高效制冷机房性能化设计方法研究

高效制冷机房性能化设计方法研究

王星

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 5196000

摘要:高效空调机房是近年的新兴概念,对降低空调能耗具有重大指导作用｡高效机房涉及空调机房设计､施工､控制､评价､运行管理的每一个环节,对每个环节都提出了更高的要求｡设计是一切的开始,前期设计有缺陷,后期在通过其他环节进行弥补,是非常困难的,也会照成成本的巨大浪费｡

关键词:高效;制冷机房;性能化;设计方法

引言

工业建筑中空调耗电量占建筑总耗电量的50%左右,而空调耗电量中,制冷机房系统(含冷水机组､水泵及冷却塔)耗电量又占空调系统耗电量的80%左右｡随着国家“双碳战略目标”的实施,需要提高制冷机房的能效比,满足节能减排的目标｡

1高效制冷机房定义

关于高效制冷机房的定义,目前国内外虽没有相关的规范或标准进行明确规定,但业内已普遍达成共识:制冷机房制冷季平均能效COP≥5.0即可认为达到高效制冷机房标准｡该能效基准起源于美国暖通空调行业编制的针对装配离心式冷水机组的制冷机房系统能效评级图｡该评级图将制冷季平均能效COP≥5.0的制冷机房评为高效,COP≤3.5的制冷机房则需要改进｡

2高效制冷机房性能化设计方法

在以实际运行效果作为判定依据的高效制冷机房设计过程中,为实现高效制冷机房建设目标,设计师应根据建筑动态负荷特点､气候特征及建筑功能,结合建设方项目定位,选取适宜的系统形式和设计参数;在此基础上,根据冷水机组､冷却塔形式和容量的不同组合,确定冷源备选方案,结合不同的控制策略等,将设计方案､设计参数与控制策略输入能耗模拟分析工具,定量分析是否满足预先设定的机房系统能效目标;根据计算结果,不断进行循环迭代､优化控制策略和设计参数等,最终确定满足能效目标的设计方案｡

2.1主要优点

(1)以性能目标为导向､以仿真模拟分析进行验证的迭代分析过程可以帮助设计人员更全面､更细致地了解高效制冷机房的设计方案,例如设备性能要求､运行策略及初投资等,从而可以在设备采购､自控系统设计等环节提出更为明确的需求,有助于高效制冷机房的有效实施｡(2)设计阶段以机房全年能效值为目标,进行全工况模拟分析,可使得设计人员充分考虑制冷机房部分负荷运行特性,可保证设计参数与机房实际运行效果更为一致｡(3)性能化设计要求在设计阶段设定机房能效目标,并通过仿真模拟等方式评估各种设计措施对性能目标的影响,有助于业主或设计人员更好地理解机房性能指标的影响因素｡(4)性能化设计可帮助设计人员根据工程实际特点选取合理的技术措施,有助于提高高效机房设计的合理性,同时有助于激发设计人员对选用新材料､新工艺､新设备的创新动力｡

2.2高效制冷机房性能化设计流程

高效制冷机房性能化设计流程主要包括3个关键点:(1)以制冷机房系统设计综合能效比(EERad)目标分解为核心｡(2)以建筑能耗模拟软件和流体输配管网仿真软件为主要设计工具｡建筑能耗模拟软件可以进行建筑负荷动态计算和制冷机房系统能耗模拟;在高效制冷机房设计过程中,当水系统输配能耗过高导致机房系统能效比无法满足设计值时,可采取相应技术措施降低输配系统能耗,此时借助流体输配管网仿真软件,可定量分析不同降阻措施对降低输配能耗的效果｡(3)制定冷水机组､冷却塔和水泵设备选型量化指标｡以冷水机组设计综合性能系数(COPad)､冷却水全年供水温度(Tcwd)和附属设备综合耗电比预设值(λap)作为冷水机组､冷却塔和水泵的选型量化指标｡

3冷水机组

影响冷水机组及其系统能耗的主要设备参数有制冷性能系数COP､冷水温度､冷却水温度､蒸发器水阻力､冷凝器水阻力､变流量范围､机组类型(变频与否､磁悬浮机组)等,以下分别就本标准的分级评价及相关规范要求进行分析｡

3.1冷水机组水温

本标准作为基本评价标准,冷水系统水温选为应用较多的常规名义工况要求的7℃/12℃,实际应用中鼓励通过大温差､提高冷水出水温度等节能设计措施进一步提高系统能效;冷却水温度与所在地区夏季设计湿球温度､冷却塔选型有关,此处仅约定冷却水供回水温差为5℃｡

3.2冷水机组水阻力

不同厂家､不同型号冷水机组蒸发器､冷凝器的水阻力差异较大,从30~120kPa均有,而机组水阻力对系统能效的影响主要体现在水泵扬程上,水阻力越大,水泵扬程越高,水泵输送能耗越高｡另一方面,水阻力对机组造价也有一定影响,降低机组水阻力,机组造价会随之提高｡因此,综合节能性和经济性,对不同能效等级要求选用不同的主机水阻力

3.3冷水机组类型

目前市面上冷水机组设备类型有定频螺杆机组､定频离心机组､变频(直驱)螺杆机组､变频(直驱)离心机组､磁悬浮离心机组等,对于变频､定频机组,除名义工况下COP对系统能效有影响外,部分负荷下的影响也需要考虑,特别是在低压比工况下,变频机组COP更高,且随着技术的进步,变频机组名义工况下的COP也越来越高,可实现双工况(设计工况､部分负荷工况)高效运行｡对不同能效等级选用不同的主机类型｡

4节能控制系统

4.1传感器､执行机构

(1)制冷机房内水系统管路需要增加的传感器､执行机构包括:二次冷冻水供回水干管压差传感器;二次冷冻水回水干管温度传感器;二次冷冻水供水干管温度传感器;二次冷冻水回水干管流量传感器;一次冷冻水供水干管流量传感器;冷却水回水总管流量传感器;冷却水供水总管温度传感器;冷却水回水总管温度传感器;冷水机组蒸发器进水管段电动阀门及执行器;冷水机组冷凝器进水管段电动阀门及执行器｡(2)办公楼24小时空调冷却水系统管路需要增加的传感器､执行机构包括:空调冷却水供回水干管压差传感器;空调冷却水回水干管温度传感器;空调冷却水供水干管温度传感器;空调冷却水回水干管流量传感器｡

4.2控制功能

实现冷冻机房综合能耗最低;冷水机组台数控制;冷水机组智能化喘振保护;冷水机组冷冻水供水温度重置;冷冻水泵变频控制;冷冻水泵台数控制;冷却水泵变频控制;冷却水泵台数控制;冷却塔台数控制;冷却风机变频控制;冷却水温度重置;冷冻水旁通流量控制;冷水机组蒸发器侧电动蝶阀开关控制;冷冻站全自动加减机控制｡随着空调系统的负荷变化,通过温度､流量传感器的测得值反馈至群控系统进行优化控制,从而实现冷水机组､冷冻水泵､冷却水泵､冷却塔的台数和变频控制,实现冷冻机房综合能耗最低｡

5高效机房控制策略

高效制冷机房的节能不能单看某个设备的节能效果,而要将制冷机房内的所有设备作为一个整体看待,保证整体的节能,而不是单个设备的节能｡整体节能需综合考虑所有设备的各项能效影响因素,当供冷量相同,改变冷却水温度､冷却水泵运行频率､冷却塔运行频率时,存在很多的调节组合,总有一个参数组合可以满足整体节能乃至整体能耗最低｡利用联合求解寻优,在系统运行时,控制计算机以一定的时间间隔测量制冷负荷的实时值,并据此进行各能耗数学模型的联合求解,找出能够满足此制冷负荷､且整个制冷机房总能耗最低(即整体效率最高)的工作状态,输出最佳控制参数｡

结语

在高效制冷机房特点和系统能量平衡关系的基础上,提出了基于系统能效比目标值的高效制冷机房性能化设计方法,通过目标分解,依次进行冷源设备选型､水系统设计和控制策略制定等工作,具有较高的科学性和实操性｡借助建筑能耗模拟软件和流体输配管网仿真软件可提升高效制冷机房性能化设计效率和可靠性,同时也提高了设计人员对软件使用熟练程度的要求｡

参考文献

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[3]刘跃宝,魏振兴,王兴滨.制冷机房的运行能耗优化[J].城市建设理论研究(电子版),2016,000(014):1566-1566.