高效機(jī)房在區(qū)域集中供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

引言

無(wú)論是大型商業(yè)建筑還是工業(yè)廠房,空調(diào)系統(tǒng)都是主要耗能設(shè)備,耗電量占建筑總能耗的50%~60％,而其中制冷系統(tǒng)是主要的耗電設(shè)備,冷占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)耗電量的80％。通過(guò)高效制冷機(jī)房的設(shè)計(jì),提高制冷機(jī)房的系統(tǒng)運(yùn)行能效,可有效實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。

廣州某區(qū)域集中供冷冷戰(zhàn)打破普通制冷機(jī)房的傳統(tǒng)設(shè)計(jì),將高效機(jī)房的設(shè)計(jì)理念融入到集中供冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,在集冷用約地錯(cuò)峰降容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低能耗,實(shí)現(xiàn)了冷戰(zhàn)全年綜合能效值EER≥3.55W/W,冷戰(zhàn)全年單位冷量電費(fèi)成本≤0.15元/(kW·h)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1高效機(jī)房設(shè)計(jì)原則

建成一個(gè)高效地完善的區(qū)域集中供冷系統(tǒng),需要從工藝設(shè)計(jì)地設(shè)備選型地參數(shù)匹配等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。根據(jù)GB7T50378一2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)高效制冷機(jī)房的等級(jí)要求,廣州某區(qū)域集中供冷冷戰(zhàn)從以下幾方面來(lái)實(shí)現(xiàn)冷戰(zhàn)的高效設(shè)計(jì)。

1.1高效設(shè)備

冷水機(jī)組是整個(gè)系統(tǒng)中耗電量最大的設(shè)備,選用能效比高地制冷效率高的冷水機(jī)組并合理選型使機(jī)組始終在高效率點(diǎn)附近運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)高效機(jī)房最核心的保證。

1.2運(yùn)行策略

(1)改變冷卻塔的運(yùn)行控制策略,使塔組根據(jù)負(fù)荷變化變流量運(yùn)行,并采用變頻控制,盡可能降低塔組的運(yùn)行能耗。

(2)冷水機(jī)組地冷卻塔以及水泵的運(yùn)行均采用變頻控制。

1.3優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)

1.3.1降低設(shè)備阻力

設(shè)備的阻力主要來(lái)源于冷水機(jī)組的水阻力,降低水阻力對(duì)降低水泵揚(yáng)泵有一定的幫助,但同時(shí)機(jī)組的造價(jià)也會(huì)隨之提高,因而需要綜合考慮節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性,盡量選用高能效等級(jí)、低水阻的設(shè)備。

1.3.2管路優(yōu)化

從管道布置上采用順?biāo)ù嬲?減少管路彎頭以及不必要的閥件。

1.3.3泵組設(shè)計(jì)

水泵作為輸送流體設(shè)備,其輸送動(dòng)力能耗占整個(gè)空高系統(tǒng)的20%左右,對(duì)于大型冷站而言,泵組基本全年24h都處于運(yùn)行狀態(tài),如何降低整個(gè)系統(tǒng)中水泵的消耗功率,也是降低系統(tǒng)整體能耗的關(guān)鍵。除了降低整個(gè)系統(tǒng)的阻力以外,還需要在工藝設(shè)計(jì)方面盡可能減少泵組的配置。

2技術(shù)方案

廣州某區(qū)域集中供冷冷站機(jī)房以冷站全年綜合能效值EER≥3.55w/w,冷站全年單位冷量電費(fèi)成本≤0.15元/(kw·h)為設(shè)計(jì)目標(biāo),將目標(biāo)層層分解到設(shè)備選型、工藝優(yōu)化等各個(gè)方面。項(xiàng)目采用以下技術(shù)方案,將高效機(jī)房的設(shè)計(jì)理念融入到集中供冷系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)中,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳的目的。

2.1高能效比的冷水機(jī)組

(1)綜合國(guó)標(biāo)要求并結(jié)合冷站機(jī)房的實(shí)際情況,制冷機(jī)組的選用原則按各主流主機(jī)廠家提供的最優(yōu)c0P參數(shù)取平均值,要求蒸發(fā)器和冷凝器的水阻力控制在50kPa以下,蒸發(fā)器、冷凝器可變流量范圍在30%~100%。根據(jù)冷站的整體設(shè)計(jì)要求,要求制冷主機(jī)的蒸發(fā)器在設(shè)計(jì)工況下的水壓降不高于50kPa,市場(chǎng)上某知名品牌的制冷主機(jī)通過(guò)選型,其蒸發(fā)器在設(shè)計(jì)工況下的水壓降超過(guò)設(shè)計(jì)值約87kPa,達(dá)到140kPa。水泵的揚(yáng)程也相應(yīng)增加了8.7m,由原來(lái)的24m增加至32.7m。水泵的軸功率計(jì)算公式如下:

1)當(dāng)水泵的流量Q為1250m3/h,效率7為85%,揚(yáng)程H為24m時(shí),水泵的軸功率為96kw:

2)當(dāng)水泵的流量Q為1250m3/h,效率7為85%,揚(yáng)程H為32.7m時(shí),水泵的軸功率為131kw。

根據(jù)水泵軸功率選型,在揚(yáng)程由24m增加至32.7m時(shí),電機(jī)功率需要增加一個(gè)等級(jí),功率增加了約50kw,可見(jiàn)制冷主機(jī)的兩器水壓降對(duì)水泵選型的影響是至關(guān)重要的。

(2)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)保持機(jī)組在"高效區(qū)間"范圍內(nèi)運(yùn)行,盡量避免在非高效區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。如圖1、圖2所示,當(dāng)主機(jī)負(fù)荷率低于80%時(shí),c0P值有下降的趨勢(shì)。因此,在制冷主機(jī)容量選型配置時(shí),應(yīng)該充分考慮負(fù)荷的變化,保證主機(jī)盡可能在高效區(qū)間運(yùn)行。

2.2冷卻塔變流量運(yùn)行

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì),制冷主機(jī)和冷卻塔的運(yùn)行臺(tái)數(shù)一一對(duì)應(yīng)控制,當(dāng)一臺(tái)冷卻塔達(dá)到滿負(fù)荷時(shí),再開(kāi)啟第二臺(tái)塔,如圖3所示,通常單臺(tái)冷卻塔在80%~100%的高負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行。

冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗占制冷機(jī)房系統(tǒng)能耗比例不高,但對(duì)系統(tǒng)能效影響較大,主機(jī)冷凝水回水溫度降低2℃,主機(jī)能效可提升6%左右,可通過(guò)適當(dāng)加大冷卻塔散熱面積、減小冷幅,來(lái)提升系統(tǒng)能效。

廣州某集中供冷冷站采用變流量冷卻水系統(tǒng),根據(jù)每臺(tái)冷卻塔可運(yùn)行的最小負(fù)荷來(lái)設(shè)定冷卻塔的開(kāi)啟數(shù)量。例如:當(dāng)冷卻塔最低可在30%的流量范圍實(shí)現(xiàn)均勻布水時(shí),可同時(shí)開(kāi)啟3臺(tái)冷卻塔,將600RT制冷主機(jī)的冷凝水均勻分布在3臺(tái)冷卻塔上進(jìn)行冷卻,換熱面積增加到300%,換熱風(fēng)量增加到180%,使得相同容量的冷凝水能夠充分利用最大填料換熱面積,有效降低主機(jī)冷凝溫度,達(dá)到提升主機(jī)能效的目的,如圖4所示。同時(shí),冷卻塔在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn),運(yùn)行噪聲明顯降低,總電量也同時(shí)下降,達(dá)到用最小的風(fēng)機(jī)能耗為制冷主機(jī)提供最佳回水溫度的目的。

圖3傳統(tǒng)冷卻塔運(yùn)行方式示意圖

圖4變流量冷卻塔運(yùn)行方式示意圖

2.3冷凍水泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)集中供冷項(xiàng)目考慮到冷凍水管網(wǎng)的輸送阻力,一般采用二次泵系統(tǒng),如圖5所示。廣州某集中供冷冷站的集中供冷室外管網(wǎng)摒棄了二次泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在按最不利用戶管路阻力水力平衡計(jì)算的前提下,采用一次泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì),如圖6所示。

與二次泵方案相比,一次泵的總揚(yáng)程減少5~7m,水泵總軸功率減少12%~20%,降低了輸送能耗(水泵本身及進(jìn)出口的阻力損失),可見(jiàn)采用一次泵系統(tǒng)方案可減小系統(tǒng)阻力損失,有效降低系統(tǒng)能耗,有助于實(shí)現(xiàn)高效機(jī)房設(shè)計(jì)理念,同時(shí)減少二次泵組后,也相應(yīng)減少了機(jī)房噪聲源,降低了機(jī)房噪聲。

2.4優(yōu)化整體工藝布置

通過(guò)BIM設(shè)計(jì)對(duì)站內(nèi)主要設(shè)備的擺放位置及機(jī)房?jī)?nèi)管道走向進(jìn)行優(yōu)化排布,通過(guò)合理布置管路,使空間布局更加合理,設(shè)備檢修更加方便,管路水流更加通暢,降低水系統(tǒng)輸送能耗。

在盡量減少管路彎頭以及不必要的閥件的前提下,用順?biāo)ù嬲?鈍角彎頭代替直角彎頭,來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的阻力,相應(yīng)的水泵揚(yáng)程及配電功率均得到降低。從表1、表2可對(duì)比看出不同型式的管路以及彎頭對(duì)管道阻力的影響。

2.5水泵及冷卻塔變頻調(diào)節(jié)

水泵及冷卻塔均采用變頻調(diào)節(jié)的方式。冷卻水泵按照主機(jī)換熱負(fù)荷及流量范圍,根據(jù)冷凝器的進(jìn)出水溫差進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。冷卻塔變風(fēng)量控制技術(shù)通過(guò)冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度差進(jìn)行變風(fēng)量控制,可實(shí)現(xiàn)冷卻塔出水溫度隨著室外溫度的降低而降低,提供更優(yōu)質(zhì)的冷卻水給主機(jī),實(shí)現(xiàn)主機(jī)節(jié)能。

3結(jié)語(yǔ)

區(qū)域集中供冷因其較低的建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用、較高的能源利用效率和空調(diào)系統(tǒng)安全性,在大型CBD區(qū)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。廣州某集中供冷冷站將高效機(jī)房的理念融入到機(jī)房的設(shè)計(jì)中,通過(guò)選用高能效設(shè)備,控制設(shè)備以及管道的阻力損失,改變冷卻塔的運(yùn)行控制策略以及優(yōu)化水泵泵組的配置等技術(shù)方案,助力集中供冷的制冷機(jī)房能耗水平達(dá)到國(guó)際綠色節(jié)能綜合能效比的要求,最終實(shí)現(xiàn)全年綜合能效值EER≥3.55w/w,冷站全年單位冷量電費(fèi)成本<0.15元/(kw·h)的高效節(jié)能目標(biāo)。