梁德文 ，張斯雅

（1. 廣東南海國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東省佛山市 528000；2. 廣東省制冷學(xué)會(huì)，廣東省廣州市 510080）

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)在提供舒適環(huán)境的同時(shí)，也成為了建筑中的能耗大戶。廣東地區(qū)采用中央空調(diào)系統(tǒng)的公共建筑，空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占建筑總能耗的30%～60%，對(duì)建筑環(huán)境舒適性要求高的商場(chǎng)、酒店的空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的60%以上。而制冷站系統(tǒng)能耗占集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的60%～90%。因此，提升中央空調(diào)制冷站系統(tǒng)的能效對(duì)降低建筑的能耗，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能有明顯的作用，為碳達(dá)峰、碳中和出一份力。

作為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的一線設(shè)計(jì)師，筆者將以佛山某綜合體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)為例，對(duì)中央空調(diào)高效制冷站設(shè)計(jì)中所遇到的難點(diǎn)、重點(diǎn)以及采用的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行歸納、總結(jié)、分享，以供參考。

中央空調(diào)高效制冷站其實(shí)不僅限于“冷水機(jī)房”，而是整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì)，我們?cè)诜鹕侥尘C合體項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中總結(jié)出三項(xiàng)重點(diǎn)難點(diǎn)：

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化選型，包括冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔，采用高能效設(shè)備是系統(tǒng)達(dá)到綜合能效最佳的前提；

空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低管網(wǎng)阻力，降低水泵揚(yáng)程，減少水系統(tǒng)輸送動(dòng)力能耗；

空調(diào)制冷站系統(tǒng)控制深化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等主要能耗設(shè)備的精確、高能效運(yùn)行。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化選型

1.1 冷水機(jī)組優(yōu)化選型。

本項(xiàng)目根據(jù)全年逐時(shí)冷負(fù)荷需求模型進(jìn)行分析，結(jié)合節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行策略，為本項(xiàng)目比選綜合能效較佳的主機(jī)組合形式，最終選用2×1000RT變頻離心式冷水機(jī)組+1×500RT變頻離心式冷水機(jī)組。設(shè)備選型時(shí)選用超高效冷水機(jī)組，名義工況的參數(shù)值須高于《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50189和《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50387要求：

1000RT變頻離心式冷水機(jī)組：

COP=6.05＞5.9×0.93×1.06（綠建要求提高6%），

500RT變頻離心冷水機(jī)組：

COP=6.47＞5.7×0.93×1.06（綠建要求提高6%），

冷凍水供回水溫度：7-12℃，冷卻水供回水溫度36-31℃。冷卻水溫度對(duì)應(yīng)是冷水機(jī)組的冷凝溫度，對(duì)于離心機(jī)組，根據(jù)理論循環(huán)溫熵和壓焓分析，冷卻水溫度小范圍的變化，其通過(guò)自身調(diào)節(jié)，保證制冷量不變，且冷卻水溫度降低時(shí)，制冷量不變，壓縮功減少，耗電量減少，從而提高COP。本案例采用冷卻水進(jìn)水溫度降低1℃，主機(jī)COP相對(duì)37-32℃工況提高約3%。

蒸發(fā)器水阻力：≤60kPa，高能效的冷水機(jī)組，在某一確定系列機(jī)型，其換熱器越大，蒸發(fā)器、冷凝器阻力越低。

1.2 水泵選型優(yōu)化。

本項(xiàng)目處于夏熱冬暖地區(qū)，水泵的能耗在典型公共建筑空調(diào)能耗中，約占15%，其能耗用于克服管道阻力，因此，水泵的化應(yīng)結(jié)合管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備效率來(lái)考慮。

1）優(yōu)化水系統(tǒng)阻力，降低水泵揚(yáng)程。

關(guān)于管網(wǎng)部分，詳見本文“二、空調(diào)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)”。主機(jī)與水泵一對(duì)一連接，可減少部分蝶閥、過(guò)濾器以及合流三通；冷卻塔盡量靠近機(jī)房放置，縮短冷卻水的長(zhǎng)度，有助于降低冷卻水泵揚(yáng)程。

2）選用效率大于80%的水泵、冷卻水泵。

3）冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻控制。由于泵與風(fēng)機(jī)的比例定律，

式中N——轉(zhuǎn)速為n時(shí)，泵的功率，

N1——轉(zhuǎn)速為n1時(shí)，泵的功率。

水泵功率與頻率的3次方成正比，空調(diào)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷時(shí)水泵變頻可大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)輸送動(dòng)力能耗。本項(xiàng)目為一次泵變流量系統(tǒng)，冷凍水泵根據(jù)壓差信號(hào)變頻運(yùn)行，通過(guò)降低頻率，可大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)輸送動(dòng)力能耗。但需注意的是，由于冷卻水流量和水溫影響主機(jī)COP，故冷卻水泵在部分負(fù)荷時(shí)不一定節(jié)能，只有冷卻水泵功耗在機(jī)組的綜合性能系數(shù)中的比重較大時(shí)，變頻采用節(jié)能效果。

1.3 冷卻塔選型優(yōu)化。

雖然冷卻塔只有風(fēng)機(jī)部分直接產(chǎn)生能耗，但上文提及到冷卻水對(duì)主機(jī)COP的決定性作用，因此，冷卻塔的優(yōu)化選型非常關(guān)鍵。

本項(xiàng)目的優(yōu)化措施：

1）降低冷卻塔塔體揚(yáng)程。冷卻塔布水器與集水盤液面高度之差即塔體揚(yáng)程的大小，直接影響到冷卻水泵揚(yáng)程的大小，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用塔體揚(yáng)程小的冷卻塔。

2）冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻。本項(xiàng)目所采用的5臺(tái)名義冷卻水流量為425m3/h的冷卻塔運(yùn)行在50Hz時(shí)，單臺(tái)風(fēng)量為280000m3/h，用電量18.5kW。與傳統(tǒng)的單機(jī)對(duì)單塔運(yùn)行方式相比，若5臺(tái)冷卻塔變頻運(yùn)行 在30Hz時(shí)，總 風(fēng) 量3×280000=5×16800=840000m3/h 不變，換熱面積5:3增大了67%有利于降低冷卻塔進(jìn)出水溫度，5臺(tái)塔的總用電量總用電量19.98kW:55.5kW節(jié)電64%，且低頻狀態(tài)下冷卻塔風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，噪音明顯降低。

3）采用變流量噴灑技術(shù)。常規(guī)冷卻塔在低水量時(shí)布水不均，循環(huán)水量變小時(shí)噴淋面積變小導(dǎo)致?lián)Q熱面積浪費(fèi)。采用變流量噴灑技術(shù)的冷卻塔，確保30%～100%循環(huán)水量時(shí)均能實(shí)現(xiàn)均勻布水，有效降低冷卻塔進(jìn)出水溫度，實(shí)現(xiàn)主機(jī)能效提升。

4）嚴(yán)格要求冷卻塔的填料換熱面積，確保冷卻塔熱交換能力。關(guān)于冷卻塔的選型部分設(shè)計(jì)師存在一個(gè)誤區(qū)，為了確保冷卻塔的冷卻效果把冷卻塔選型放大，經(jīng)?？吹嚼鋮s塔的水流量是主機(jī)冷卻水流量的1.5倍甚至更大，看起來(lái)“冷卻效果”很有保障，但若單位流量的填料面積不足，也無(wú)法起到充分散熱，反而引起冷卻水溫度偏高，主機(jī)能耗增加，甚至無(wú)法開機(jī)。冷卻塔熱交換能力的關(guān)鍵是風(fēng)量和換熱面積，設(shè)計(jì)時(shí)可參考表1對(duì)冷卻塔填料換熱面積作要求。

表1 冷卻塔每噸冷卻水填料換熱面積m2

5）為盡可能提高主機(jī)的COP，冷卻塔進(jìn)出水溫度分別選取35.5-30.5℃，36-31℃進(jìn)行擺放位置的論證。

本項(xiàng)目采用35.5-30.5℃塔體的面積為36-31℃的1.1倍，結(jié)合屋面擺放冷卻塔的位置，

最終確定冷卻塔每噸冷卻水可配置8.3m2填料換熱面積，冷卻水進(jìn)出水溫度可達(dá)到36-31℃。若冷卻塔擺放空間足夠，且通風(fēng)條件允許時(shí)建議增加填料換熱面積以降低冷卻塔進(jìn)出水溫度。

2 空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 采用低流速確定機(jī)房?jī)?nèi)水管管徑。

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備、管件種類與數(shù)量較多，局部阻力為主要的管道阻力，管道局部阻力

⊿pj——局部阻力，pa；

ρ——水的密度，1000kg/m3；

υ——水的流速，m/s。

根據(jù)以上公式，建議采用≤1.5m/s管內(nèi)低流速來(lái)確定機(jī)房?jī)?nèi)的水管管徑，不建議采用經(jīng)濟(jì)比摩阻≤100pa/m的方法。

2.2 選用低阻力閥件和避免重復(fù)設(shè)置閥。

常規(guī)Y 型水過(guò)濾器阻力一般10～30kPa，選用水阻小于5kPa的籃式過(guò)濾器可有效降低水系統(tǒng)阻力。水泵入口還可以選擇直角式過(guò)濾器，連接水平管和豎向管道，節(jié)省一個(gè)彎頭及其阻力損失。常規(guī)止回閥為蝶式止回閥，阻力一般10～20kPa，建議選用水阻小于5kPa的靜音式止回閥可有效降低水系統(tǒng)阻力。

2.3 接管低阻力設(shè)計(jì)。

統(tǒng)一水泵進(jìn)出水口與主機(jī)進(jìn)出口的安裝高度，使主機(jī)與水泵水平對(duì)接，直進(jìn)直出可避免多個(gè)彎頭。機(jī)房?jī)?nèi)水管路設(shè)置彎頭時(shí)應(yīng)減少直角彎和直三通，盡量設(shè)置順?biāo)畯濐^和斜三通，前者的局部阻力是后者的1.5倍或以上。此外，取消落地式分集水器可減少?gòu)濐^數(shù)量。

圖1 冷水機(jī)房局部接管剖面圖

2.4 冷水干管低阻力設(shè)計(jì)。

式中

⊿P1——管徑為d1時(shí)，單位流量所產(chǎn)生的阻力；

⊿P2——管徑為d2時(shí)，單位流量所產(chǎn)生的阻力。

根據(jù)以上公式可知，相同流量時(shí)，管道的阻力與管徑的反比的5次方，采用DN300的管徑取代DN250，管路阻力減小60%，因此，適當(dāng)增大干管的管徑，有助于降低管道的阻力。

2.5 選用低水阻空調(diào)末端。

末端選型時(shí)選用低水阻空調(diào)機(jī)組，盡可能降低水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力。組合式空調(diào)機(jī)組和柜式空調(diào)機(jī)組水阻力控制在50kPa以內(nèi)，風(fēng)機(jī)盤管水阻力控制在30kPa以內(nèi)。

3 空調(diào)制冷站系統(tǒng)控制深化設(shè)計(jì)

前面所提到設(shè)備選型和管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是中央空調(diào)高效冷水機(jī)房的硬件部分，群控系統(tǒng)則將這些設(shè)備的控制信號(hào)與接點(diǎn)，以及通過(guò)一定邏輯的控制策略，實(shí)現(xiàn)智能、高效地運(yùn)行，并且記錄運(yùn)行所需的一切必要數(shù)據(jù)。

節(jié)能控制系統(tǒng)是整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)不可或缺的大腦，充分發(fā)揮中央空調(diào)系統(tǒng)綜合部分負(fù)荷的最優(yōu)能效，達(dá)到全年中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)房系統(tǒng)高效運(yùn)行效果。目前各大空調(diào)主機(jī)廠家或集成商均有推出節(jié)能控制系統(tǒng)，各自算法及策略有所不同，但控制系統(tǒng)的目的都是確保系統(tǒng)性能系數(shù)最高( 即系統(tǒng)整體能耗最低)。在設(shè)計(jì)階段，需要明確和強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的機(jī)房群控須包含以下功能：

● 冷水機(jī)組啟停，加減機(jī)組的控制；

● 冷凍水出水溫度重新設(shè)置控制；

● 冷凍、冷卻水泵啟停、臺(tái)數(shù)及頻率控制；

● 冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停、臺(tái)數(shù)及頻率控制；

● 自動(dòng)采集冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：電量、流量、能量、冷凍冷卻水供回水溫度、室外干濕球溫度等值，用于計(jì)算并在人機(jī)界面顯示年度、季度、月以及當(dāng)日運(yùn)行能效；

● 根據(jù)《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效檢測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ/T15-129中的要求，明確所用的儀器儀表的精度。

結(jié) 語(yǔ)

要實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)制冷站系統(tǒng)高能效運(yùn)行，精細(xì)化設(shè)計(jì)、高性能設(shè)備、高精度測(cè)量、全過(guò)程監(jiān)造、數(shù)智化運(yùn)維，而這五個(gè)因素，缺一不可。目前行業(yè)仍處在在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均不完善的階段，作為設(shè)計(jì)師，有必要在設(shè)計(jì)階段，充分對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高能效運(yùn)行，在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，須提出更精細(xì)、更明確的要求：

1. 采用高能效制冷設(shè)備，高效率輸送設(shè)備；

2. 精細(xì)化進(jìn)行水系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算和設(shè)計(jì)；

3. 對(duì)制冷站中的機(jī)房群控進(jìn)行必要的學(xué)習(xí)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行、管理與調(diào)適所需的測(cè)量點(diǎn)、數(shù)據(jù)做出明確要求。

為中央空調(diào)高能效制冷站系統(tǒng)的最終達(dá)成打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，保障項(xiàng)目集中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高能效運(yùn)行。