中央空调高能效制冷站系统设计的三点体会

梁德文 ，张斯雅

（1. 广东南海国际建筑设计有限公司，广东省佛山市 528000；2. 广东省制冷学会，广东省广州市 510080）

0 引言

中央空调系统在提供舒适环境的同时，也成为了建筑中的能耗大户。广东地区采用中央空调系统的公共建筑，空调系统的能耗约占建筑总能耗的30%～60%，对建筑环境舒适性要求高的商场、酒店的空调系统能耗占建筑总能耗的60%以上。而制冷站系统能耗占集中空调系统能耗的60%～90%。因此，提升中央空调制冷站系统的能效对降低建筑的能耗，实现建筑节能有明显的作用，为碳达峰、碳中和出一份力。

作为设计环节的一线设计师，笔者将以佛山某综合体项目的设计为例，对中央空调高效制冷站设计中所遇到的难点、重点以及采用的设计技术进行归纳、总结、分享，以供参考。

中央空调高效制冷站其实不仅限于“冷水机房”，而是整个中央空调系统的高效设计，我们在佛山某综合体项目设计过程中总结出三项重点难点：

空调系统设备优化选型，包括冷水机组、水泵、冷却塔，采用高能效设备是系统达到综合能效最佳的前提；

空调水系统管网优化设计，尽可能降低管网阻力，降低水泵扬程，减少水系统输送动力能耗；

空调制冷站系统控制深化设计，实现冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等主要能耗设备的精确、高能效运行。

1 空调系统设备优化选型

1.1 冷水机组优化选型。

本项目根据全年逐时冷负荷需求模型进行分析，结合节能控制系统运行策略，为本项目比选综合能效较佳的主机组合形式，最终选用2×1000RT变频离心式冷水机组+1×500RT变频离心式冷水机组。设备选型时选用超高效冷水机组，名义工况的参数值须高于《公共建筑节能设计标准》GB/T 50189和《绿色建筑评价标准》GB/T 50387要求：

1000RT变频离心式冷水机组：

COP=6.05＞5.9×0.93×1.06（绿建要求提高6%），

500RT变频离心冷水机组：

COP=6.47＞5.7×0.93×1.06（绿建要求提高6%），

冷冻水供回水温度：7-12℃，冷却水供回水温度36-31℃。冷却水温度对应是冷水机组的冷凝温度，对于离心机组，根据理论循环温熵和压焓分析，冷却水温度小范围的变化，其通过自身调节，保证制冷量不变，且冷却水温度降低时，制冷量不变，压缩功减少，耗电量减少，从而提高COP。本案例采用冷却水进水温度降低1℃，主机COP相对37-32℃工况提高约3%。

蒸发器水阻力：≤60kPa，高能效的冷水机组，在某一确定系列机型，其换热器越大，蒸发器、冷凝器阻力越低。

1.2 水泵选型优化。

本项目处于夏热冬暖地区，水泵的能耗在典型公共建筑空调能耗中，约占15%，其能耗用于克服管道阻力，因此，水泵的化应结合管网系统和设备效率来考虑。

1）优化水系统阻力，降低水泵扬程。

关于管网部分，详见本文“二、空调管网优化设计”。主机与水泵一对一连接，可减少部分蝶阀、过滤器以及合流三通；冷却塔尽量靠近机房放置，缩短冷却水的长度，有助于降低冷却水泵扬程。

2）选用效率大于80%的水泵、冷却水泵。

3）冷冻水泵、冷却水泵采用变频控制。由于泵与风机的比例定律，

式中N——转速为n时，泵的功率，

N1——转速为n1时，泵的功率。

水泵功率与频率的3次方成正比，空调系统处于部分负荷时水泵变频可大幅度减少空调系统输送动力能耗。本项目为一次泵变流量系统，冷冻水泵根据压差信号变频运行，通过降低频率，可大幅度减少空调系统输送动力能耗。但需注意的是，由于冷却水流量和水温影响主机COP，故冷却水泵在部分负荷时不一定节能，只有冷却水泵功耗在机组的综合性能系数中的比重较大时，变频采用节能效果。

1.3 冷却塔选型优化。

虽然冷却塔只有风机部分直接产生能耗，但上文提及到冷却水对主机COP的决定性作用，因此，冷却塔的优化选型非常关键。

本项目的优化措施：

1）降低冷却塔塔体扬程。冷却塔布水器与集水盘液面高度之差即塔体扬程的大小，直接影响到冷却水泵扬程的大小，因此设计时尽量选用塔体扬程小的冷却塔。

2）冷却塔风机变频。本项目所采用的5台名义冷却水流量为425m3/h的冷却塔运行在50Hz时，单台风量为280000m3/h，用电量18.5kW。与传统的单机对单塔运行方式相比，若5台冷却塔变频运行 在30Hz时，总 风 量3×280000=5×16800=840000m3/h 不变，换热面积5:3增大了67%有利于降低冷却塔进出水温度，5台塔的总用电量总用电量19.98kW:55.5kW节电64%，且低频状态下冷却塔风机低速运行，噪音明显降低。

3）采用变流量喷洒技术。常规冷却塔在低水量时布水不均，循环水量变小时喷淋面积变小导致换热面积浪费。采用变流量喷洒技术的冷却塔，确保30%～100%循环水量时均能实现均匀布水，有效降低冷却塔进出水温度，实现主机能效提升。

4）严格要求冷却塔的填料换热面积，确保冷却塔热交换能力。关于冷却塔的选型部分设计师存在一个误区，为了确保冷却塔的冷却效果把冷却塔选型放大，经常看到冷却塔的水流量是主机冷却水流量的1.5倍甚至更大，看起来“冷却效果”很有保障，但若单位流量的填料面积不足，也无法起到充分散热，反而引起冷却水温度偏高，主机能耗增加，甚至无法开机。冷却塔热交换能力的关键是风量和换热面积，设计时可参考表1对冷却塔填料换热面积作要求。

表1 冷却塔每吨冷却水填料换热面积m2

5）为尽可能提高主机的COP，冷却塔进出水温度分别选取35.5-30.5℃，36-31℃进行摆放位置的论证。

本项目采用35.5-30.5℃塔体的面积为36-31℃的1.1倍，结合屋面摆放冷却塔的位置，

最终确定冷却塔每吨冷却水可配置8.3m2填料换热面积，冷却水进出水温度可达到36-31℃。若冷却塔摆放空间足够，且通风条件允许时建议增加填料换热面积以降低冷却塔进出水温度。

2 空调水系统管网优化设计

2.1 采用低流速确定机房内水管管径。

机房内设备、管件种类与数量较多，局部阻力为主要的管道阻力，管道局部阻力

⊿pj——局部阻力，pa；

ρ——水的密度，1000kg/m3；

υ——水的流速，m/s。

根据以上公式，建议采用≤1.5m/s管内低流速来确定机房内的水管管径，不建议采用经济比摩阻≤100pa/m的方法。

2.2 选用低阻力阀件和避免重复设置阀。

常规Y 型水过滤器阻力一般10～30kPa，选用水阻小于5kPa的篮式过滤器可有效降低水系统阻力。水泵入口还可以选择直角式过滤器，连接水平管和竖向管道，节省一个弯头及其阻力损失。常规止回阀为蝶式止回阀，阻力一般10～20kPa，建议选用水阻小于5kPa的静音式止回阀可有效降低水系统阻力。

2.3 接管低阻力设计。

统一水泵进出水口与主机进出口的安装高度，使主机与水泵水平对接，直进直出可避免多个弯头。机房内水管路设置弯头时应减少直角弯和直三通，尽量设置顺水弯头和斜三通，前者的局部阻力是后者的1.5倍或以上。此外，取消落地式分集水器可减少弯头数量。

图1 冷水机房局部接管剖面图

2.4 冷水干管低阻力设计。

式中

⊿P1——管径为d1时，单位流量所产生的阻力；

⊿P2——管径为d2时，单位流量所产生的阻力。

根据以上公式可知，相同流量时，管道的阻力与管径的反比的5次方，采用DN300的管径取代DN250，管路阻力减小60%，因此，适当增大干管的管径，有助于降低管道的阻力。

2.5 选用低水阻空调末端。

末端选型时选用低水阻空调机组，尽可能降低水系统管网阻力。组合式空调机组和柜式空调机组水阻力控制在50kPa以内，风机盘管水阻力控制在30kPa以内。

3 空调制冷站系统控制深化设计

前面所提到设备选型和管网优化设计是中央空调高效冷水机房的硬件部分，群控系统则将这些设备的控制信号与接点，以及通过一定逻辑的控制策略，实现智能、高效地运行，并且记录运行所需的一切必要数据。

节能控制系统是整个中央空调系统不可或缺的大脑，充分发挥中央空调系统综合部分负荷的最优能效，达到全年中央空调系统的制冷机房系统高效运行效果。目前各大空调主机厂家或集成商均有推出节能控制系统，各自算法及策略有所不同，但控制系统的目的都是确保系统性能系数最高( 即系统整体能耗最低)。在设计阶段，需要明确和强调实现高效运行的机房群控须包含以下功能：

● 冷水机组启停，加减机组的控制；

● 冷冻水出水温度重新设置控制；

● 冷冻、冷却水泵启停、台数及频率控制；

● 冷却塔风机启停、台数及频率控制；

● 自动采集冷水机组、水泵、冷却塔的监测数据：电量、流量、能量、冷冻冷却水供回水温度、室外干湿球温度等值，用于计算并在人机界面显示年度、季度、月以及当日运行能效；

● 根据《集中空调制冷机房系统能效检测及评价标准》DBJ/T15-129中的要求，明确所用的仪器仪表的精度。

结 语

要实现中央空调制冷站系统高能效运行，精细化设计、高性能设备、高精度测量、全过程监造、数智化运维，而这五个因素，缺一不可。目前行业仍处在在设计标准、建设标准、验收标准均不完善的阶段，作为设计师，有必要在设计阶段，充分对实现系统高能效运行，在现行的设计规范和标准的基础上，须提出更精细、更明确的要求：

1. 采用高能效制冷设备，高效率输送设备；

2. 精细化进行水系统管网计算和设计；

3. 对制冷站中的机房群控进行必要的学习，并对实现高效运行、管理与调适所需的测量点、数据做出明确要求。

为中央空调高能效制冷站系统的最终达成打下坚实的基础，保障项目集中空调系统实现高能效运行。