高效冷水機房技術在某既有建筑改造中的運用

文／褚慶翔 上海建工一建集團有限公司 上海 200437

1、項目概況

本項目位于上海市浦東新區，建筑面積5 萬平方米，其中1層大堂，2～3層裙房為餐飲，4～27層塔樓為辦公。冷水機房已使用25年，設備老化嚴重，能效低下，急需翻新改造。業主希望通過本次節能改造打造高效冷水機房，其年綜合能效不低于0.7KW/RT。

原有冷水機房主要設備配置如下（見表1）：

表1 冷水機房主要設備配置表

經能耗模擬，原系統運行能效為1.18 KW/RT。

2、面臨的挑戰

這樣的老舊建筑高效機房改造除新建高效機房能效方面挑戰以外，還有一些特殊情況。以本項目為例面臨的挑戰主要是：

A.大樓為25年前建造，在使用期間還經歷過多次小改造，能查閱到的圖紙與現場情況偏離很大，而且水泵等關鍵設備銘牌缺失。冷量、揚程等關鍵數據如何確認？

B.本次改造要求全年綜合能效不低于0.7KW/RT。但改造范圍僅包含冷水機房，末端設備暫不改造。最新冷凍機房節能技術與老舊末端設備的適應能力如何權衡取舍？

C.本次改造要求全年綜合能效不低于0.7KW/RT，機房總量有2000RT。但總預算十分有限，既要節省初投資，又要達成高效性能，如何平衡？

3、解決方案

以上挑戰貫穿整個改造過程，重點在冷量與主機配置確認、冷凍供回水溫度確認、冷卻水供回水溫度確認、水泵揚程確認四個方面。下面分別加以闡述。

3.1 冷量與主機配置確認

舊機房現場配置有4 臺500RT 水冷離心機組，但物業人員反映2021年最熱季僅開啟2 臺，配置冷量與使用冷量存在巨大差異。最大2000RT 與最小1000RT 的改造成本相差接近300 萬元。而配置冷量不足將直接影響空調效果，作為正在運營的大樓是不可接受的。

匯總多方調研、計算情況得出（見表2）：

表2 調研、計算情況表

其中第5 項是按圖紙測算空調面積，考慮不同業態的負荷指標估算得出。

再根據冷凍、冷卻水泵流量與冷凍、冷卻水主管管徑分析可得（表3）：

表3 主管流速分析表

當開啟4 臺水泵時主管流速明顯超過經濟流速，而且對應4 臺主機只配置了4 臺泵，沒有備泵。因此可以推斷，當前安裝的4 臺主機是三用一備。檔案圖上顯示的3 臺650RT 主機，可能是兩用一備。

又調研得到當前部分餐飲區域在以前的改造中自行增加VRV 系統約450KW（128RT），這部分區域目前不采用主系統供冷。

綜合上述情況，決定大樓總冷負荷按1100RT 確定。再考慮如下因素：

A.一般舒適性空調：不設備機；

B.全年綜合能效：不低于0.7KW/RT；

C.機房空間：最多可安裝4 臺主機；

D.吊裝通道：整機吊裝最大200RT；分體拼裝最大600RT；

E.利用原配電系統，降低成本：當前冷凍機配電功率390KW，新機COP 取6.0，新機最大允許冷量665RT；

F.工期：僅4月1日～4月30日的過渡季節為大規模施工窗口，工期非常緊張；

G.其他：新換主機壽命25年，而大樓還有40年以上壽命。這期間大樓使用功能如發生較大調整，冷負荷發生較大變化，要能妥善應對。

考慮最優性價比，主機配置方案確定如下：

A.更換500RT 高效變頻水冷離心機組2 臺，在1000RT 范圍內保證高效運行；

B.對選用的主機做550RT 冷量校核，保證極端情況下可以供應1100RT 冷量；

C.新主機安裝在原2、3 號主機位置。如大樓使用功能今后發生較大功能調整，負荷增加較多，可以在拆除的1 號主機位置方便的再增加一臺新主機；

D.保留4 號舊主機，以備不可控因素導致新主機不能在制冷季前投產。

3.2 冷凍供回水溫度確認

原系統冷凍供回水溫度為7 ～12℃（5 度溫差），但實際運行記錄顯示運行溫差在2 ～4℃。冷凍水系統存在明顯的小溫差綜合癥，浪費能源。按常規高效機房設計原則，應加大冷凍供回水溫差，并采用一次泵變流量系統。

由于本次末端設備不改造，如盲目加大供回水溫差且采用水泵變頻，不僅不能解決小溫差綜合癥，反而會導致嚴重的水力失調，影響空調效果。所以本項目不具備冷凍水大溫差實施條件。

因此確定如下冷凍供回水溫度設定與水泵改造方案：

A.考慮當前末端實際換熱能力，冷凍水供回水溫度設定為7 ～11℃；

B.考慮日后末端改造后換熱能力提升，對冷凍機做7 ～12℃的校核驗證；

C.水泵流量按冷凍水供回水溫差4℃確定為400m/h，保證改造后主機流量需求；

D.考慮到將來末端改造后可加大溫差，進一步節省運行能耗。水泵配置變頻器，以對應將來的工況調整；

E.與空調箱使用單位溝通加裝電動溫控調節閥事宜。如可以加裝，水泵做變流量控制；

F.如目前空調箱不能加裝電動溫控調節閥，則水泵定流量運行。通過冷凍機通訊接口做變出水溫度控制。

3.3 冷卻供回水溫度確認

原系統冷卻供回水溫度為30 ～35℃（5 度溫差），但實際運行記錄顯示最熱季供回水溫度為33 ～37℃，4℃溫差。冷卻水系統同樣存在小溫差綜合癥，且冷凍機回水溫度偏高，嚴重浪費能源。另外原系統30℃的冷卻塔出水溫度，在上海地區氣象條件下基本是不可能實現的。

現場冷卻水泵定頻運行，銘牌缺失。檔案圖上冷凍機為650RT，其對應的水泵參數不能采信。經現場采用便攜式超聲波流量計測得冷卻水泵流量500m/h 左右，對應500RT 主機其溫差為4.5℃左右，符合運行記錄。三臺冷卻塔的銘牌顯示單塔額定流量為700m/h，對應4臺冷卻水泵，可以推算冷卻水泵的額定流量為525m/h，與前述測量值基本一致。

通過冷卻塔現場調研可得冷卻塔填料破損、坍塌嚴重，塔體框架銹蝕嚴重，與出水溫度偏高的情況相一致。

冷卻塔更換在本次改造范圍內，因此冷卻水側可以采用大溫差方案。冷卻能力需求計算如下：

采用CTI 認證塔型，冷卻能力余量取10%，按主機COP=6.0 計算冷卻能力需求為

1100RT＊3.516＊（1+1/6）＊110%=4963KW，取整按5000KW 考慮；

再考慮如下限制性因素：

A.原有冷卻塔基礎與屋面結構：冷卻塔占地面積不能超過6m＊15m；

B.既有結構框架高度：冷卻塔高度不能超過5m；

C.上海地區空調計算濕球溫度：28.2℃，考慮安全系數提高到28.5℃做冷卻塔選型；

D.噪音：現有冷卻塔基礎位置靠近居民小區，其整體噪音不宜超過70dBA。否則要考慮額外的消聲降噪措施；

得冷卻塔最低趨近溫度2.5℃，最大冷幅7℃。因此冷卻供回水溫度設定為31-38℃。冷卻水泵流量按此溫差確定為280 m/h。

3.4 水泵揚程確認

通過現場走訪，得知系統運行時老水泵前后閥門一直都是全開狀態。也就是說老水泵揚程是比較符合系統需求的。但由于水泵銘牌缺失，無法通過現場調研得到老水泵的揚程。而且新系統水溫差發生了變化，也不能直接套用老水泵揚程。以冷卻水泵為例，確認新水泵揚程方法如下：

A.雖然檔案圖主機為650RT，與現場不符，但其水泵揚程選擇還是具有參考意義的。檔案圖顯示老冷卻水泵揚程為38m；

B.現場開啟3 臺老冷卻水泵，通過泵前后壓力表可得其揚程為40m，與檔案圖基本一致；

C.3 臺老冷卻水泵的合計流量為1500m/h，而更換后的2 臺新冷卻水泵的合計流量為560m/h.根據相似原理估算新水泵揚程如下（見表4）：

表4 新水泵揚程估算表

D.根據現場勘查繪制管路圖，逐段計算如下（見表5）：

表5 管段逐段計算結果表

綜合以上數據，確定冷卻水泵揚程按12 mHO 選型。

4、改造前后對比

改造后冷水機房主要設備配置如下（見表6）：

表6 冷水機房主要設備配置表

按此方案改造后冷水機房運行能效達到0.69KW/RT,較改造前提升41.5%。而且冷水機房配電總功率由2209KW 降低到810KW，在冷水機房運行節能的同時還能有效降低契約用電負荷（MD）費用。

5、經驗總結

既有建筑高效冷水機房改造在重點關注能效以及初投資與運行費用平衡之外，由于其老舊建筑與局部改造的特點，諸如大溫差、變流量、末端溫控等技術手段的運用一定要結合項目實際情況充分論證方可采用。此外還應重點關注多種數據印證、實際冷量需求、機房空間與搬運通道限制、施工窗口期與應急對應措施等諸多既有建筑現實因素。只有這樣才能安全可靠高效并最具性價比的做好既有建筑高效冷水機房改造工作。