暖通空调高效制冷机房设计的思考

李超然

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

双碳战略目标的提出，力争在2030 年达到二氧化碳排放峰值，努力争取在2060 年实现碳中和。在这一战略目标背景下，建筑节能变得尤为重要。建筑节能的关键一环在于空调系统的节能，而高效制冷机房的设计是公共建筑实现绿色建筑的重要途径，通过冷水机组选型优化、输配系统优化、合理控制与监测，实现暖通空调高效制冷机房设计。

1 基于全年负荷特性的冷机选型

1.1 气候特点分析及全年负荷计算

我国地域广袤，从南到北气候特点各不相同。例如北京地区，属于温带季风性气候，春季较为干旱，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥，全年四季分明，天气比较多变，随着纬度的增加，冬季与夏季气温的变幅逐渐增大，降水逐渐减少，降水的季节分配十分不均，全年的降水量大多集中在夏季，年平均日照时数在2000~2800h 之间。北京年平均气温为10~12℃，其全年湿球温差十分明显，其中，温度在18℃以下的总共有6731h，温度高于28℃只有36h。对于过渡季节外区，一般采取自然通风，对于过度季节内区，则采取冷源节能方式。基于不同的气候特征，进行全年负荷计算。以某办公建筑为例，全年负荷计算，供冷时间一般在5 月初至9 月底，全年冷负荷大概578.51kWhc，其中，单日冷负荷的高峰达到5685kW，相应的冷负荷指标大概是120.8W/m2。分析全年动态负荷需求和分布特征，选用高效空调设备。

1.2 依据全年负荷分布特征选择冷机的类型

冷水机组、冷却塔、水泵等选型的主要依据便是全年冷负荷的分布特征，根据厂家提供的设备性能曲线，通过数值模拟全年能耗，选出性能最佳的设备，对于不同的建筑类型，选择不同功率的冷机[1]。在选择冷机的时候，应从多方面进行考虑，不仅要考虑建筑物全年空调冷负荷的变化规律，还应考虑冷机部分负荷运行时的调节特性，合理选择冷机类型、台数、单机容量，从而便于提升部分负荷运行效率，减少年运行的费用。冷机的台数不应过多，中小型系统通常使用两台，较大型系统通常使用三台，大型系统通常使用三台或四台[2]。根据全年冷负荷特性，使用两台水冷离心式冷机，一台水冷变频螺杆式冷机，螺杆式制冷机及机组的名义工况如表1 所示。在夏季用冷高峰期，冷量不足的话则由水蓄冷来补充，冷机的设计工况能效比分别6.03W/W、5.83W/W，冷水与冷却水设计的供回水温度分别是7/13℃、31/37℃，冷水泵以及冷却水泵都是采用的双吸泵。对于冷却水侧，使用冷凝器清洗装置，主要是将冷机最初的换热温差作为设定值，确保冷机冷凝器换热温差处于可控得出范围之内。冷却塔使用多个模块并联运行，选择风机功率、塔损最低的塔型，并模拟通风条件，确保冷却塔进风量的有效性。

表1 螺杆式制冷机及机组的名义工况

2 高效制冷机房设计

2.1 水蓄冷技术应用

水蓄冷系统的应用虽然会增加制冷机房的面积和一定的初投资，有一些劣势，但是在其他方面具体较大的优势。借助BIM技术，优化机房布置，也可以有效缩小制冷系统的占用面积，抵消水蓄冷空调系统带来的面积占用；同时，采取水蓄冷技术，可以减小冷机配置的10%以上，后续也减少了用电费用，综合衡量对投资回收期的影响不大。通过使用自然分层式水蓄冷技术，优化机房空间，在夜间电价的低段时间，使用制冷系统中的一台水冷离心式冷机和水冷变频螺杆式冷机在夜间蓄冷，蓄满之后，在白天冷水系统制冷运行期间，与冷机联合放冷运行[3]。在蓄放冷期间，冷水与温水之间会有一定的温度差，在两者的分界处形成相应的过渡层，即斜温层，而其厚度的大小则是冷水和温水混合程度的衡量指标，随着斜温层厚度的减小，蓄冷的利用率会逐渐变高，相应的损失也会减小。一般来说，斜温层厚度的影响因素主要包括蓄水池的结构、水池中的空气、保温层的厚度等，其中比较重要的一点是布水器的设计。不管是在蓄水期间，还是在放冷期间，都会有斜温层，在运行初期，其厚度比较薄，在持续进行下，则逐渐增厚。在层流下，蓄冷、放冷期间都存在一定的可逆性，且斜温层会不断发生变化。同时，通过对冷机部分负荷率下的运行特性进行优化，采取高温蓄冷的方式调节供冷量，让制冷机组始终处于高效运行区间，从而提高空调系统效率，调节电网负荷。

2.2 输配管网低阻力设计

一般情况下，系统的冷冻、冷却水泵耗能是总耗能的一半左右，因此降低输配系统的能耗也是实现高效机房设计的重要途径。首先可以通过精细的水力计算，得到可靠的管网阻力，并通过CFD 软件模拟计算，选择流量、压头合适的高性能、低阻力水泵设备，保证水泵在高性能区间运行；同时，借助BIM 技术优化管路布置，避免多余阀门、弯头、三通等管网配件造成不必要的浪费。最后，要保证施工质量，避免施工不良导致的空调输配系统能耗。

2.3 大温差低冷却水进水温度设计

冷水使用6℃大温差供水系统进行设计，与管网阻力进行匹配，将制冷系统的能耗进行合理配置，在提高水蓄冷容量的同时，有效地减少管路、泵体的投资，降低冷却水温度，提高冷机能效。对于冷却水进水温度，在27℃下，水冷离心式冷机的最高能效比达到了6.87，在31℃下，最高能效比为6.19；在27℃下，变频螺杆式水冷冷机的最高能效比达到了7.20，在31℃下，最高能效比为6.40。

2.4 中央空调节能控制系统

使用Indas EMC007 中央空调节能控制系统，利用计算机控制技术、变频调速与控制技术等，有效地实现空调系统的高效、舒适运行。在系统中，构建知识库，智能模糊控制的形成，主要基于相应的模型以及运算规则，影响系统运行的参数，通过数据采集，根据系统最优原则，经过预测与运算得出控制参数，将其送至冷冻水子系统、冷却塔子系统，快速有效地改变系统循环流体的温度与流量，从而确保不管在任何负荷条件下，系统都能够保持最佳工作状态，起到一定的综合节能作用[4]。

2.5 基于建筑信息模型的能源监测管理系统

目前，BIM 技术通常在建筑设计、建设环节进行应用，而在运行维护环节却很少应用。据相关研究发现，建筑的运行维护贯穿于建筑任何阶段，维护的成本达到总体的2/3。智能建筑管理系统可以集中管理不同功能的建筑子系统以及相应的设备，并形成相应的建筑管理平台，其中具有优化管理、互相联通等多种功能。通过利用BIM 模型，冷却塔、冷冻泵、管路的走向等能够更加立体地呈现出来，相关管理人员可以通过3D 这种直观的形式进行查看，不仅可以清晰地观察到设备的参数信息，并有效进行控制，还能够查看设备相关的一些文档资料，真正实现设备的信息化运维管理[5]。该管理系统能够帮助物业管理人员有效地处理设备故障等各种突发事件，确保建筑设备的顺利运行。在具体的项目中，充分利用各种最新技术有效落实，还可以借助建筑能源监测管理功能，实时了解设备的实际运行状况，当设备出现故障情况的时候，及时进行报警提示，确保相应的售后服务质量，并且还具有对耗能设备的能耗进行能耗统计与分析、远程抄表、节能诊断等多种功能，有效地实现一体化闭环管理[6]。

2.6 能效计量与评价

高效机房不仅需要优秀的设计，与全年负荷特征适配的主机选型、精良的施工，还要有精准的能效计量，才能准确评价系统能效。当完成空调系统的安装以及验收工作之后，由专门的测量人员，在制冷季节，利用精准的仪器测量空调主机的运行能效，并对其系统能效进行评价，并且在经过优化后，提供相应的系统热平衡报告。高效机房的能效计量应采用专业级的计量仪表，以满足能效测量与评价的精度要求。其中，数据采集仪的精度要求为16bit 采集精度；使用铂电阻作为温度测量元件的冷热量表；流量传感器的精度要求为1%精度，使用管道式电磁流量计或者插入式超声波流量计；高精度湿度传感器的精度要求为：精度±0.06℃；智能电表的精度要求为：电压±0.2%、功率±0.7%、电流±0.5%。

3 结语

在双碳战略目标背景下，暖通空调高效制冷机房的设计应从节能出发，通过技术整合与优化，最大程度实现空调系统的节能。在建筑能耗中，空调能耗占总能耗的一半左右，而制冷机房在空调能耗中则占据70%左右。可见在建筑节能中，制冷机房的节能是极其重要的一环。高效制冷机房的设计应从多方面进行考虑，通过水蓄冷技术的应用，输配管网低阻力设计，大温差低冷却水进水温度设计等优化设计手段来降低能耗；利用建筑信息模型的能源监测管理系统，中央空调节能控制系统来辅助机房高效运行，并进行准确有效的能效计量与评价，从而降低建筑空调系统高成本运行和减少能源浪费。