劉坡軍 陳衷華 陳立章 利一鋒

廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般中央空調(diào)能耗約占整個(gè)建筑總能耗的50%左右，商場(chǎng)和綜合樓高達(dá)65%以上。制冷機(jī)房能耗（制冷主機(jī)、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(jī)房能耗對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能起關(guān)鍵作用。同時(shí)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(jī)房存在空調(diào)設(shè)備老化，設(shè)備能耗高等問題，制冷機(jī)房節(jié)能改造工作量日益顯著。制冷機(jī)房精細(xì)化設(shè)計(jì)對(duì)降低建筑能耗起到非常重要的作用。

1 制冷機(jī)房精細(xì)化設(shè)計(jì)

制冷機(jī)房主要由制冷主機(jī)、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(jī)房能耗均由以上各部分能耗組成，筆者結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行討論分析。

1.1 制冷機(jī)房總裝機(jī)容量的確定

目前，有些設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤的利用設(shè)計(jì)手冊(cè)中供方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(jì)規(guī)范》和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》均要求施工圖設(shè)計(jì)必須進(jìn)行逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算，確定空調(diào)系統(tǒng)總裝機(jī)容量。

1.2 制冷機(jī)房冷水機(jī)組的選擇

1.2.1 新建建筑

為提高冷水機(jī)組的全年運(yùn)行能效，其優(yōu)化配置方案應(yīng)基于詳細(xì)的建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，考慮全年氣象參數(shù)對(duì)機(jī)組運(yùn)行性能的影響以及不同負(fù)荷需求下的機(jī)組運(yùn)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(duì)建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)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(jì)算方法[1]計(jì)算，該簡化計(jì)算方法計(jì)算的全年供冷季負(fù)荷與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差為10%～20%之間，認(rèn)為該簡化計(jì)算方法計(jì)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(gè)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(shí)際建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱為動(dòng)態(tài)傳熱過程。采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法計(jì)算逐時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷存在較大的誤差。然而對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)的累積冷負(fù)荷的計(jì)算，穩(wěn)態(tài)計(jì)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(jì)算時(shí)間步長，1 h。

注：可通過該地區(qū)典型年份全年逐時(shí)氣象參數(shù)查出各個(gè)時(shí)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(jì)算：

式中：G 為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入建筑的總新風(fēng)量，包括機(jī)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(jì)算：

式中：q3為成年男子全熱散熱量，W；n 為每小時(shí)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(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)中的耗電量數(shù)據(jù)計(jì)算：

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

1.2.2 制冷機(jī)房改造類既有建筑

通過分析制冷機(jī)房歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出建筑全年動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷。

根據(jù)建筑動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷[2]情況，并統(tǒng)計(jì)獲得建筑全年的負(fù)荷頻率分布曲線以及相對(duì)應(yīng)的室外濕球溫度分布特性，在結(jié)合冷水機(jī)組特點(diǎn)，通過擬定運(yùn)行模式，制冷主機(jī)優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最大限度的讓機(jī)房系統(tǒng)中的各個(gè)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(jī)房能耗。

1.2.3 根據(jù)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷情況，合理平衡，確定冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)和搭配

宜按照大小主機(jī)搭配的方式，選擇冷水機(jī)組，確保各個(gè)負(fù)荷段機(jī)組均能在高效率下運(yùn)行。機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇應(yīng)合理。

1）對(duì)于設(shè)計(jì)冷負(fù)荷大于528 kW 以上的公共建筑，機(jī)組設(shè)置不宜少于2 臺(tái)。臺(tái)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(shí)機(jī)組出現(xiàn)故障，影響的比例就大。機(jī)組臺(tái)數(shù)少，單臺(tái)額定制冷量大，較低負(fù)荷時(shí)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組效率低且對(duì)離心式機(jī)組，易發(fā)生喘振現(xiàn)象。

2）要避免機(jī)組臺(tái)數(shù)過多。臺(tái)數(shù)多存在的問題有：單機(jī)容量下降，機(jī)組COP 下降，能耗高。機(jī)組臺(tái)數(shù)多，配置的循環(huán)水泵多，占用機(jī)房面積就大，同時(shí)水泵并聯(lián)多，并聯(lián)損也失高。

3）根據(jù)項(xiàng)目節(jié)能的定位和項(xiàng)目綠色建筑星級(jí)別設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合業(yè)主的實(shí)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(jī)。

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(jì)算

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

經(jīng)濟(jì)流速的確定：流速過大空調(diào)水系統(tǒng)水泵運(yùn)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(jì)流速和經(jīng)濟(jì)比摩阻。

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

冷水管采用鋼管或鍍鋅管時(shí)，比摩阻一般為50～200 Pa/m。

設(shè)計(jì)過程中宜選擇經(jīng)濟(jì)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(duì)阻力的影響也越小，流速為0.1～0.2 m/s 時(shí)，流速與比摩阻關(guān)系曲線出現(xiàn)一個(gè)比較明顯的轉(zhuǎn)折，當(dāng)流速小于該區(qū)域時(shí)，流速對(duì)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(jī)房內(nèi)連接主機(jī)、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(yáng)程，在條件允許的情況下制冷機(jī)房內(nèi)水流速按照ν≤1.5 m/s 設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)選擇低阻力的主機(jī)、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(yùn)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(yùn)行時(shí)間明顯大于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間。不論采用供回水壓差控制還是溫差控制，低負(fù)荷率時(shí)達(dá)到的節(jié)能效果均優(yōu)于同一條件下高負(fù)荷率時(shí)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(duì)降低機(jī)房能效非常重要[5]。

1.4 制冷機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)房群控系統(tǒng)

制冷機(jī)房主要的耗能設(shè)備為冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔，機(jī)房的綜合能耗由每個(gè)單體設(shè)備的能耗累加而成，但是每個(gè)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(yùn)行會(huì)相互影響，通過設(shè)置機(jī)房群控系統(tǒng)尋找整個(gè)制冷機(jī)房的最佳效率點(diǎn)，保證制冷機(jī)房能動(dòng)態(tài)地運(yùn)行在最佳效率點(diǎn)上實(shí)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(jì)實(shí)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(huì)議中心，4～25層為辦公用房，該項(xiàng)目到改造前已經(jīng)運(yùn)行了約23 年，改造內(nèi)容：制冷機(jī)房內(nèi)設(shè)計(jì)及管道（樓層末端不在改造范圍內(nèi)），改造前后實(shí)景照分別如圖1、2，改造后某時(shí)刻運(yùn)行情況如圖3。

圖1 改造前

圖2 改造后

圖3 某時(shí)刻運(yùn)行情況

改造前后制冷機(jī)房設(shè)備參數(shù)如表1 所示：

表1 制冷機(jī)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(shí)際過程中，改造前因主機(jī)水泵均運(yùn)行23 年，主機(jī)和水泵效率均有不同程度的衰減，因此實(shí)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(jì)算的28.8%。

通過精細(xì)化設(shè)計(jì)，機(jī)房中管路彎頭減少：減少管道彎頭（原機(jī)房彎頭46 個(gè)，直角三通14 個(gè)。改造后機(jī)房彎頭6 個(gè)，135°彎頭6 個(gè)，135°三通12 個(gè)），主機(jī)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(gè)閥門、過濾器或彎頭等局部阻力降幅約達(dá)60%。

該項(xiàng)目目前運(yùn)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(jī)房精細(xì)化設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，既要考慮系統(tǒng)節(jié)能，又要考慮項(xiàng)目的投資性價(jià)比，還應(yīng)考慮項(xiàng)目在施工過程中的可操作性，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的全過程分析，從項(xiàng)目逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，全年動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷分析確定主機(jī)總?cè)萘考爸鳈C(jī)搭配，到設(shè)計(jì)過程中管路優(yōu)化等每個(gè)細(xì)節(jié)都應(yīng)認(rèn)真詳細(xì)計(jì)算，對(duì)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(jì)人員的重視。