上海某超高層綜合體冷源系統設計

胡 逸（科進柏誠工程技術（北京）有限公司上海分公司，上海 200052）

1 工程概況

本項目位于上海市，包含一棟 100 m 內的辦公塔樓，一棟 250 m 內的辦公塔樓，及地上三層裙房商業，四層地庫，其中 B 1、B 2 為商業，總建筑面積約為 35 萬 m3。

2 室內外設計參數

本項目采用的室外設計參數參考 GB 50736—2012《民用建筑供暖通風及空氣調節設計規范》中相關數據，見表1；室內空調設計參數詳見表 2。

表1 室外設計參數

表2 室內空調設計參數

3 冷源系統設計

本項目主要功能為辦公及商業，兩者統一管理運營。考慮到商業與辦公冷熱負荷曲線峰谷值出現時間不同，中央冷源可以起到錯峰作用，減少冷水機組的裝機容量，以及提高運行效率，在項目初期與客戶溝通后確認本項目設置中央冷熱源系統。

3.1 冷源系統選擇

以下從系統的可靠性、實用性及可持續性等不同維度，對不同的冷源系統方案進行了分析和比較，對比見表 3。

表3 不同冷源形式的優劣對比

冰蓄冷系統能夠移峰填谷，減少高峰時刻對電網的沖擊，但系統運行操作復雜，且冰蓄冷系統初投資較大，雖然上海現峰谷電價比為 1∶4.2，運行費用相對節省，但受政策影響，峰谷電價存在不穩定性，經濟效益不明顯。另外，本項目地處中心地段，冰蓄冷系統占用較大的機房面積，影響可租賃面積。故綜合考慮，本項目不采用冰蓄冷系統。地源熱泵系統雖然可以提供較高的熱源熱水效率，減少全年運行能耗，但需較大面積實施地埋管，本項目受用地面積限制，僅能在地庫大底板下方設置地埋管，地埋管施工需與大底板施工相配合，施工工期加長，且埋管費用較大，經濟性較差。 故綜合考慮，本項目不采用地源熱泵系統。因本項目沒有全年熱源需求，溴化鋰吸收式制冷系統不適用。最終選擇了較為常規的方案一：常規冷水機組＋冷卻塔。

3.2 負荷估算

通過軟件模擬本項目的冷熱負荷，峰值冷負荷為 9 183 RT，其中夜間最小冷負荷為 336 RT，廚房預冷負荷為 558 RT。峰值熱負荷為 17 348 kW，廚房預熱負荷為 898 kW。冷熱負荷計算結果見表 4，冷負荷曲線見圖 1。

表4 冷熱負荷估算

3.2 冷源配置分析

如表 5 所示根據負荷模擬結果，本項目冷源系統裝機容量為 9 200 RT，經過對市場上主流冷水機組廠家產品調研，對冷水機組的不同配置進行了分析及對比。

表5 冷源配置對比

經上述對比分析可以看出，方案四在初投資及運行費用上都是最優配置，雖然機組數量較其他方案一、二、五要多，但是提供更高的備用性，對機房面積影響可控，故最終選擇了方案四。

中央制冷機房設置于地下四層，共設置上述“方案 4”所確定的 4 臺 2 100 RT(高壓)離心式制冷機，及 2 臺 400 RT螺桿式制冷機。當大冷機故障/維修時，仍能負擔 78% 最大冷負荷，小冷機最小 60 RT 負荷可以開機，提高系統負荷調節的靈活性。冷凝器承壓為 1.0 MPa，蒸發器承壓為1.6 MPa。冷凍水供回水溫度為 6°～12°。與系統配套的冷卻塔設置在裙房屋面，與冷水機組一一對應，冷卻塔水供/回水溫度為 32/37℃。冷源系統配置 1 臺1 400 kW 板式熱交換器作為過渡季節免費供冷系統使用。

分我 冷凍水流量 水泵揚程商業 45% 20 T1辦公 39% 22 T2辦公 16% 19

4 空調水系統設計

4.1 一次泵變流量系統

本項目水系統分別分布在商業、T1 辦公塔樓及 T2 辦公塔樓，經計算各分我系統揚程差在 3 m 以內，若采用二次泵變流量系統，水泵能耗較一次泵變流量系統增加了 13%。各分我設計工況下冷凍水流量及揚程如表 6 所示。從減少初投資、節省建筑面積以及減少運行費用等因素綜合考慮，采用變流量一級泵系統，水泵與冷機一一對應。

4.1.1 水泵變頻的控制

一次泵變流量系統中，水泵按最不利環路末端壓差控制水泵流量，在不改變供回水溫差的前提下，滿足空調末端的冷量需求。冷凍水于各分我設多組供回水壓差傳感器，以平均或最大、最小、中間壓差數值計算流量需求，控制水泵轉速。到達水泵最小流量時，分集水器末端總壓差值控制旁通模擬電動調節閥開度，以保證水泵最小流量，見圖 2。冷凍水泵轉速由末端最不利環路壓差決定，與其他系統組件無連鎖關系。分別于冷凍水供回水主管上設置溫度傳感器，并于回水主管上設置流量傳感器，用來評估瞬時的冷凍水供回水溫度及總流量。

圖2 一次泵變流量系統示意圖

4.1.2 冷水機組選型

冷水機組的流量變化范圍和允許變化率是一次泵變流量系統中選取冷水機組的兩大指標。本項目選擇允許水流量變化范圍大、適應冷水流量變化率大、具有減少出水溫度波動的控制功能的冷水機組。

（1）機組允許的流量變化范圍。機組允許的流量變化范圍影響著冷源群控中關于冷水機組加減機的控制策略。冷水機組的最大流量由蒸發器最大許可的水壓降和水流對蒸發器管束的侵蝕因素決定。而冷水機組的最小流量會影響到蒸發器的換熱效果和運行安全性等。經與主流冷水機組廠家溝通，螺桿式冷水機組的最小流量一般在 30～50%，離心式冷水機組的最小流量可達 10～20%， 本項目中也是按此數據進行設計。

（2）機組允許的流量變化率。冷水機組蒸發器水流量變化必然引起冷水機組的出水溫度波動, 出水溫度的波動隨著機組允許的流量變化的加大而減小，選擇流量變化率較大的冷水機組有利于系統的穩定運行，避免蒸發器發生結冰。本項目中機組允許的流量變化率建議為每分鐘30%～50%，這樣可以使冷水機組在啟停過程中單位時間所承受的流量變化相對較小。

4.1.3 冷水機組及冷凍水泵運行策略

為避免大小冷機因蒸發器水壓降不同產生搶水情況，大小冷機僅在滿負荷情況下才一起運行。

冷負荷小于 800 RT 的情況下,運行策略為采用 400 RT的小機組運行, 水泵與冷機一一對應。

冷負荷在 800～8 400 RT 之間的情況下(占系統大部分工況), 運行策略為采用 2 100 RT 的大冷機運行, 冷機和水泵的臺數不必一一對應。

冷負荷大于 8 400 RT 的情況下, 大小冷機需同時運行,但因小冷機水壓降較高, 再加上水泵變頻引起揚程降低, 小機組流通水量會不足, 有當機風險; 同時因為大小冷機冷凍水分配失衡, 出現大流量小溫差的情況, 不單冷機效能降低, 而且導致負荷側流量高于設計值, 以及加減機控制失調等問題。為盡量較低失調風險，建議大小水泵回路分開, 小水泵必須保證小冷機最小流量，大水泵可繼續變頻，此控制較復雜,需在群控設計時與廠家深入配合。

4.2 空調水系統壓力分區

空調水系統中不同設備、管路及部件的工作壓力應小于或等于其額定工作壓力。在超高層項目中，空調水系統的壓力分我更是設計中的關鍵問題。空調水系統中的各種設備或部件有著不同的承壓等級，一般來說，冷水機組的蒸發器側的工作壓力為 1.0 MPa、 2.0 MPa、2.5 MPa 3 檔，2.5 MPa 承壓能力的冷水機組價格較高，在一般項目中使用較少；板式換熱器及水泵的承壓能力按項目要求選取，可達 2.5 MPa；一些末端設備，例如空調箱和風機盤管，為控制成本及避免錯誤安裝，其工作壓力一般不超過 1.6 MPa。

對于超高層建筑來說，一般采用板式換熱器來進行壓力分我。本項目中，冷凍機房設置在 B4 層，減少震動、噪音對相鄰樓層的影響，且可以不占用計容面積，于避難層及地庫機房內設置板式換熱器來進行壓力分我。由系統初投資、運行能效、末端空調效果等因素來決定分我數量。合理的分我數量，可以減少避難層的機房面積，優化供水溫度，保證系統能效，降低對末端設備的承壓要求。

綜合考慮了各項因素，本項目在設計時明確了以下分我原則。

（1）商業末端承壓控制在 1.0 MPa，避免租戶裝修時風機盤管選用不當引起損壞；

（2）冷水機組主流廠家承壓一般為 1.0 MPa 及 2.0 MPa，部分廠家無 1.6 MPa 機組, 本項目選用 2.0 MPa

（3）L10 層 T 1 辦公高我板換/水泵/閥門選用 2.5 MPa

（4）L10 層 T 1 辦公中我板換/水泵/閥門選用 1.6 MPa

（5）B 4 層 T 2 辦公層板換/水泵/閥門選用 1.6 MPa

（6）辦公末端承壓可控制在 1.6 MPa

為確保商業末端承壓控制在 1.0 MPa，于地庫設置 T2 塔樓冷熱水板式換熱器，其工作壓力為 1.6 MPa，于 T1 塔樓 10/F 設置 T1 中我冷熱水板式換熱器，其工作壓力為 1.6 MPa，及T1 高我冷熱水板式換熱器，其工作壓力為 2.0 MPa，T2 塔樓及 T1 塔樓中、高我二次側冷凍水供回水溫度為 7°/13° ，采暖水供回水溫度為 58 ℃/43 ℃。

5 結 語

合理的空調冷熱源系統設計是綜合體項目中的一大重難點，每個項目的冷熱源都需要經過多維度的分析進行對比最終確定。本項目的空調冷源設計總結為以下幾點內容。

（1）本項目設置中央冷熱源系統，冷源采用 4 臺離心式高壓冷水機組及 2 臺螺桿式冷水機組，當一臺離心機組故障/維修時，整套系統仍能負擔 78% 最大冷負荷，設置 2 臺螺桿式機組最小 60 RT 負荷可以開機，保證低負荷運行需要。

（2）采用一次泵變流量系統，水泵與冷機一一對應，運行策略需考慮避免大小冷機因阻力不同產生搶水問題，建議可以僅在滿負荷時同時運行大小冷機。

（3）空調水系統在 10/F 及 B 1 對不同我域進行斷壓，僅設置一次斷壓，保證末端設備承壓不超過 1.6 MPa 的前提條件下，減少輸送能耗和熱力損失。