广东省建筑设计研究院有限公司 广东省 510010
摘要：本文主要浅析珠海某供电局大楼制冷机房优化设计，通过常规设计与高效机房设计对比，得出高效制冷机房设计的主要途径。
关键词 高效制冷机房 优化设计 节能
0 前言
2019年6月13日印发实施 《绿色高效制冷行动方案》 ，该方案主要目标之一是到2030 年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平提升25%以上[1]。该方案的主要任务之一是推进节能改造，加强制冷领域节能改造，重点支持中央空调节能改造、数据中心制冷系统能效提升。
在以上背景之下，为响应国家有关节能环保政策本人回顾一下在政策颁布之前曾参与的珠海市某供电局大楼高效制冷机房设计，可作为相似项目的参考。
1 项目概况及设计目标
珠海市某供电局办公大楼，包含客服中心、后勤保障、行政办公、员工食堂、数据中心等功能区，总空调面积约18000㎡，原设计一套水冷中央空调。我院接到设计任务时，现场除冷却塔及制冷机房未采购设备安装外，其余均已安装完毕。受业主委托，我院将对制冷机房进行优化设计，在增加投资静态回收期不大于3年的情况下，使制冷站冷源系统全年制冷综合能效比 EER冷≥4.55。
2 项目优化
2.1 各设备耗电占比分析
制冷系统主要用电设备为制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔。由原设计设备清单可知冷源各设备耗电占比如下：
由上图可看出主机能耗约占整个制冷站总能耗75%，是本次节能优化的重要环节。本次优化，首先应以负荷计算为依据，根据冷负荷值特性选配主机，减少主机常年低负荷运行。
2.2 系统优化及逐时负荷的确定
考虑到数据中心空调属于工艺性空调，需要全年全天运行，大楼其余部分均为舒适性空调，仅在每年4月-11月的工作日上午8:00~18:00运行。两者运行时间不一致，且数据中心最大冷负荷仅约250KW,全楼一套制冷系统将导致系统在非供冷季以极低负荷率运行满足数据中心使用，会导致整个系统运行能效低。因而建议业主将数据中心空调独立设计，不纳入水冷中央空调系统。
通过对大楼进行逐时负荷计算得到最大冷负荷（含新风）2925KW，较原设计装机容量（3517KW）少了592KW。经对比原设计逐时负荷计算书及空调系统设计，发现逐时负荷出入主要在以下两方面：1）原设计将大楼内的数据中心空调纳入了水冷中央空调系统。2）原逐时负荷计算时对大楼内餐厅的使用时间及办公室时间没有做细化区分。本栋大楼内的餐厅为员工食堂，仅在中午11:30~13：00运行，该负荷最大值不会出现在整个大楼最大负荷时刻（15:00），故而扣除该部分冷负荷约200KW。
2.3 主机选型的确定
由逐时负荷得到最大冷负荷（含新风）2925KW，如何选用主机，让整个系统在供冷季高效运行。要使系统部分负荷下也能高效运行，同时获得整个供冷季综合能效最高，需知道不同负荷率的时间占比。通过软件，对大楼进行年负荷计算，获得供冷季节4月1日-11月30日工作日上班时间每天最大负荷变化图及部分负荷频率分布图如下：
4月1日-11月30日每天负荷分布图
部分负荷频率分布图
由上述全年负荷计算结果可以看出，供冷季每天最大负荷变化不是很大，但从负荷分布频率图可以看出70%部分负荷以下的时间较长，因而制冷主机的选型及搭配应充分考虑低负荷时的系统节能性。选用制冷主机主要从以下几个方面综合考虑：满负荷COP、部分负荷NPLV，蒸发器、冷凝器的水压降（蒸发器、冷凝器的压降直接影响冷冻水泵、冷却水泵的扬程，进而影响水泵能耗）。通过对比不同厂家的产品资料，从中比选出能效比高，NPLV高，蒸发器与冷凝器的压降小，性价比好且机组搭配能保证供冷季全阶段高效运行的制冷机组。本项目拟选用3台280USRT（985KW）螺杆式冷水机。选用主机主要参数如下：
优化前（原设计）设备配置 | 优化后设备配置 | 优化前后对比 |
主要参数 | 主要参数 | |
离心式主机500 RT*2 | 螺杆式主机280 RT*3 | |
Q=1758kW(500USRT)(冷却水32/37℃，冷冻水7/12℃) | Q=985kW(280USRT)(冷却水32/37℃，冷冻水7/12℃) | |
COP≧5.36 NPLV≧6.57 | COP=5.92 NPLV=7.6 | 1.满负荷 COP 提高了11.0%； 2.部分负荷NPLV 提高了15.6%； |
蒸发器水压降=76kpa 冷凝器水压降=86kpa | 蒸发器水压降<30kpa 冷凝器水压降<33kpa |
|
N=328KW/380V~50Hz | N=162.2KW/380V~50Hz | |
2.4 水泵选型的确定
冷冻水泵、冷却水泵共占系统总耗的20%左右。冷冻水泵、冷却水泵的轴功率受水泵的流量与水泵的扬程、以及效率影响，计算公式如下：
水泵耗功率N=2.73 GH/η kW
其中：G为水泵流量 m3/h，
H为水泵的扬程 m,
η为水泵的效率。
从上面公式可以看出，若想减少水泵功率的途径有减少水泵流量、降低水泵扬程、提高水泵效率。
冷冻水泵的扬程为管路、管件阻力、冷水机组的蒸发器阻力和末端设备的表冷器阻力之和。由于本项目末端设备及管路已安装，若想降低冷冻水泵扬程，主要从以下两方面考虑，一要选用底阻力设备，包括低蒸发器阻力的主机、低阻力的过滤器、低阻力的阀门；二要对机房内管路优化，减少管路阻力，比如缩短管道长度，减少弯头，加大管径，加大弯头曲率半径等。
冷却水泵的扬程由冷却水系统阻力（管道、管件、冷凝器阻力之和），冷却塔积水盘水位至冷却塔布水器的高差（塔体扬程），冷却塔布水器所需压力组成。若想降低冷却水泵扬程，以上三个部分均应考虑。减小冷却水系统阻力的方法与减小冷冻水系统阻力类似；减小塔体扬程在选冷却塔时加以考虑，尽量选用低矮型的冷却塔；选用横流式冷却塔可不考虑布水压力。
水泵的效率：当流量与扬程已确定后，应选用高效率的水泵。
经优化机房布置及主机的重新选型后，重新进行水力计算，确定冷冻水泵及冷却水泵扬程。水泵调整前后数据对比如下：
冷冻水泵 | 优化前（原设计） | 优化后 | 优化前后对比 |
L=343m3/h，H=350kpa | L=175m3/h，H=280kpa | 1.扬程降低了20%。 | |
N=45KW/380V~50HZ | N<22kw> | 2.效率提高了 10.7% | |
效率 75% | 效率>83% | | |
二用一备 | 三用一备 | | |
冷却水泵 | L=421m3/h，H=310kpa | L=200m3/h，H=200kpa | 1.扬程降低了35.5%。 |
N=55KW/380V~50HZ | N<22kw> | 2.效率提高了 14.7% | |
效率 75% | 效率 >86% | | |
二用一备 | 三用一备 | |
通常水泵流量是根据主机额定负荷及供回水温差计算确定，并有一定裕量。由于本项目仅为制冷机房优化设计，末端设备已根据原设计的冷冻水供回水温差采购安装，不适合再调整冷冻水供回水设计温差。但由于四季气候、日间温差变化及使用量的变化，因而要求空调负荷不断变化。传统的水系统采用工频水泵，在空调系统低负荷运行时，出现系统小温差，水泵大流量的工作状况，白白消耗了许多水泵电能。行之有效的方法是通过变频调节水泵的转速，实现调节水流量，从而达到降低水泵输送能效的节能目的，但是否冷冻水泵和冷却水泵都变频对于整个系统节能都有利呢？以下通过分析标准工况下本空调系统不同负荷率下变流量与不变流量时系统耗功率的变化确定冷冻水泵及冷却水泵是否需要采用变频。
AHRI工况，冷却水流量不变时，系统功率变化情况
| 制冷量(kW) | AHRI工况时,不变冷冻水流量 | AHRI工况时,变冷冻水流量 | 系统节省功率(kW) | ||||||||
主机功率(kW) | 冷冻水泵轴功率(kW) | 冷却水泵轴功率(kW) | 冷却塔风机轴功率(kW) | 总耗功率(kW) | 主机功率(kW) | 冷冻水泵轴功率(kW) | 冷却水泵轴功率(kW) | 冷却塔风机轴功率(kW) | 总耗功率(kW) | |||
100% | 279.5 | 154.5 | 15.75 | 12.7 | 11 | 193.95 | 154.5 | 15.75 | 12.7 | 11 | 194.0 | 0.00 |
90% | 251.5 | 129.5 | 15.75 | 12.7 | 11 | 168.95 | 129.3 | 11.48 | 12.7 | 11 | 164.5 | 4.47 |
80% | 223.6 | 108.6 | 15.75 | 12.7 | 11 | 148.05 | 108.4 | 8.06 | 12.7 | 11 | 140.2 | 7.89 |
70% | 195.6 | 91.2 | 15.75 | 12.7 | 11 | 130.65 | 91 | 5.40 | 12.7 | 11 | 120.1 | 10.55 |
60% | 167.7 | 74.3 | 15.75 | 12.7 | 11 | 113.75 | 74 | 3.40 | 12.7 | 11 | 101.1 | 12.65 |
50% | 139.7 | 58.3 | 15.75 | 12.7 | 11 | 97.75 | 58 | 3.40 | 12.7 | 11 | 85.1 | 12.65 |
40% | 111.8 | 47.9 | 15.75 | 12.7 | 11 | 87.35 | 47.8 | 3.40 | 12.7 | 11 | 74.9 | 12.45 |
30% | 83.8 | 41.3 | 15.75 | 12.7 | 11 | 80.75 | 41.2 | 3.40 | 12.7 | 11 | 68.3 | 12.45 |
23% | 55.9 | 36.7 | 15.75 | 12.7 | 11 | 76.15 | 36.6 | 3.40 | 12.7 | 11 | 63.7 | 12.45 |
由上表可以看出，当冷却水流量不变时，冷冻水流量变化时，部分负荷时主机功率变化前后基本相同，冷冻水泵功率节能明显。故冷冻水泵采用变频控制对节能有利。
AHRI工况，冷冻水流量不变时，系统功率变化情况
| 制冷量(kW) | AHRI工况时,不变冷却水流量 | AHRI工况时,变冷却水流量 | 系统节省功率(kW) | ||||||||
主机功率(kW) | 冷冻水泵轴功率(kW) | 冷却水泵轴功率(kW) | 冷却塔风机轴功率(kW) | 总耗功率(kW) | 主机功率(kW) | 冷冻水泵轴功率(kW) | 冷却水泵轴功率(kW) | 冷却塔风机轴功率(kW) | 总耗功率(kW) | |||
100% | 279.5 | 154.5 | 15.75 | 12.7 | 11 | 193.95 | 154.5 | 15.75 | 12.7 | 11 | 194.0 | 0.00 |
90% | 251.5 | 129.5 | 15.75 | 12.7 | 11 | 168.95 | 139.3 | 15.75 | 9.26 | 11 | 175.3 | -6.36 |
80% | 223.6 | 108.6 | 15.75 | 12.7 | 11 | 148.05 | 122.6 | 15.75 | 6.50 | 11 | 155.9 | -7.80 |
70% | 195.6 | 91.2 | 15.75 | 12.7 | 11 | 130.65 | 100.6 | 15.75 | 4.36 | 11 | 131.7 | -1.06 |
60% | 167.7 | 74.3 | 15.75 | 12.7 | 11 | 113.75 | 80.9 | 15.75 | 2.74 | 11 | 110.4 | 3.36 |
50% | 139.7 | 58.3 | 15.75 | 12.7 | 11 | 97.75 | 63.1 | 15.75 | 2.74 | 11 | 92.6 | 5.16 |
40% | 111.8 | 47.9 | 15.75 | 12.7 | 11 | 87.35 | 51.6 | 15.75 | 2.74 | 11 | 81.1 | 6.26 |
30% | 83.8 | 41.3 | 15.75 | 12.7 | 11 | 80.75 | 44.1 | 15.75 | 2.74 | 11 | 73.6 | 7.16 |
23% | 55.9 | 36.7 | 15.75 | 12.7 | 11 | 76.15 | 39 | 15.75 | 2.74 | 11 | 68.5 | 7.66 |
由上表可以看出，当冷冻水流量不变时，冷却水流量变化时，部分负荷时主机功率会增加，虽然冷却水泵功率减少，但系统节能率与冷却水流量并非正相关，甚至总功耗还会增加，故本系统冷却水泵采用变频无节能意义，即冷却水泵不需变频控制。
2.5 水塔选型的优化
从系统能耗来讲，在蒸发温度和压缩机转数一定的情况下，冷凝温度越低，制冷系数越大，耗电量就越小。据测算，冷凝温度每降低1℃，单位制冷量的耗功率约减少3%-4%。所以，从这一角度来讲，保持较低的冷凝温度对提高冷水机组的制冷量是有益的。可以适当加大冷却塔选型，缩小冷却塔出水温度与湿球温度的逼近度，从而降低冷却水温。本项目由于各种因素，未能选择更低出水温度的冷却塔。以下为本次选用的冷却塔参数：
冷却塔流量 | 处理热量 | 风机功率 | 塔体扬程 | 冷却水进出水温 | 湿球温度 |
268 m3/h*3 | 1146 kW*3 | 11 kW | 3.7m | 32/37°C | 28°C |
3 优化成果预测及结论
3.1优化前后冷水机房系统全年EER对比
优化前预测冷水机房系统全年EER
月份 | 4月 | 5月 | 6月 | 7月 | 8月 | 9月 | 10月 | 11月 | 全年 |
总开机容量kw | 51305 | 59323 | 56395 | 65537 | 62376 | 56052 | 53837 | 38694 | 443518 |
总耗电量 kWh | 146997 | 172064 | 162907 | 189042 | 180768 | 158174 | 150378 | 111199 | 1271530 |
综合能效比 | 4.19 | 4.14 | 4.15 | 4.16 | 4.14 | 4.25 | 4.30 | 4.18 | 4.19 |
优化后预测冷水机房系统全年EER
月份 | 4月 | 5月 | 6月 | 7月 | 8月 | 9月 | 10月 | 11月 | 全年 |
总开机容量kw | 51305 | 59323 | 56395 | 65537 | 62376 | 56052 | 53837 | 38694 | 443518 |
总耗电量 kWh | 113026 | 139392 | 135274 | 157335 | 150547 | 127224 | 113305 | 73480 | 1009582 |
综合能效比EER | 5.45 | 5.11 | 5.00 | 5.00 | 4.97 | 5.29 | 5.70 | 6.32 | 5.27 |
由上表可知，原设计冷水机房全年综合能效比EER为4.19；优化后冷水机房全年综合能效比EER为5.27（大于4.55）；较原设计综合能效比EER增长了25.8%，满足业主要求。
3.2静态回收期计算
本制冷机房优化前造价估算为310万元，优化设计后估算为355.5万元，如果1 kWh为0.92元，优化后每年节省电费为F1=(1271530-1009582) ×0.92=240992 (元）静态回收期 Y=（355.5-310）×10000÷240992=1.89 年，小于3年，满足业主要求。
4 结束语
本文通过列举工程项目的优化设计前后的对比，介绍了一般高效制冷机房设计的主要途径，并通过优化前后造价及能效预测、回收期分析，说明高效制冷机房虽然会增加一定的初投资，但由于降低了运行能效，一般都能在三年以内回收增加的投资成本。从长远的角度看，建设高效制冷机房有利于节能及降低运营成本，增加收益。
本项目以较小的增额设计实现了高效制冷机房的设计，但实际上高效制冷系统远不止机房设计，从设计的角度分析除了制冷机房内的优化设计外，其实还有很多因素影响制冷系统能否高效运行，比如空调水系统设置是否合理，好的空调水系统设计有利于空调水系统各个环路的水力平衡以及各个环路负荷的调节。同时高效制冷机房的建设不是仅设计这一环节做好就可以实现的，要做到真正的高效制冷机房，需要从系统设计、设备采购、设备安装、系统调试、后期运维等五大方面全过程共同努力方可实现。任何一个环节出现问题，将有可能导致项目的实际效果远低于理论值。例如本项目介入时系统空调末端及主立管已安装，不能调整，且原设计立管比摩阻较大，但由于现场工期赶，业主与施工方均不愿意拆改，因此未对此进行优化，否则冷冻水泵扬程可以继续降低15KPa以上，冷却水泵扬程可以继续降低10KPa以上，如此机房能效将可以进一步优化。
参考文献
[1] 国家发展改革委、工业和信息化部、财政部、生态环境部、住房城乡建设部、市场监管总局、国管局《绿色高效制冷行动方案》
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