某综合楼制冷系统高效改造

广汽本田汽车有限公司 林伟江 严顺照 范海泉 孟 晶 区海宇 范一格

0 引言

空调制冷系统是营造舒适办公环境必不可少的重要组成部分，同时也是能耗大户。本文以广汽本田汽车有限公司增城工厂综合楼制冷系统改造为例，通过现场实地考察、分析诊断，介绍如何因地制宜地进行系统节能改造，以期为制冷系统节能改造提供参考性的建议。

1 项目概况

改造项目位于广东省广州市增城区，综合楼内建有展厅、更衣室、饭堂、会议室、办公区、文体中心等多个场所。冷源为风冷螺杆机组和冷水泵组成的集中空调系统，末端设备主要为组合式风柜及水冷式盘管风机，总供冷面积为8 243 m2。空调冷源系统如表1所示，共包含3台风冷螺杆机组，总装机容量为3 400 kW，设计供水温度为7 ℃，回水温度为12 ℃。系统配备冷水泵4台，三用一备。

表1 综合楼冷源系统设备参数

系统设备均未配置变频调节装置，均由人工启闭及调节。项目团队于2019年供冷季对综合楼制冷系统进行了分析诊断，对末端需求进行了更新统计，进而提出了有针对性的节能改造建议，以达到在提升末端场所环境舒适度的同时降低系统运行能耗的目的。

2 系统能效分析

该综合楼制冷机房于2006年投入使用。到目前已使用14 a，主机供冷能力有所下降。项目团队对机房设备进行了现状摸底及能效检测，情况如下：

1) 主机能效低。主机采用风冷螺杆制冷机组，名义制冷量为1 140 kW，额定功率为388 kW，COP为2.94。每台主机均设有2个制冷模块，3台主机组合成主副机系统，当检测到出水温度过高时自动增加系统投入，出水温度过低时自动退出运行。主机虽均执行了月度、季度、年度保养，但由于使用年限已久，整体老化严重，尤其是冷凝器部分，主要体现在散热不良、肋片穿孔及机组表面生锈，导致制冷量及制冷效率均下降，工作可靠性降低，运维成本增大。第三方的检测结果显示，1#风冷主机能效为1.93，低于GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能源效率等级》标准要求的3级能效。

2) 冷水泵能效低。冷水泵电动机型号为YL200-4，由于其导磁材料使用热轧硅钢片，能耗高，能效等级不满足GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中的3级能效标准，属于《高耗能落后机电设备(产品)淘汰目录(第二批)》中要求强制淘汰的产品。

3) 主机、冷水泵均不具备变频调节功能。系统设计供/回水温度为7 ℃/12 ℃，温差为5 ℃，但在供冷季清晨、凌晨时段系统的供回水温差常常低于2 ℃，表明系统存在“大马拉小车”的现象，造成能源浪费。

4) 系统缺乏计量器具。系统只在配电房配电柜配备机械电表，精度低且无远程通讯功能。站房内没有配备冷量计，无法对站房效率进行统计分析。

根据目前已知数据得出，冷源系统整体能效EER约为1.50，远低于广东省标准DBJ/T 15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》中对于额定制冷量≥1 758 kW制冷系统能效大于3.5的要求。

3 改造需求分析

项目团队通过长期的运行记录及现场实际需求分析发现，供冷季综合楼有持续供冷需求的场所为更衣室、展厅、饭堂，合计供冷面积为4 603 m2，为总供冷面积的55.8%，而且供冷需求时间段各不相同。为满足末端用冷需求，制冷系统需24 h开启。综合楼制冷系统夏季日负荷如图1所示。日冷负荷最高峰出现在15：00—18：00，可达1 230 kW；冷负荷低谷出现在22：00—23：00，其值为200 kW左右。

图1 综合楼夏季逐时冷负荷

在该种供冷需求下，目前供冷系统的开机模式为：10：00—20：00开2台风冷主机，20：00至次日10：00开1台风冷主机，可以满足日常供冷需求。设置出水温度后风冷主机系统根据水温判断模块运行数量，但由于缺乏变频及机组可靠性差，主机端出水温度波动大，导致末端环境温度波动大，舒适性较差。因此，综合末端用户的改造需求和运维人员的运行需求，以及考虑到改造制约因素，对机房的改造提出以下要求：

1) 机房全年平均能效达到广东省标准DBJ/T 15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》2级以上标准，即不低于4.1；

2) 系统需配备自动启停、变频调节、云端监控、日程设置、远程操作的功能，减少运维人员的管理成本；

3) 设备需采用节能产品，兼顾节能及维护便利性。

综上，结合机房运行现状及末端用户需求，综合楼制冷站房改造将侧重于节能高效、自动化的特点来进行设计。

4 机房改造优化

4.1 改造内容

由于风冷主机能效较低，耐久度一般，不满足机房节能高效的改造需求，项目改造时将风冷主机系统改造成水冷主机系统，并配备相应的冷却水泵及冷却塔。考虑到综合楼最大冷负荷与常用冷负荷之间有较大差距，从投资效益最大化角度考虑，主机容量按照常用冷负荷选取，供冷量大时采用风冷主机及水冷主机联供的方式运行。

4.2 机房布置优化

机房改造最大变化点为风冷主机系统改为水冷主机系统，水冷主机需放置在室内，新增冷却塔需放置在室外。在进行结构核算后，拆除了1台风冷主机，利旧其混凝土基础安装冷却塔，冷却水泵配备在冷却塔旁，新增冷却水管道；水冷主机则设置在设备间内，冷水泵在原位置进行更换，新增水冷主机的进出口冷水管接至原有冷水管道。

4.3 设备选型优化

1) 主机。通过对综合楼现有供冷需求的分析可知，全年冷负荷基本在1 400 kW以下，主要运行负荷区间为700～1 000 kW，夜间最低负荷降至350 kW以下。按照以往经验，1 400 kW以上供冷需求很少(全年不足20 d)，考虑到整体运行效率及投资效果，主机选用1 400 kW变频离心机，名义工况下满载COP为6.40，IPLV为8.17，在1 400 kW以上负荷段，采用水冷主机与风冷主机联供的方式，水冷主机与风冷主机互为备用。

2) 冷水泵。由于自投运以来末端管路及设备基本保持一致，在水泵选型时保持水泵功率30 kW不变，经测量及复核优化后，水泵扬程选用31 m，流量选用245 m3/h。水泵电动机配备变频器，能效满足GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中的2级能效标准。

3) 冷却水泵。通过对冷却塔及主机摆放位置的优化，减少管路长度及弯头，从而减小冷却水泵的选型规格，最终选用的水泵的功率为22 kW，扬程为23 m，流量为310 m3/h。水泵电动机配备变频器,能效满足GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中的2级能效标准。

4) 冷却塔。冷却塔在原有风冷主机的基础上浇筑水泥支墩后安装，由于受高度限制，同时不能与天面人行道、既有管道相互干扰，因此对冷却塔尺寸进行额外要求。冷却塔进/出水温度设计为35.5 ℃/30.5 ℃，冷却水量为152 m3/h，湿球温度为28 ℃，冷却塔共设置2台，均配备变频器。

在设备的选型过程中，通过对制冷机房的整体优化设计，有效地减小了水路阻力，从而降低了水泵规格，减少初投资的同时减少了后续的运行费用及运维成本。机房改造前后单个制冷单元的设备功率变化及占比如图2所示。虽然增加了冷却水泵及冷却塔，但整体电功率下降124 kW，与原风冷主机系统相比下降约29.6%。主机、水泵、冷却塔均可变频调节，安装的电动阀、冷量计、温度传感器、压力传感器、室外温湿度传感器为自动化运行调节提供了硬件基础。

图2 改造前后各类型设备电功率变化及占比

4.4 软件系统

为了兼顾运行节能、便利、舒适性，该制冷站房配备了软件系统，带有监控调节功能。软件功能如下：

1) 收集现场管路设备、计量器具、电动附件的信号，在监控界面上显示具体信息；

2) 配备日程管理、远程启停、自动管理、数据记录及分析、报警功能；

3) 内置运行逻辑，通过对比温度、压力等参数的实际值与预设值的差值来进行频率、台数的调节。

机房硬件、软件完成安装调试后，系统已具备全自动运行能力，但要达到进一步的节能高效，运行参数还需不断调试完善。该系统主要通过温度、压力来进行主机、水泵、冷却塔的变频控制及台数控制。通过一段时间的调试，系统优化后的运行参数及逻辑如下：

1) 主机出水温度设置。虽然主机设计进/出水温度为7 ℃/12 ℃，但对于主机而言，提高冷水出水温度可以提高主机运行COP，因此，项目团队对主机出水温度及现场舒适度进行了测试，通过试运行期间调整主机出水温度，并对饭堂、展厅、更衣室等场所的温度进行监测，同时开展用户调查，最终确定夏季出水温度基准值为10.5 ℃，满足现场舒适度要求的同时也有一定调节余量。同时根据室外温度及湿度进行赋值调整(湿度越高、气温越高，出水温度越低)，整体出水温度在9.5～12.0 ℃之间。

2) 冷水泵频率调节。改造后，日常运行只需开1台冷水泵，冷水泵运行频率与冷水主管压差直接相关，而压差与末端设备的开启台数有关。根据运行规律调查显示，供冷季各个时间段末端设备开启台数基本固定，因此设定4种压差调节方案，根据每天不同时间段自动跳转，分别对应凌晨、早晨、中午、下午、傍晚、晚上6个时间段。冷水泵频率根据压差值进行调节。

3) 冷却塔及冷却水泵频率调节。冷却塔设计选型的逼近度为2.5 ℃，系统运行时逼近度设定为3 ℃。根据夏季室外温度调整冷却水供回水温差，室外温度越高，冷却水温差越小，冷却水温差基本控制在4～5 ℃之间。根据逼近度、供回水温差调节冷却塔频率、台数及冷却水泵频率。

4) 蓄冷模式。蓄冷模式主要用于系统冷负荷低、主机负荷率低的工况，多出现在夏季凌晨或过渡季节的早晨和傍晚。以夏季为例，凌晨只有饭堂后厨使用风柜，主机负荷率一直低于50%，系统在制冷主机负荷率低于40%时进入蓄冷模式，出水温度达到9 ℃后关闭制冷机，只保留冷水泵低频运行，当主机出口处水温高于17 ℃时，主机重新启动制冷，一直循环。虽然进入蓄冷模式后主机不运行，系统能效为0，但节能率非常可观。过渡季某日蓄冷模式下站房用电量如图3所示。

注：方框内为蓄冷模式。图3 蓄冷模式下站房用电量

软件系统投运后系统实现全自动运行，调适后的参数设置满足综合楼各场所的供冷需求。

5 改造效果

机房改造后于2020年7月中旬投入运行，运行以来制冷站房EER、节能量(相比去年同期)、节能率如表2所示，达到了预期投资效果。

表2 改造后综合楼冷源系统节能效果

在机房建成投运初期，系统没有运行蓄冷模式，夏季系统单日EER可达5.5以上，但凌晨时段能源利用率太低，因此引入了蓄冷模式。虽然没有主机冷量输出会导致系统EER为0，但实现了系统在低负荷工况下的效率最大化。机房引入自控系统后，系统全自动运行并自动抄表，运维人员无需到现场开关机及调节运行参数，工时缩减100%，极大地减小了运维压力。

6 关于制冷机房改造的几点思考

经过本次制冷站房的改造及参观其他优秀项目，总结了几点经验与思考，见表3。

表3 制冷机房改造经验与思考

本次项目只完成了机房内的改造，结合此前进行的更衣室风机盘管控制系统改造，有较好的联动控制效果，但该系统仍有以下4个方面可以挖掘：1) 末端设备换热效率低，冷量利用不充分；2) 末端大部分调节阀已无法动作，造成浪费；3) 现场均为人工控制开关及进行温度调节，可能造成冷量浪费；4) 水冷主机与风冷主机并联运行困难，主机制冷量余量小，可能无法满足冷量高峰需求。

制冷机房只是制冷系统的重要组成部分，提高末端的冷量使用效率，减少不必要的浪费才能使整体系统效率最大化，因此项目团队仍需继续推进二期改造项目。

7 结语

本次旧改项目精准把握用户需求，在机房设备老旧化更新的同时，借助高效机房深化设计技术及自动化技术，实现了机房运行的自动化、高效化。相对于新建机房，旧改机房项目受现场制约因素多，无法做到十全十美，最关键的还是要围绕现场使用实际需求及考虑未来变更方向，因地制宜地进行改造。体量大、难度大的项目，亦可以分期推进，设定阶段性的目标，做到一次规划、分步实施、全局最优。