磁懸浮離心式冷水機組在某五星級酒店的應用

隋亮亮

(杭州市建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310008)

1 酒店項目能耗狀況

數據顯示我國酒店業的能耗指標為13.3%左右,比國際酒店業的先進水平高出5個百分點,而在酒店能耗中空調的能耗平均約占酒店總能耗的40%～50%,而五星級酒店的能耗通常更高約在45%～55%,屬于耗能大戶。因此酒店的空調系統節能尤為重要,從細節入手,在空調冷熱源源頭節能尤為重要,提升能源利用率,減低能耗,既節約成本,又達到環保的目的[1]。

2 項目空調冷源的應用

2.1 項目情況簡介

項目位于浙江省南部某市,酒店為37層超高層酒店建筑,高度151.50 m,其中地上3層裙房主樓34層均為酒店客房。另有一棟人才公寓28層,高度99.10 m,地下2層。項目總建筑面積185 601.67 m(其中地上建筑面積:132 407.98 m2,地下建筑面積53 193.69 m2,酒店地上建筑面積10 045 m2)，見圖1。

2.2 磁懸浮離心式冷水機組介紹

磁懸浮離心式冷水機組是一種利用先進的磁懸浮技術的空調系統,其高效的節能率、卓越的負載性能和超長的使用壽命,尤其適合于大型能耗建筑下的中央空調系統。

與傳統的離心式冷水機組相比,磁懸浮冷水機組具有以下優點[2]:

1)節能高效,運行費用低:機組采用磁懸浮壓縮機技術、直流變頻控制技術、無油潤滑等先進技術,產品能效比有了很大提高,機組在部分負荷運行條件下,峰值效率COP高達11～13,以一般空調系統全年運行統計,比常規冷水機組節電率高達40%～50%。

2)穩定耐用,維保費用低:磁懸浮機組無油運轉技術實現完全無摩擦,消除了機械摩擦損失,比常規軸承更持久耐用,與傳統的離心式軸承的摩擦損失相比,磁懸浮軸承的摩擦損失僅為前者的2%左右,磁懸浮空調使用壽命可長達30 a。因機組完全無油,減少了油路系統、油泵等零件的故障,可靠性提高30%～50%,極大減少了檢修的費用。無需每年清洗主機,只需要做蒸發、冷凝器水垢處理清洗,蒸發冷凝器一次清洗費用較低,且可節省維護時間,避免因制冷需求高峰清洗機組造成無法使用(見圖2)。

3)寬域運行:磁懸浮變頻壓縮機采用多技術聯合調節,保證效率最優的情況下,拓寬機組運行范圍,可實現單壓縮機制冷負荷低至10%以下,并保證機組在冷卻水溫12 ℃時正常運行。

4)噪聲低、振動低、啟動電流小:運動部件在磁懸浮作用下完全懸浮,運行噪聲與振動低,因磁懸浮機組沒有機械摩擦,具有氣墊阻隔震動,機組產生的噪聲和振動極低,壓縮機噪聲不大于70 dB(A)。啟動電流低,常規制冷機組的壓縮機在啟動的瞬間會產生高沖擊電流,一般達到400 A～600 A,波及電網的穩定,而磁懸浮機組的啟動過程利用壓縮機變頻啟動的方式,使啟動電流低至只有2 A,對電網沖擊低。

5)綠色環保:環保型冷媒R134a,對臭氧層0傷害,符合綠色環保的要求。

6)效率穩定:常規大型離心式機組系統即使每年清洗,由于潤滑油殘留及累積,能效損失至高將達25%,運行年限越長效率降低將越明顯。磁懸浮機組因無油運行,不會存在潤滑油殘留的問題,所以隨著運行年限增加也不會存在潤滑油造成效率損失的問題。

磁懸浮離心式冷水機組主要缺點為價格較高。以本項目為例,本項目中1 758 kW磁懸浮離心式冷水機組價格約為95萬元每臺,同樣制冷量的定頻離心式冷水機組價格約為60萬元每臺,相差35萬元,磁懸浮離心式冷水機組價格是定頻離心式冷水機組的1.58倍,價格偏高。但是總的來說,在節能環保、技術創新成為大勢所趨的時代背景下,磁懸浮離心冷水機組在環保性、節能性、保養性等方面具有較大的優勢(見圖3)。

2.3 磁懸浮離心式冷水機組在某五星級酒店中的應用

該五星級酒店位于浙江省南部某市,酒店為37層超高層酒店建筑。五星級酒店項目夏季空調總尖峰負荷為9 896 kW,空調建筑面積冷指標110 W/m2。項目為超高層項目,空調水系統根據項目的使用功能分為地下室裙房、主樓低區客房、主樓高區客房三個區域分別供冷。項目空調冷源根據項目總空調冷負荷并考慮酒店空調負荷富裕量采用3 516 kW(1 000冷噸)定頻水冷離心式冷水機組2臺,1 758 kW(500冷噸)磁懸浮變頻離心式冷水機組2臺。定頻水冷離心機組和磁懸浮變頻離心式冷水機組均設置在地下一層的制冷機房內,并在制冷機房內設置一臺換熱量3 000 kW的板式換熱機組,利用該板式換熱機組在過渡季節階段不開啟冷水機組,僅靠冷卻塔降溫冷凍水,提供冷卻塔免費供冷。具體布置詳見圖4。

項目空調水系統采用二管制,異程為主,各分支均設置動態平衡閥,保證空調水系統總能在比較合理的平衡狀態下運行。因項目為超高層,總建筑高度為154.2 m,因此空調水系統分為3個區域,地下室和裙房為低區一區,4層～19層為低區二區,20層～37層為高區?？紤]到設備采購的經濟性,降低低區的水溫,以便在高區換熱后水溫不過高,所有的空調箱、風機盤管等空調末端均可以采用國標產品。因此低區冷水供回水溫度為6 ℃/11 ℃;熱水供回水溫度為60 ℃/50 ℃;低區設置流量:665 m3/h的單級雙吸離心式水泵3臺,兩用一備與2臺1 000冷噸定頻離心式冷水機組對應使用;流量:332 m3/h的單級雙吸離心式水泵3臺,兩用一備與2臺500冷噸磁懸浮離心式冷水機組對應使用。冷水機組制備冷凍水后,通過分水器,分別直接供應地下室、裙房以及4層～19層客房區域。并有一路供回水管路通過豎向管井通至25層的避難層內的換熱機房內,換熱機房內設置3組板式換熱機組,每組供冷量1 200 kW,利用制冷機房提供的供回水溫度6 ℃/11 ℃一次側冷凍水與二次側冷凍水進行換熱后通給20層～37層客房,二次側供回水溫度7.5 ℃/12.5 ℃。每組板式換熱機組內配置循環水泵采用流量230 m3/h的單級單吸離心式水泵2臺,水泵一用一備(見圖5)。

整個項目設置高效節能空調運行控制系統,通過集中控制系統,將機房內的冷水機組、板式換熱機組、水泵、冷卻塔風機、各個末端空調箱、風機盤管等實現自動控制,機組運行采用自動數據采集,根據末端運行狀態,空調冷水需求量調整離心式冷水機組,磁懸浮離心式冷水機組的開啟數量,調整機組的運行狀態,特別是利用磁懸浮離心式冷水機組在部分負荷下的超高能效比,保證磁懸浮離心式冷水機組在其最高效區域運行,以達到既保證空調系統的運行效果又有效的節約了空調機組的運行能耗。從而保證整個酒店的空調系統高效運行,達到節能環保的要求,為國家的雙碳目標作出一份貢獻。

2.4 磁懸浮離心式冷水機組與普通離心機組的經濟對比分析

根據ARI(美國制冷學會)發布的空調負荷全年分別統計可知空調系統冷源的設計值,是在最不利的條件時保證多數空調運行狀態所計算的空調負荷量,而工程項目在時間使用中受變化的氣溫、人流量、使用率等因素影響[3],根據浙江省節能評估導則所提供的酒店空調使用頻數可知,酒店絕大多數的運行時間均在30%～70%之間。因此本項目考慮到單純使用磁懸浮離心式冷水機組初投資較高,因此在設計方案上采用磁懸浮離心式冷水機組和定頻離心式冷水機組相結合的方式,大幅降低了初投資,在運行上采取磁懸浮離心式冷水機組高效端優先原則可以最大限度的發揮磁懸浮離心式冷水機組的節能優勢,縮短投資回收期。

2.4.1 磁懸浮離心式冷水機組與普通離心機組的能耗對比

考慮項目情況將本項目空調機組能耗情況與采用常規普通定頻離心機組相對比,通過機組的開啟策略以及利用浙江省節能評估導則中相應的負荷頻數,機組能耗計算公式等資料,對兩種空調機組配置能耗進行計算對比。

本項目采用2臺3 516 kW定頻離心式冷水機組和2臺 1 758 kW磁懸浮離心式冷水機組為方案一。

常規配置的2臺3 516 kW定頻離心式冷水機組和2臺 1 758 kW離心式冷水機組為方案二。

兩種方案中均采用同樣的控制策略,具體控制策略詳見表1～表3。

表1 不同負荷率下定頻離心機組啟動策略

表2 不同負荷率下磁懸浮離心機組啟動策略

表3 不同負荷率下普通定頻離心機組啟動策略

項目根據浙江省《民用建筑項目節能評估技術導則》[4]中相關規定的冷水機組用電能耗計算公式進行計算:

(1)

其中,QC為冷源年用電量,kWh;TC為冷源年運行時間,h;n為負荷率統計分段數;εi為第i段負荷率內的時間所占比例;m為主機臺數;Di,j為第i段負荷率內第j臺主機是否開啟,若開啟則取1,關閉則取0;Lj為第j臺主機的額定制冷量,kW;ζi,j為第i段負荷率內第j臺主機的負載率,當設計文件沒有明確不同負荷下主機運行策略時,按所有啟動主機的負載率相等計算,即：

(2)

其中，CLQi為第i段負荷率的冷負荷,kW;COPi,j為第i段負荷率內第j臺主機的負載率對應的COP值。

項目中各個機組的COP均根據項目所采用的品牌所提供的相關產品的COP值進行計算。在不同負荷下機組的COP值見表4。

將所有的資料代入到式(1)中,可以通過計算得的方案一和方案二對比兩個方案的全年能耗詳見表5,表6。

表4 不同負荷率下制冷機組COP

表5 方案一制冷機組年用能估算

表6 方案二制冷機組年用能估算

從表5，表6的對比可知，采用2臺磁懸浮離心式冷水機組比采用2臺定頻離心式冷水機組在整個酒店的制冷季運行時可以極大的節能,一個制冷季可以節約空調耗電量為1 655 881.01-1 332 124.56=323 756.45 kWh。

2.4.2 磁懸浮離心式冷水機組與普通離心機組的經濟對比

項目最終采購的1 000冷噸定頻式離心機組加500冷噸 磁懸浮離心式冷水機組的采購價格情況與同品牌如采用普通定頻離心式冷水機組設備價格對比見表7。

表7 機組價格對比分析表

從表7可知單臺制冷量1 758 kW磁懸浮離心式冷水機組比制冷量1 758 kW定頻離心式冷水機組價格貴35萬元,價格是普通機組的1.58倍,因此磁懸浮離心式冷水機組缺點主要是價格較貴,但根據2.4.1中表5，表6的空調冷源一個制冷季的耗電量計算可以看到磁懸浮離心式冷水機組的能耗節約有巨大的潛力。

由表8可知本項目采用2臺3 516 kW定頻離心式冷水機組和2臺1 758 kW磁懸浮離心式冷水機組比2臺3 516 kW定頻離心式冷水機組和2臺1 758 kW定頻離心式冷水機組每年運行費用節約約34萬元,業主可以在2年內收回成本。成本收回后機組使用較常規機組均較為節能,在整個設備的使用壽命周期內可以為更多的節約項目空調冷源能耗。

表8 機組經濟對比分析表

3 結語

通過位于浙江省南部某市新建超高層五星級酒店磁懸浮離心式冷水機組的應用情況來看,磁懸浮離心式冷水機組具有較為突出的高效節能效果,為酒店用電帶來了巨大的節能成本,不僅降低了酒店的運營成本、提高了營業利潤,還可以促使酒店行業向節能減排縱深發展,為雙碳目標的達成做出貢獻。磁懸浮離心式冷水機組可以在更多的酒店項目中推廣使用。