某星级酒店空调系统冷源改造设计

邱建军

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

1 酒店大楼及其中央空调系统概况

1.1 酒店功能概况

该酒店是集客房、娱乐、办公、会议厅等为一体的综合性四星级酒店类建筑。设两层地下室，作为大楼停车库及机电设备管理用房和后勤服务用房；地上一至四层裙楼作为酒店大堂、餐厅、会议、办公、展示等；五楼及以上塔楼部分作为酒店客房。

1.2 酒店原有中央空调现状

大楼设置集中式中央空调系统，为大楼夏季供冷。中央空调系统设置四台离心式冷水机组，单机容量1582kW(450RT)，制冷机房设置在负二层，冷冻水泵、冷却水泵均各五台(四用一备)，对应设置4台冷却塔布置于裙楼屋面。其中冷冻水管网冬天可通过阀门切换，接锅炉房热水系统，转为空调供暖使用。

表1 中央空调冷源主机情况(甲方提供)

冷水机组编号型 号类 型制冷量运行能耗性能系数冷媒型号运行年限(ton)kWkW/tonW/W年1#ECVGB045离心式45015820.8614.08R12262#ECVGB045离心式45015820.8184.30R12263#ECVGB045离心式45015820.8184.30R12264#ECVGB045离心式45015820.8973.92R1226

注：冷水机组运行效率是按照标准工况：冷冻水7～12℃，冷却水32～37℃进行评估。

2 原有中央空调系统存在问题分析

根据上述甲方提供的主机调研及评估结果，并咨询现场系统维护工作人员，了解主机运行周期的各种状况，综合总结发现，大厦中央空调主机当前存在较多问题，有些问题还比较严重，已影响了大厦正常运营的效率。

2.1 主机制冷效率低且不环保

从上述表1中可知，主机的容量为1582kW(450RT)，但COP值(性能系数)只有4.08，远低于当前《公共建筑节能设计标准》中的规定值(冷量大于1163kW的水冷离心式冷水机组COP值不应低于5.1)。由于受技术和材料等诸多因素的影响，早期生产的空调主机一般都存在能耗较高、制冷效率低等问题；另外主机使用的冷媒型号是R12，众所周知R12消耗臭氧层潜值比较高，并非环保型冷媒，已被淘汰。因此整个系统既不节能也不环保，运营成本也比较高。

2.2 主机老化严重，故障率较高

通过现场了解的实际情况，经过多年的持续运行(26年)，主机的压缩机等主要部件磨损严重，且大部分的配件严重老化，导致故障率较高，经常维修甚至需要更换。但由于老款机组已停止生产，配件采购困难，一般都需要向厂家订货。根据现场维护工作人员反映，厂家供货期较长，大部分配件需要6～8个星期；另外，由于配件不量产，因此价格高昂，进一步增加维护成本。系统的老化必然带来故障率上升，不可测的停机率上升，维修费用也相应增加，运行费用增加等经济损失，大楼空调系统的正常使用也受到影响。

根据对大厦原有空调系统存在问题的分析，认为该酒店中央空调系统的改造设计，重点应对主机进行更换，采用高效节能环保的新型制冷主机，不仅是响应了国家节能减排的号召，更对原有中央空调系统的日常运行和维护比较困难、成本高等问题具有根治的作用，可以大大降低整个大厦建筑的综合能耗，进而降低整个大厦的日常运营成本。

3 改造设计方案

根据对大厦原有中央空调系统的进一步调查和了解情况知道：

系统原设计共设置四台二级离心式冷水机组，根据往年主机的用电记录和运行记录，每年1～4月份过度季节时，大部分时间仅开启一台主机，极少部分时间开启两台主机；5～11月份作为夏季空调正常运行周期内，大部分时间开启两台主机，少部分时间出现特别高温天气时，或酒店接待高峰情况，各功能区域同时使用系数升高，又或有特殊情况需要快速制冷时，需要同时开启三台主机可以满足瞬时高峰用冷要求；还有少部分时间开启一台主机；同时开启四台的情况近几年均未出现。由此可知，大厦原有中央空调系统四台主机中，其中有一台主机可长期停用。

3.1 更换主机台数比选

根据上述大厦原有中央空调系统主机运行的现状可知，最近多年未出现同时开启四台主机，总容量相对过大，对于主机更换台数的选择，设计认为没有必要更换四台，选择更换两台或三台即可，下面进行简单比选。

方案一，更换三台主机，另一台老款主机停用或拆除。

优点：可彻底解决老款落后产品的维护问题，系统的可靠性、稳定性佳，在施工期间剩余一台主机可作临时应急使用。

缺点：初投资较高，更换数量三台，工期稍长，施工期间单台主机应急使用可靠性不高。

方案二，更换二台主机，另两台老款主机高峰应急使用。

优点：初投资较低，更换主机数量较少，工期稍短，系统的可靠性和稳定性较好，施工期间有两台老款主机可供应急使用，可靠性高。

缺点：剩余两台老款主机处于备用状态，未能彻底解决老款落后产品的维护问题。

图1 中央空调主机更换并优化后水系统原理图

根据上述简单对比，从技术角度分析，设计推荐采用方案一。即将其中三台老款主机更换为先进高效节能型主机，另一台老款主机作为施工期间大楼应急供冷使用，完成改造后，业主可自行停用或拆除剩余的一台老款主机，最后实现三台技术先进的高效节能型主机联合为大厦供冷。

3.2 方案设计及优化

根据上述对更换主机台数的选择，即更换三台高效节能型主机，剩下一台老款主机停用或拆除。

由于大厦具有四星级酒店等级功能，长期有热水使用要求。更换的新主机可进一步考虑冷凝热回收功能，顺应节能减排及打造绿色建筑的可持续发展方向。根据业主所提供的数据，生活热水的日平均用量大约为120m3，高峰日用水量大约为180 m3，低谷日用水量大约为80 m3。鉴于主机的单机容量为1582kW(450RT)，采用全热回收型机组，可以产生5℃温差(40～45℃)的热水量约320 m3/h。

大厦当前的生活热水是采用锅炉加热，当制冷主机回收冷凝热时，可利用热回收产生的热水通过板式换热器对自来水进行初次加热，然后再由锅炉二次加热满足生活热水使用要求，可大大减少大厦生活热水的能耗。

一般情况下自来水的全年平均温度按20℃考虑，而利用冷凝热回收产生的热水温度可达45℃，完全可以确保将自来水初次加热到40℃以上。从稳妥考虑，暂按将自来水加热到40℃计算，即将自来水温度升高20℃。在理想换热状态下，320 m3/h冷凝热回收的热水可以将20℃的自来水初次加热到40℃的水量大约为80m3/h。因此，热回收主机满负荷运行时，每天运行热回收工况模式1～2.5小时即可满足初次加热自来水的要求。

根据以上分析，在更换主机的选型配置上可进一步的优化，采用两台高效环保的新型离心式冷水机组加上一台带冷凝热全热回收型螺杆式冷水机组。其中热回收机组可单冷运行或全热回收运行两种运行模式。由于新更换的带全热回收的主机产生热水，需要另外设置两台热水循环泵，一用一备；并设置一台板式换热器提供初次加热自来水换热使用，自来水经过初次加热后接入锅炉进行二次加热。而板换至锅炉之间的自来水管路由甲方根据现场实际条件并咨询原锅炉热水系统设计方确定具体方案。具体设置见图1。

根据上图原理图流程可知，3#主机作为带冷凝热全热回收型螺杆式冷水机组具有两种运行模式，一是纯制冷工况运行，即当大厦生活热水使用量充足的情况下，3#主机不回收冷凝热，直接由冷却水将热量送往冷却塔，由冷却塔将热量散发到大气中；二是冷凝热回收工况运行，此时通过机组自控的切换，不再产生冷却水，而产生供、回水温度为40～45℃的热水，由热水进、出管路将热水通过热水循环泵送往板式换热器，用于初次加热自来水，可将自来水从通常的20℃加热到40℃以上。从大厦日用热水量情况，3#主机在满负荷时，每天在冷凝热回收工况下运行时间为1～2.5小时，其余时间均为纯制冷工况下运行。具体运行时间可根据大厦营业的实际情况及主机满载程度自行调整。

表2 中央空调更换主机方案优化后的主要设备表

设备名称编号类 型制冷量输入功率性能系数数量RTkWkWW/W台冷媒类型冷水机组1#离心式45015822586.131环保型冷水机组2#离心式45015822586.131环保型冷水机组3#螺杆式(全热回收)45015822805.651环保型设备名称类型参 数数量汽蚀余量循环水泵立式流量:320m3/h 扬程:200kPa 功率:30kW 效率:>70%230kPa循环水泵立式流量: 80m3/h 扬程:200kPa 功率:11kW 效率:>70%230kPa换热器板式高温侧进出水温:45/40℃ 低温侧进出水温:20/40℃1—膨胀水箱--容积:1.0m31—

注：表中主机参数是由甲方提供与其单位长期合作品牌主流产品的参数。

3.3 施工可行性分析

根据业主前期与多家主机供应商及施工安装单位沟通了解，目前主机供货期一般为三个月左右；施工期限在不影响大厦日常营业的情况下，大约需要一个月左右。在12月至次年4月共有5个月的时间，在此期间，大部分时间内大厦空调主机处于停机或仅开一台的状态。上述改造方案，在冬季可以正常更换主机且完全不影响大厦日常营业，从时间角度分析是可行的。

对大楼原有设计图纸的熟悉以及到现场勘察了解情况，大楼制冷机房设置在地下室负二层，高度为两层通高，机房与两层地下车库均相邻，且仅有一墙之隔。由于原设计未预留专门的运输吊装条件，因此，与业主及多家设备供应商沟通和探讨，更换主机的设备运输问题，可以采用主机零配件现场组装的方式。在新设备到货前，先将机房与车库的隔墙打通；再将原有的其中三台主机先行拆卸，并从地下车库出入口通道运输出地面；然后，对制冷机房内进行必要的清理，为新到货的主机现场组装创造空间条件。当新设备到货后，可以将主机主要部件整体及零配件从大厦车库出入口通道运输进入地下车库，然后搬进制冷机房，在机房内进行现场组装及调试。因此，从运输及安装条件的角度分析，改造方案也具备可行性。

3.4 节能及经济效益

根据业主提供的大厦空调主机的运行记录及用电记录可知，原有空调系统四台主机主机的年总运行时间约为6898.2小时，耗电量约为1834921 kWh。而进行主机更换改造后，在一年内相同运行时间内新主机的运行能耗按季节变化统计如下：

表3 更换主机后空调系统主机年运行能耗统计表

季节时间段运行状况主机运行台数总运行时间平均功率(kW)总耗电量(kW)过渡季节1至4月过渡季节1960280268800高峰负荷期加19625824768夏季5至11月夏季25564269.51499498高峰负荷期加1278.225871775.6合计全年 6898.21065.51864841.6

同样考虑主机非长期满负荷运行情况，实际总能耗按上表合计值的70%考虑，计算可得出：1864841.6×70%=1305389(kWh)。

按大厦空调系统在正常制冷工况下，主机每年节约的能耗约为：

(1834921-1305389)=529532(kWh)。

按当前广州市商业用电的价格0.9元/kWh计算，新主机每年节约的电费约为：

529532×0.9 =476579(元)。

另外，根据甲方提供资料中得知，大厦目前采用燃气锅炉提供60℃生活热水，每年能耗大约为320000m3天然气，按当前天然气价格4.85元/m3计算，全年的费用约为155.2万元。正常情况下，自来水温度按20℃考虑；而更换主机后，冷凝热回收主机提供不低于低40℃的热水。由此可知，热回收量最少可以为生活热水节省一半能耗，即可以节约天然气约160000 m3，将生活热水的成本从155.2万元降低到77.6万元，为大厦节约77.6万元的运营成本。

综合统计，更换主机改造后，大约每年可节约用电529532 kWh、天然气约160000 m3，共计可以为酒店降低运营成本约为：47.7万元+77.6万元=125.3万元，节能及经济效益显著。

该大厦更换中央空调主机的项目投资主要包括设备采购、设备二次运输、旧设备拆卸和运输、新设备的安装和检测、群控系统的安装和调试、热水循环系统的管道安装施工等费用，项目投资估算见表4。

表4 项目投资估算表

设备名称类 型制冷量输入功率性能系数数量RTkWkWW/W台冷媒类型金额 (万元)合计 (万元)冷水机组离心式45015822586.132环保型115.6231.2冷水机组螺杆式(全热回收)45015822805.651环保型115.6115.6设备名称类型参 数数量汽蚀余量 循环水泵立式流量:320m3/h扬程:200kPa 功率:30kW效率:>70%230kPa7.8515.7循环水泵立式流量: 80m3/h扬程:200kPa功率:11kW效率:>70%230kPa3.657.3换热器板式高温侧进出水温:45/40℃ 低温侧进出水温:20/40℃1———4545膨胀水箱———容积:1.0m31———0.650.65冷冻主机二次搬运安装3 2.67.8水系统连接及设备、材料安装1 13.513.5电气连接部分1 26.7526.75税管费1 2.52.5合计466

根据上述更换主机改造后所节约成本以及投资概算统计，大厦中央空调主机更换投资的成本回收期约为466万元÷125.3万元/年=3.72年，即主机更换改造后4个制冷周期内可实现成本的回收。另外，考虑到原有系统的日常维护成本较高，更换主机后可大幅降低该部分费用的支出，在实际情况下，成本回收期可能会更短。

4 结束语

以上是对某四星级酒店中央空调系统冷源改造的整个设计过程介绍。笔者认为，对于这一类型的改造工程，有必要对原有项目的经营情况及系统运行状况作详细调查，并对原系统存在问题进行仔细分析，才能设计出合理可行的改造方案。同时，在符合当前国家政策及经济合理的前提下，尽量降低改造过程对酒店正常营业的影响，充分利用当前技术先进的成熟产品，节约能源，为甲方带来更大的经济效益。本文可供同行参考，希望起到抛砖引玉的效果。

[1] 公共建筑节能设计标准 GB50189-2005[S]

[2] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50736-2012[S]

[3] 郭林文.广州某办公楼空调系统现状检测及节能改造建议[J].制冷，2013，32(2)：55-58