中山某厂房中央空调系统水蓄冷节能改造设计技术分析

黄子咏

（广州市设计院集团有限公司，广东广州 510620）

1 工程概况

本工程位于中山市，用地面积为70663.1m2，总建筑面积为163898.3m2，改造前现存在供冷需求的厂房有1~8#共8 栋厂房，每栋厂房均有一个及以上机房，位置分别位于6 楼和楼顶。制冷系统合计总装机容量为5909冷吨（refrigeration ton,RT）。制冷站呈现小、多、分散的特点，缺乏群控和能源管理系统，车间存在供冷不足的情况。为提升系统整体效率并提高系统运行可靠性，将增加投资对旧冷站系统进行升级改造，新建一个临时建筑作为集中冷站+水蓄冷为原有系统进行供冷，根据运行数据推测，推算本项目尖峰冷负荷约为2406RT。

2 室外设计参数

室外气象设计计算参数如表1 所示。

表1 室外气象设计计算参数

3 空调系统冷负荷计算

通过对本项目一年的负荷使用情况统计，本项目尖峰冷负荷约为2406RT。

4 原有空调系统存在的问题

（1）制冷站呈现小、多、分散的特点各栋厂房拥有独立冷站，冷站数量为2 个及以上，因此厂区内冷站多达十多个，对于日常管理、检修带来困难。同时，冷站内多为较小的制冷主机，制冷量在200RT 左右，较大主机没有能效优势。

（2）原有主机能效不高，小的制冷主机本身能效没有优势，制冷系数（coefficient of performance, COP）多为4.2~4.8。另一方面，由于机组运行时间较久，能效下降严重，COP 仅为3.6~3.8。

（3）缺乏群控系统，机房未设计自动控制系统，系统的开关启停由人工运行，无法根据实际负荷进行调节设备开启台数及配置最优的设备运行方案。机房水泵、水塔长期定频运行，无法及时根据负荷减少运行功率，造成了较大的能源浪费。

（4）缺乏能源管理，在厂内的中央空调系统如此分散、复杂的情况下，没有统一的能源系统进行管理，导致系统故障未能及时处理，同时增加运维负担，人工管理成本高。

5 解决方案

（1）新增高效空调系统，夜间蓄冷8h，在100%设计日负荷下可转移7h 的高峰负荷和1.5h 的平段负荷（供应区域为1~8 号楼），节省运行费用。

（2）夜间谷段冷负荷由原系统主机承担，新增主机夜间用于蓄冷。白天平段和峰段负荷由蓄冷系统和新增主机承担，由于各楼栋距离差距较大，水泵选用一次+二次泵配置（替换原有冷冻水泵）。

（3）新增机房计划新增一套智慧自动控制系统，且原有1~8 号楼计划增加远程启停模块，并接入蓄冷自动控制系统中。实现对冷站机房设备的节能控制和运行管理。为了便于空调冷站机房的统一管理，将空调冷站机房纳入能效管理平台（中央空调节能智能控制系统），实现远程的统一监控、管理、能效分析。

（4）空调主机、空调水泵、冷却水泵、冷却风机、通过接收中央空调节能控制中心的命令，实现水泵的智能变频运行或单台增减的匹配运行，对整体负荷变化或者某一负荷变化，节能控制系统都会对整体运行设备进行适时调整，和对某一负荷输出进行优化，包括主机负荷的调整和设备的调整，以及对应阀门等设备的切换。

6 空调系统节能改造

（1）新建高效水蓄冷中央空调系统，并将空调水管接入原有系统主管，利用阀门进行与原有系统的切换，当夜间新建系统全部用于蓄冷时，利用原有空调系统作为冷源。

（2）新建空调系统由3 台900RT 的水冷离心式冷水机组、4 台流量为400m3/h 的离心式冷冻水泵（3 用1备）、4 台流量为735m3/h 离心式冷却水泵（3 用1 备）以及6 台低噪声方型横流式冷却塔组成。其中制冷主机蓄冷工况时，提供供/回水温度为：4℃/14℃的冷冻水；制冷主机基载工况时，提供供/回水温度为：6℃/14℃的冷冻水。为提高系统能效，冷却塔的逼近度为3℃，冷却塔提供供/回水温度为：31℃/36℃的冷却水。

（3）冷冻水泵、冷却水泵均采用变频控制、可根据系统实际运行情况，通过变频技术调节系统流量，降低水泵的输送能耗。冷冻水泵和冷却水泵与制冷主机采用1 对1 的连接方式，并且将直接弯头改为斜角弯头，尽量减少弯头数量等措施，有效的减少了管路的压力损失，降低了水泵的耗电量，从而增加了系统的能效。

（4）冷却塔风机变频控制，根据室外空气湿球温度与冷却水出水温度的差值调整冷却塔风机的转速，可以让冷却水的出水温度始终稳定在合理的最低值，从而降低冷却塔风机的能耗[1]。

（5）新建空调系统通过新增的智慧自动控制系统，并且将原有系统增加的启停模块接入自动控制系统中，能对系统的运行进行统一的管理，减少人工需要到每个厂房的机房进行设备的手动启停所需要的时间，从而节约人工成本，并可记录系统的实时运行情况和数据，便于为后续的能效分析，优化系统。

对于大规模的建筑群，空调系统能耗会导致电力系统呈现显著的峰谷负荷差，进而导致所匹配的电力系统装机容量增大[2]。蓄冷空调系统通过蓄能介质的显热或相变潜热，实现分时段储能与分时段释能[3]。通过上述的措施，中央空调冷源系统采用高效机房标准设计建设，水冷中央空调系统在蓄冷供回水温度4℃/14℃，冷却水供回水温度31℃/36℃（5℃温差）及满足末端正常使用的前提下，需要实现新建冷站系统制冷机房系统的基载工况年综合平均运行能效EER≥4.8，蓄冷工况年综合平均运行能效EER≥4.4，年综合平均运行能效达到《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》（DBJ/T 15-129—2017）[4]中的二级能效等级标准。

7 典型工况下的系统运行策略

7.1 项目运行策略

水蓄冷空调系统的运行控制策略与系统的运行能效息息相关[5]，以下就针对本项目的情况，作出如下运行策略。

（1）当由蓄冷水罐单独供冷时，由一次泵将水罐内4℃的冷冻水输送至原冷站冷冻泵（即原冷冻泵作为二次泵）的前端，然后将各冷站的14℃回水与4℃的供水通过调节阀混合成9℃供水，通过设定回水温度来调节阀门开度，以保证回水温度的稳定；再由各冷站的冷冻泵输送至末端。

（2）当由新增制冷主机单独供冷时，由一次泵将制冷主机6℃的冷冻水输送至各冷站的二次泵的前端，然后将各冷站的14℃回水与4℃的供水通过调节阀混合成9℃供水，通过设定回水温度来调节阀门开度，以保证回水温度的稳定；再由各冷站的冷冻泵输送至末端。

（3）本系统在各设计负荷日（100%、75%、60%、40%）主机的运行策略如表2 所示。在夜间谷段（0：00—8：00）蓄冷主机蓄冷，基载系统同时需满足夜间用冷需求。在白天峰段采用蓄冷放冷的运行模式，在白天平段采用基载主机直供及蓄冷放冷的运行模式。

表2 不同负荷状态下的运行策略

7.2 不同负荷状态下的系统运行策略

7.2.1 40%设计日（1 月、2 月、11 月、12 月）负荷的系统运行策略

此负荷下采用3 台900RT 主机晚上蓄冷5.4h，白天可以移除空调系统7h 的峰段负荷和9h 的平段负荷，使运行费用降低。40%设计日负荷的系统运行策略如图1 所示。

图1 40%设计日负荷的系统运行策略

7.2.2 60%设计日（3 月、10 月）负荷的系统运行策略

此负荷下采用3 台900RT 主机晚上蓄冷8h，白天可以移除空调系统7h 的峰段负荷和8.68h 的平段负荷，剩余的平段负荷由主机直接供冷，使运行费用降低。60%设计日负荷的系统运行策略如图2 所示。

图2 60%设计日负荷的系统运行策略

7.2.3 75%设计日（4 月、5 月、9 月）负荷的系统运行策略

此负荷下采用3 台900RT 主机晚上蓄冷8h，白天可以移除空调系统7h 的峰段负荷和5.36h 的平段负荷，剩余的平段负荷由主机直接供冷，使运行费用降低。75%设计日负荷的系统运行策略如图3 所示。

图3 75%设计日负荷的系统运行策略

7.2.4 100%设计日（6 月、7 月、8 月）负荷的系统运行策略

此负荷下采用3 台900RT 主机晚上蓄冷8h，白天可以移除空调系统7h 的峰段负荷和2.36h 的平段负荷，剩余的平段负荷由主机直接供冷，使运行费用降低。100%设计日负荷的系统运行策略如图4 所示。

图4 100%设计日负荷的系统运行策略

8 结语

目前大部分老旧厂房的空调主机能效有因为使用时间过长，已经出现不同程度的能效衰减，导致空调运行费用偏高，且使用效果达不到原有设计要求，且多数厂房需24h 不断供冷，使问题更加突出，故进行升级改造迫在眉睫。但是工业建筑存在占地面积大、可改造灵活性高等优势，空调系统改造为水蓄冷空调系统比民用建筑简单。并能积极响应“碳达峰、碳中和”的国策号召，减轻企业“双碳”指标压力；降低企业生产用能成本，提升企业经营竞争力及企业绿色、智慧形象。故工厂空调系统改造为水蓄冷空调系统将会作为一种趋势，希望本文可以为类似工程提供一定参考价值。