磁悬浮离心式冷水机组在某五星级酒店的应用

隋亮亮

(杭州市建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310008)

1 酒店项目能耗状况

数据显示我国酒店业的能耗指标为13.3%左右,比国际酒店业的先进水平高出5个百分点,而在酒店能耗中空调的能耗平均约占酒店总能耗的40%～50%,而五星级酒店的能耗通常更高约在45%～55%,属于耗能大户。因此酒店的空调系统节能尤为重要,从细节入手,在空调冷热源源头节能尤为重要,提升能源利用率,减低能耗,既节约成本,又达到环保的目的[1]。

2 项目空调冷源的应用

2.1 项目情况简介

项目位于浙江省南部某市,酒店为37层超高层酒店建筑,高度151.50 m,其中地上3层裙房主楼34层均为酒店客房。另有一栋人才公寓28层,高度99.10 m,地下2层。项目总建筑面积185 601.67 m(其中地上建筑面积:132 407.98 m2,地下建筑面积53 193.69 m2,酒店地上建筑面积10 045 m2)，见图1。

2.2 磁悬浮离心式冷水机组介绍

磁悬浮离心式冷水机组是一种利用先进的磁悬浮技术的空调系统,其高效的节能率、卓越的负载性能和超长的使用寿命,尤其适合于大型能耗建筑下的中央空调系统。

与传统的离心式冷水机组相比,磁悬浮冷水机组具有以下优点[2]:

1)节能高效,运行费用低:机组采用磁悬浮压缩机技术、直流变频控制技术、无油润滑等先进技术,产品能效比有了很大提高,机组在部分负荷运行条件下,峰值效率COP高达11～13,以一般空调系统全年运行统计,比常规冷水机组节电率高达40%～50%。

2)稳定耐用,维保费用低:磁悬浮机组无油运转技术实现完全无摩擦,消除了机械摩擦损失,比常规轴承更持久耐用,与传统的离心式轴承的摩擦损失相比,磁悬浮轴承的摩擦损失仅为前者的2%左右,磁悬浮空调使用寿命可长达30 a。因机组完全无油,减少了油路系统、油泵等零件的故障,可靠性提高30%～50%,极大减少了检修的费用。无需每年清洗主机,只需要做蒸发、冷凝器水垢处理清洗,蒸发冷凝器一次清洗费用较低,且可节省维护时间,避免因制冷需求高峰清洗机组造成无法使用(见图2)。

3)宽域运行:磁悬浮变频压缩机采用多技术联合调节,保证效率最优的情况下,拓宽机组运行范围,可实现单压缩机制冷负荷低至10%以下,并保证机组在冷却水温12 ℃时正常运行。

4)噪声低、振动低、启动电流小:运动部件在磁悬浮作用下完全悬浮,运行噪声与振动低,因磁悬浮机组没有机械摩擦,具有气垫阻隔震动,机组产生的噪声和振动极低,压缩机噪声不大于70 dB(A)。启动电流低,常规制冷机组的压缩机在启动的瞬间会产生高冲击电流,一般达到400 A～600 A,波及电网的稳定,而磁悬浮机组的启动过程利用压缩机变频启动的方式,使启动电流低至只有2 A,对电网冲击低。

5)绿色环保:环保型冷媒R134a,对臭氧层0伤害,符合绿色环保的要求。

6)效率稳定:常规大型离心式机组系统即使每年清洗,由于润滑油残留及累积,能效损失至高将达25%,运行年限越长效率降低将越明显。磁悬浮机组因无油运行,不会存在润滑油残留的问题,所以随着运行年限增加也不会存在润滑油造成效率损失的问题。

磁悬浮离心式冷水机组主要缺点为价格较高。以本项目为例,本项目中1 758 kW磁悬浮离心式冷水机组价格约为95万元每台,同样制冷量的定频离心式冷水机组价格约为60万元每台,相差35万元,磁悬浮离心式冷水机组价格是定频离心式冷水机组的1.58倍,价格偏高。但是总的来说,在节能环保、技术创新成为大势所趋的时代背景下,磁悬浮离心冷水机组在环保性、节能性、保养性等方面具有较大的优势(见图3)。

2.3 磁悬浮离心式冷水机组在某五星级酒店中的应用

该五星级酒店位于浙江省南部某市,酒店为37层超高层酒店建筑。五星级酒店项目夏季空调总尖峰负荷为9 896 kW,空调建筑面积冷指标110 W/m2。项目为超高层项目,空调水系统根据项目的使用功能分为地下室裙房、主楼低区客房、主楼高区客房三个区域分别供冷。项目空调冷源根据项目总空调冷负荷并考虑酒店空调负荷富裕量采用3 516 kW(1 000冷吨)定频水冷离心式冷水机组2台,1 758 kW(500冷吨)磁悬浮变频离心式冷水机组2台。定频水冷离心机组和磁悬浮变频离心式冷水机组均设置在地下一层的制冷机房内,并在制冷机房内设置一台换热量3 000 kW的板式换热机组,利用该板式换热机组在过渡季节阶段不开启冷水机组,仅靠冷却塔降温冷冻水,提供冷却塔免费供冷。具体布置详见图4。

项目空调水系统采用二管制,异程为主,各分支均设置动态平衡阀,保证空调水系统总能在比较合理的平衡状态下运行。因项目为超高层,总建筑高度为154.2 m,因此空调水系统分为3个区域,地下室和裙房为低区一区,4层～19层为低区二区,20层～37层为高区。考虑到设备采购的经济性,降低低区的水温,以便在高区换热后水温不过高,所有的空调箱、风机盘管等空调末端均可以采用国标产品。因此低区冷水供回水温度为6 ℃/11 ℃;热水供回水温度为60 ℃/50 ℃;低区设置流量:665 m3/h的单级双吸离心式水泵3台,两用一备与2台1 000冷吨定频离心式冷水机组对应使用;流量:332 m3/h的单级双吸离心式水泵3台,两用一备与2台500冷吨磁悬浮离心式冷水机组对应使用。冷水机组制备冷冻水后,通过分水器,分别直接供应地下室、裙房以及4层～19层客房区域。并有一路供回水管路通过竖向管井通至25层的避难层内的换热机房内,换热机房内设置3组板式换热机组,每组供冷量1 200 kW,利用制冷机房提供的供回水温度6 ℃/11 ℃一次侧冷冻水与二次侧冷冻水进行换热后通给20层～37层客房,二次侧供回水温度7.5 ℃/12.5 ℃。每组板式换热机组内配置循环水泵采用流量230 m3/h的单级单吸离心式水泵2台,水泵一用一备(见图5)。

整个项目设置高效节能空调运行控制系统,通过集中控制系统,将机房内的冷水机组、板式换热机组、水泵、冷却塔风机、各个末端空调箱、风机盘管等实现自动控制,机组运行采用自动数据采集,根据末端运行状态,空调冷水需求量调整离心式冷水机组,磁悬浮离心式冷水机组的开启数量,调整机组的运行状态,特别是利用磁悬浮离心式冷水机组在部分负荷下的超高能效比,保证磁悬浮离心式冷水机组在其最高效区域运行,以达到既保证空调系统的运行效果又有效的节约了空调机组的运行能耗。从而保证整个酒店的空调系统高效运行,达到节能环保的要求,为国家的双碳目标作出一份贡献。

2.4 磁悬浮离心式冷水机组与普通离心机组的经济对比分析

根据ARI(美国制冷学会)发布的空调负荷全年分别统计可知空调系统冷源的设计值,是在最不利的条件时保证多数空调运行状态所计算的空调负荷量,而工程项目在时间使用中受变化的气温、人流量、使用率等因素影响[3],根据浙江省节能评估导则所提供的酒店空调使用频数可知,酒店绝大多数的运行时间均在30%～70%之间。因此本项目考虑到单纯使用磁悬浮离心式冷水机组初投资较高,因此在设计方案上采用磁悬浮离心式冷水机组和定频离心式冷水机组相结合的方式,大幅降低了初投资,在运行上采取磁悬浮离心式冷水机组高效端优先原则可以最大限度的发挥磁悬浮离心式冷水机组的节能优势,缩短投资回收期。

2.4.1 磁悬浮离心式冷水机组与普通离心机组的能耗对比

考虑项目情况将本项目空调机组能耗情况与采用常规普通定频离心机组相对比,通过机组的开启策略以及利用浙江省节能评估导则中相应的负荷频数,机组能耗计算公式等资料,对两种空调机组配置能耗进行计算对比。

本项目采用2台3 516 kW定频离心式冷水机组和2台 1 758 kW磁悬浮离心式冷水机组为方案一。

常规配置的2台3 516 kW定频离心式冷水机组和2台 1 758 kW离心式冷水机组为方案二。

两种方案中均采用同样的控制策略,具体控制策略详见表1～表3。

表1 不同负荷率下定频离心机组启动策略

表2 不同负荷率下磁悬浮离心机组启动策略

表3 不同负荷率下普通定频离心机组启动策略

项目根据浙江省《民用建筑项目节能评估技术导则》[4]中相关规定的冷水机组用电能耗计算公式进行计算:

(1)

其中,QC为冷源年用电量,kWh;TC为冷源年运行时间,h;n为负荷率统计分段数;εi为第i段负荷率内的时间所占比例;m为主机台数;Di,j为第i段负荷率内第j台主机是否开启,若开启则取1,关闭则取0;Lj为第j台主机的额定制冷量,kW;ζi,j为第i段负荷率内第j台主机的负载率,当设计文件没有明确不同负荷下主机运行策略时,按所有启动主机的负载率相等计算,即：

(2)

其中，CLQi为第i段负荷率的冷负荷,kW;COPi,j为第i段负荷率内第j台主机的负载率对应的COP值。

项目中各个机组的COP均根据项目所采用的品牌所提供的相关产品的COP值进行计算。在不同负荷下机组的COP值见表4。

将所有的资料代入到式(1)中,可以通过计算得的方案一和方案二对比两个方案的全年能耗详见表5,表6。

表4 不同负荷率下制冷机组COP

表5 方案一制冷机组年用能估算

表6 方案二制冷机组年用能估算

从表5，表6的对比可知，采用2台磁悬浮离心式冷水机组比采用2台定频离心式冷水机组在整个酒店的制冷季运行时可以极大的节能,一个制冷季可以节约空调耗电量为1 655 881.01-1 332 124.56=323 756.45 kWh。

2.4.2 磁悬浮离心式冷水机组与普通离心机组的经济对比

项目最终采购的1 000冷吨定频式离心机组加500冷吨 磁悬浮离心式冷水机组的采购价格情况与同品牌如采用普通定频离心式冷水机组设备价格对比见表7。

表7 机组价格对比分析表

从表7可知单台制冷量1 758 kW磁悬浮离心式冷水机组比制冷量1 758 kW定频离心式冷水机组价格贵35万元,价格是普通机组的1.58倍,因此磁悬浮离心式冷水机组缺点主要是价格较贵,但根据2.4.1中表5，表6的空调冷源一个制冷季的耗电量计算可以看到磁悬浮离心式冷水机组的能耗节约有巨大的潜力。

由表8可知本项目采用2台3 516 kW定频离心式冷水机组和2台1 758 kW磁悬浮离心式冷水机组比2台3 516 kW定频离心式冷水机组和2台1 758 kW定频离心式冷水机组每年运行费用节约约34万元,业主可以在2年内收回成本。成本收回后机组使用较常规机组均较为节能,在整个设备的使用寿命周期内可以为更多的节约项目空调冷源能耗。

表8 机组经济对比分析表

3 结语

通过位于浙江省南部某市新建超高层五星级酒店磁悬浮离心式冷水机组的应用情况来看,磁悬浮离心式冷水机组具有较为突出的高效节能效果,为酒店用电带来了巨大的节能成本,不仅降低了酒店的运营成本、提高了营业利润,还可以促使酒店行业向节能减排纵深发展,为双碳目标的达成做出贡献。磁悬浮离心式冷水机组可以在更多的酒店项目中推广使用。