xiàng)目中機(jī)組允許的流量變化率建議為每分鐘30%～50%，這樣可以使冷水機(jī)組在啟停過程中單位時間所承受的流量變化相對較小。

4.1.3 冷水機(jī)組及冷凍水泵運(yùn)行策略

為避免大小冷機(jī)因蒸發(fā)器水壓降不同產(chǎn)生搶水情況，大小冷機(jī)僅在滿負(fù)荷情況下才一起運(yùn)行。

冷負(fù)荷小于 800 RT 的情況下,運(yùn)行策略為采用 400 RT的小機(jī)組運(yùn)行, 水泵與冷機(jī)一一對應(yīng)。

冷負(fù)荷在 800～8 400 RT 之間的情況下(占系統(tǒng)大部分工況), 運(yùn)行策略為采用 2 100 RT 的大冷機(jī)運(yùn)行, 冷機(jī)和水泵的臺數(shù)不必一一對應(yīng)。

冷負(fù)荷大于 8 400 RT 的情況下, 大小冷機(jī)需同時運(yùn)行,但因小冷機(jī)水壓降較高, 再加上水泵變頻引起揚(yáng)程降低, 小機(jī)組流通水量會不足, 有當(dāng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn); 同時因?yàn)榇笮±錂C(jī)冷凍水分配失衡, 出現(xiàn)大流量小溫差的情況, 不單冷機(jī)效能降低, 而且導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)流量高于設(shè)計(jì)值, 以及加減機(jī)控制失調(diào)等問題。為盡量較低失調(diào)風(fēng)險(xiǎn)，建議大小水泵回路分開, 小水泵必須保證小冷機(jī)最小流量，大水泵可繼續(xù)變頻，此控制較復(fù)雜,需在群控設(shè)計(jì)時與廠家深入配合。

4.2 空調(diào)水系統(tǒng)壓力分區(qū)

空調(diào)水系統(tǒng)中不同設(shè)備、管路及部件的工作壓力應(yīng)小于或等于其額定工作壓力。在超高層項(xiàng)目中，空調(diào)水系統(tǒng)的壓力分我更是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題?？照{(diào)水系統(tǒng)中的各種設(shè)備或部件有著不同的承壓等級，一般來說，冷水機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)的工作壓力為 1.0 MPa、 2.0 MPa、2.5 MPa 3 檔，2.5 MPa 承壓能力的冷水機(jī)組價格較高，在一般項(xiàng)目中使用較少；板式換熱器及水泵的承壓能力按項(xiàng)目要求選取，可達(dá) 2.5 MPa；一些末端設(shè)備，例如空調(diào)箱和風(fēng)機(jī)盤管，為控制成本及避免錯誤安裝，其工作壓力一般不超過 1.6 MPa。

對于超高層建筑來說，一般采用板式換熱器來進(jìn)行壓力分我。本項(xiàng)目中，冷凍機(jī)房設(shè)置在 B4 層，減少震動、噪音對相鄰樓層的影響，且可以不占用計(jì)容面積，于避難層及地庫機(jī)房內(nèi)設(shè)置板式換熱器來進(jìn)行壓力分我。由系統(tǒng)初投資、運(yùn)行能效、末端空調(diào)效果等因素來決定分我數(shù)量。合理的分我數(shù)量，可以減少避難層的機(jī)房面積，優(yōu)化供水溫度，保證系統(tǒng)能效，降低對末端設(shè)備的承壓要求。

綜合考慮了各項(xiàng)因素，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時明確了以下分我原則。

（1）商業(yè)末端承壓控制在 1.0 MPa，避免租戶裝修時風(fēng)機(jī)盤管選用不當(dāng)引起損壞；

（2）冷水機(jī)組主流廠家承壓一般為 1.0 MPa 及 2.0 MPa，部分廠家無 1.6 MPa 機(jī)組, 本項(xiàng)目選用 2.0 MPa

（3）L10 層 T 1 辦公高我板換/水泵/閥門選用 2.5 MPa

（4）L10 層 T 1 辦公中我板換/水泵/閥門選用 1.6 MPa

（5）B 4 層 T 2 辦公層板換/水泵/閥門選用 1.6 MPa

（6）辦公末端承壓可控制在 1.6 MPa

為確保商業(yè)末端承壓控制在 1.0 MPa，于地庫設(shè)置 T2 塔樓冷熱水板式換熱器，其工作壓力為 1.6 MPa，于 T1 塔樓 10/F 設(shè)置 T1 中我冷熱水板式換熱器，其工作壓力為 1.6 MPa，及T1 高我冷熱水板式換熱器，其工作壓力為 2.0 MPa，T2 塔樓及 T1 塔樓中、高我二次側(cè)冷凍水供回水溫度為 7°/13° ，采暖水供回水溫度為 58 ℃/43 ℃。

5 結(jié) 語

合理的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是綜合體項(xiàng)目中的一大重難點(diǎn)，每個項(xiàng)目的冷熱源都需要經(jīng)過多維度的分析進(jìn)行對比最終確定。本項(xiàng)目的空調(diào)冷源設(shè)計(jì)總結(jié)為以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

（1）本項(xiàng)目設(shè)置中央冷熱源系統(tǒng)，冷源采用 4 臺離心式高壓冷水機(jī)組及 2 臺螺桿式冷水機(jī)組，當(dāng)一臺離心機(jī)組故障/維修時，整套系統(tǒng)仍能負(fù)擔(dān) 78% 最大冷負(fù)荷，設(shè)置 2 臺螺桿式機(jī)組最小 60 RT 負(fù)荷可以開機(jī)，保證低負(fù)荷運(yùn)行需要。

（2）采用一次泵變流量系統(tǒng)，水泵與冷機(jī)一一對應(yīng)，運(yùn)行策略需考慮避免大小冷機(jī)因阻力不同產(chǎn)生搶水問題，建議可以僅在滿負(fù)荷時同時運(yùn)行大小冷機(jī)。

（3）空調(diào)水系統(tǒng)在 10/F 及 B 1 對不同我域進(jìn)行斷壓，僅設(shè)置一次斷壓，保證末端設(shè)備承壓不超過 1.6 MPa 的前提條件下，減少輸送能耗和熱力損失。