制冷機房冷卻側大溫差節(jié)能特性分析

徐曉燕 王 穎 劉冰韻

制冷機房冷卻側大溫差節(jié)能特性分析

徐曉燕1王 穎2劉冰韻1

（1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092;2.同濟大學 上海 200092）

據統(tǒng)計，約40%的建筑能耗為空調系統(tǒng)能耗，空調系統(tǒng)能耗中大約有60%能耗來自制冷機房。由此可知，制冷機房節(jié)能是建筑節(jié)能的關鍵。目前，對制冷機房中冷凍側大溫差的節(jié)能技術有了大量的研究和實際應用。但是，對于冷卻側大溫差的節(jié)能研究仍有待發(fā)展。目前設計師大多采用32/37℃的冷卻水進出水溫進行制冷系統(tǒng)的設計。為了給設計師提供冷卻側大溫差的設計參考，通過能耗模擬軟件對采用冷卻側大溫差設計的制冷機房進行能耗預測，并根據模擬結果得到制冷機房最優(yōu)的大溫差設計方案。結果表明：當冷卻側溫差由5℃增加至7℃時，冷卻水進出水溫為32/39℃的節(jié)能率（8%～9%）比31/38℃的節(jié)能率（約3%）更高。將制冷機房的冷卻側溫差加大至8、9、10℃時，杭州、北京、廣州均為8℃溫差（冷卻水進出水溫為32/40℃）時最節(jié)能；而昆明則是10℃溫差（冷卻水進出水溫為28/38℃）時最節(jié)能。

冷卻側大溫差；制冷機房；節(jié)能優(yōu)化；暖通設計；能耗模擬

0 引言

據相關資料統(tǒng)計，約40%的公共建筑能耗來自空調能耗，制冷機房的能耗約占整個空調系統(tǒng)的60%[1]。而在常規(guī)空調系統(tǒng)能耗中，冷水機組、水泵和冷卻塔分別約占總能耗的50～60%、25～30%和8%[2]。水泵和冷卻塔在空調冷水系統(tǒng)中能耗占比較大，有著較大的節(jié)能潛力。而冷水系統(tǒng)大溫差技術是目前運用較為廣泛的降低空調水泵輸配能耗的措施。“大溫差系統(tǒng)”是指冷凍側或冷卻側溫差高于國內常規(guī)5℃溫差（冷凍側7/12℃、冷卻側32/37℃）設計的系統(tǒng)[3]。在國外，冷凍側常采用6～10℃溫差，冷卻側常采用6～8℃溫差設計[4]，并經過研究有進一步增大的趨勢。

近年來，對冷凍側大溫差的節(jié)能貢獻有了顯著的發(fā)展。文獻[5]指出，對于空調系統(tǒng)供冷半徑較大的大型公共建筑或高層建筑，加大冷凍水供回水溫差有較大節(jié)能意義，國內越來越多地將加大冷凍側供回水溫差作為新建民用建筑空調設計中的節(jié)能技術進行運用。

然而，相比于冷凍側大溫差節(jié)能的研究，對冷卻側大溫差節(jié)能特性的研究相對較少。目前冷卻側大溫差研究發(fā)現，增大冷卻側溫差可減少冷卻水系統(tǒng)的冷卻水循環(huán)量，降低水泵能耗。同時，在冷卻塔的逼近度不變或輕微變化的情況下，降低的水量和加大的溫差也將明顯降低冷卻塔的能耗。但同時也由于可能的冷凝溫度提高，導致壓縮機的做功增加，從而導致冷水機組的效率降低。增大溫差，很多時候是以“犧牲”冷水機組效率為代價來達到整個系統(tǒng)運行能耗的下降[6]。

文獻[7]研究發(fā)現冷卻水溫差小于15℃對空調系統(tǒng)總是適用的。文獻[8]研究發(fā)現，當冷卻水溫差為8℃時，空調系統(tǒng)的能效比最大；冷卻水溫差為7～9℃時，空調系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

1 研究方法

為了探究冷卻側大溫差技術對制冷機房整體能耗的影響，本文通過選取位于杭州地區(qū)的實際辦公建筑作為工程案例，利用特靈公司研發(fā)的能耗模擬工具Trace700對制冷機房能耗進行模擬分析。

根據制冷機房配置以及建筑的設計、運行情況，建立基準物理模型，即為基準方案。同時，為了對比不同大溫差設計的節(jié)能特性，在基準方案的基礎上保持制冷機房配置、圍護結構、室內熱擾等參數不變，僅改變冷卻側進出水溫，提出冷水機組冷卻側大溫差優(yōu)化方案。

本文首先將冷卻側供回水溫差由常規(guī)的5℃（32/37℃）溫差優(yōu)化為7℃大溫差，由此提出冷卻側優(yōu)化方案一（冷卻側供回水溫度32/39℃）、優(yōu)化方案二（冷卻側供回水溫度31/38℃），與冷卻側基準方案進行對比分析。

另外，為了探究不同氣候分區(qū)冷卻側大溫差節(jié)能特性，將冷卻側基準和優(yōu)化模型分別在分別在杭州（夏熱冬冷地區(qū)代表城市）、北京（寒冷地區(qū)代表城市）、廣州（夏熱冬暖地區(qū)代表城市）氣候條件下進行模擬。

由于本文選取的案例在杭州地區(qū)，北京和廣州地區(qū)氣候條件與杭州不同，若采用同一建筑物理模型進行模擬會導致設計負荷與杭州地區(qū)有偏差，故將上述地區(qū)的設計負荷進行校準后模擬，在保證上述地區(qū)設計負荷與案例中（杭州地區(qū)）的設計負荷一致、避免機組選型與設計負荷不一致的同時，亦能體現各地區(qū)的全年動態(tài)負荷特性。

為了對比制冷機房在冷卻水溫差大于7℃時的節(jié)能效果，本報告在保證冷卻側供水溫度不變（32℃）的情況下，進一步增加冷卻側溫差，探討冷卻側8℃、9℃、10℃溫差時，制冷機房的節(jié)能能力。昆明作為溫和地區(qū)代表城市，也列入冷卻側大溫差方案分析。由于冷卻側供水溫度主要取決于空氣濕球溫度[9]，昆明的夏季室外濕球溫度較低（夏季空氣調節(jié)室外計算濕球溫度為20℃），以28℃作為昆明大溫差方案的冷卻側供水溫度（昆明地區(qū)常規(guī)冷卻水供水溫度為28℃）。

分析對比不同冷卻側大溫差方案的能耗模擬結果，得出冷水機組采用冷卻側大溫差技術的節(jié)能特點，可作為冷水機組大溫差設計時的參考依據。

2 研究案例

本文選取的工程案例為浙江杭州的辦公建筑，冷水機組采用4臺4219kW的定頻離心機和1臺2110kW的變頻離心機，冷凍側進出水溫為6/13℃。

該項目為大型辦公建筑，由6層A-1主樓和5層A-2裙房兩部分組成。其中，一至二層主要功能房間為餐廳、食堂、商業(yè)、室內運動館、實驗培訓、多功能廳等，三至六層為辦公、會議。項目信息詳見表1。

表1 工程案例項目信息表

根據《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2015和實際調研情況設置建筑圍護結構參數和室內熱擾參數；根據暖通設計說明設置室內設計參數，并結合《建筑節(jié)能氣象參數標準》JGJ/T346-2014[10]中杭州逐時氣象參數，模擬得到該案例建筑設計總冷負荷為17495kW，以及全年逐時冷負荷，詳見圖1。

圖1 案例1全年逐時冷負荷

3 方案配置

3.1 冷卻側7℃溫差優(yōu)化

冷水機組選配方案為基準方案和2個優(yōu)化方案。優(yōu)化方案冷卻側均為7℃溫差，但是進出水溫度不同。詳見表2。

表2 冷卻側7℃溫差優(yōu)化方案配置

注：（1）機組的COP根據不同冷卻水供回水溫度下機組的實際運行IPLV性能曲線得出。（2）機組的IPLV根據其實際運行IPLV性能曲線輸入至軟件中。

3.2 冷卻側8～10℃溫差優(yōu)化

由于冷卻塔進水溫度的不同，導致各溫差方案冷水主機的COP相比標準工況的衰減不同。各溫差化方案模擬設置參數的區(qū)別主要在于主機COP和冷卻側性能參數的不同，各方案冷凍側設置均一致，杭州、北京、廣州地區(qū)各溫差方案配置詳見表3，昆明各溫差方案配置詳見表4。

表3 杭州、北京、廣州地區(qū)冷卻側8～10℃溫差優(yōu)化方案配置

表4 昆明地區(qū)冷卻側8～10℃溫差優(yōu)化方案配置

4 模擬結果分析

4.1 冷卻側7℃溫差優(yōu)化結果分析

基準方案和優(yōu)化方案的機房制冷能耗及節(jié)能率詳見詳見表5～6和圖2。對比圖、表中數據可知：

（1）優(yōu)化方案主機節(jié)能率均為負。由于冷卻側回水溫度提高，使主機冷凝溫度提高，導致機組能耗增加。優(yōu)化方案一的能耗增加較優(yōu)化方案二更多。

（2）優(yōu)化方案一的冷卻塔功率減小50%以上，節(jié)能量為21.4萬kWh左右，節(jié)能率為52.74%。優(yōu)化方案二冷卻塔功率保持不變，故冷卻塔能耗變化較少。

（3）采用大溫差系統(tǒng)，相同制冷量下冷卻水循環(huán)量對應減小，單位冷量的冷卻水泵能耗減小。兩個優(yōu)化方案的冷卻水泵節(jié)能量為21.2萬kWh左右，節(jié)能率為50%。

（4）優(yōu)化方案一的主機能耗雖較高，但其冷卻塔節(jié)能明顯，整體優(yōu)化方案一能耗較低，節(jié)能率為7.67%，而優(yōu)化方案二的節(jié)能率僅為3.20%。

表5 制冷機房總能耗對比（單位：萬kWh）

表6 制冷機房節(jié)能率對比

圖2 杭州地區(qū)冷卻側7℃溫差優(yōu)化能耗及節(jié)能率對比

北京、廣州的優(yōu)化結果與杭州類似，冷卻側7℃溫差的機房能耗均低于冷卻側5℃溫差的機房能耗，且當冷卻側供回水溫度為32/39℃時節(jié)能率更高。

各城市的制冷機房總能耗及節(jié)能率分別如表7和表8所示。

采用同樣的方法對采用螺桿式冷水機組的案例進行分析，發(fā)現模擬結果與離心式冷水機組的案例類似，即采用螺桿式冷水機組，當冷卻側供回水溫度為32/39℃時節(jié)能率更高。

表7 杭州、北京、廣州7℃溫差優(yōu)化方案能耗（萬kWh）

表8 杭州、北京、廣州7℃溫差優(yōu)化方案節(jié)能率

4.2 冷卻側8～10℃溫差優(yōu)化結果分析

杭州、北京、廣州、昆明地區(qū)的冷卻側大溫差（7℃～10℃）工況能耗相比常規(guī)5℃溫差工況能耗的節(jié)能率詳見表9～10，節(jié)能率變化趨勢詳見圖3。由圖、表中數據可知：

表9 杭州、北京、廣州地區(qū)各溫差方案制冷機房節(jié)能率（%）

表10 昆明地區(qū)各溫差方案制冷機房節(jié)能率（%）

圖3 各地區(qū)冷卻側大溫差節(jié)能特性

（1）杭州、北京地區(qū)的冷卻側大溫差工況的節(jié)能率變化趨勢相似且節(jié)能率相近，冷卻側8℃溫差工況下，節(jié)能率最高（節(jié)能率均為9.30%），其次為7℃溫差工況。

（2）廣州地區(qū)冷卻側8℃溫差工況的節(jié)能率最高（節(jié)能率10.71%），其次是冷卻側9℃溫差工況和冷卻側10℃溫差工況。

（3）昆明地區(qū)，當冷卻側供水溫度保持28℃時，隨著冷卻側供回水溫差的增大，節(jié)能率依次提高。冷卻側10℃溫差工況下，制冷機房的節(jié)能率最高，達到9.62%。

（4）各地區(qū)冷卻側大溫差工況均比基準工況節(jié)能，節(jié)能率總體大于6%。

5 結論

（1）以杭州地區(qū)為例，當冷卻側供回水溫差由5℃增大為7℃時，冷水機組能耗有所增加，但水泵和冷卻塔能耗降低，機房總體能耗降低。

（2）以杭州、北京、廣州地區(qū)為例，供回水溫度32/39℃較31/38℃更節(jié)能，因其冷卻塔的節(jié)能量較高。

（3）保持32℃進水溫度不變，杭州、北京、廣州地區(qū)，冷卻側8℃溫差（冷卻水進出水溫為32/40℃）時最節(jié)能，昆明地區(qū)在10℃溫差（冷卻水進出水溫為28/38℃）時最節(jié)能。

（4）各地區(qū)冷卻側大溫差工況（7℃～10℃溫差）均比基準工況（5℃溫差）節(jié)能，節(jié)能率大于6%。

（5）本文研究過程中未考慮大溫差技術帶來空調系統(tǒng)實際運行的復雜性，空調系統(tǒng)有效控制和調節(jié)是大溫差節(jié)能運行的前提，建議后期可對大溫差空調系統(tǒng)在運營維護階段的適用性進行研究。

[1] 王紅娜.大型公共建筑節(jié)能管理研究[D].天津:天津大學,2007.

[2] 程昕.大溫差冷卻水對冷水機組性能的影響研究[D].湖南:南華大學,2014.

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[4] 周亞素,陳沛霖.空調冷凍水系統(tǒng)大溫差設計的能耗分析[J].建筑熱能通風空調,1999,(2):18-19.

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[10] JGJ/T 346-2014,建筑節(jié)能氣象參數標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014:48.

Analysis on Energy Saving Features of Large Cooling Water Temperature Difference of Cooling Plants

Xu Xiaoyan1Wang Ying2Liu Bingyun1

( 1.Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd, Shanghai, 200092; 2.Tongji University, Shanghai, 200092 )

According to the statistics, there is about 40% of building energy consumption is from Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system. In addition, the cooling plant consists of about 60% of HVAC energy consumption. Therefore, energy saving of the cooling plant is critical to building energy conservation. There has been many researches and applications of large chilled water temperature difference. However, the researches of large cooling water temperature difference are required to be developed. The 32/37℃ cooling water temperature are adopt by most HVAC engineers to design a system. In order to provide a reference for HVAC engineers to conduct a large cooling water temperature design, energy simulation was used to calculate the cooling plant energy consumption with large cooling water temperature. The optimized design alternative was obtained by comparing the simulation results. The results show that the energy saving percentage of 32/39℃ cooling water temperature (8%～9%) is higher than that of 31/38℃ (about 3%) when the cooling water temperature difference is increased from 5℃ to 7℃. In comparison to 9℃ and 10℃ cooling water temperature difference, there is most energy saved by increasing the temperature difference to 8℃ (cooling water temperature of 32/40℃) in Hangzhou, Beijing and Guangzhou. However, the highest energy saving percentage in Kunming is under 10℃ cooling water temperature difference (cooling water temperature of 28/38℃).

large cooling water temperature difference; cooling plants; energy conservation optimization; HVAC design; energy simulation

TU

B

1671-6612（2020）04-422-06

徐曉燕（1991.02-），女，碩士研究生，工程師，E-mail：1534150734@qq.com

王 穎（1984.05-），女，在讀博士研究生，高級工程師，E-mail：157075452@qq.com

2019-09-30