高效機房在區域集中供冷系統設計中的應用

徐譽瑋 周濤 王曉峰 黃立波 白蕾

摘要：區域集中供冷具有集約用地、錯峰降容、智能管控、避免重復投資等特點，但目前集中供冷的冷源機房大多數采用的是一般制冷機房的設計，從工藝設計上還有很大的節能空間。廣州某區域集中供冷冷站采用高效機房的設計理念，從管路布置、冷卻塔運行方式及泵組配置方面進行優化，提高了整個冷站的能效值，取得了較好的節能減排效果，同時也為其他集中供冷項目建設提供了借鑒。鑒于此，研究了高效機房在區域集中供冷系統設計中的應用，分析了高效機房設計的原理，針對目前技術短板提出了優化技術措施，以期最終達到高效節能的目標。

關鍵詞：集中供冷；高效機房；節能減排

中圖分類號：TB69? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0035-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.010

0? ? 引言

無論是大型商業建筑還是工業廠房，空調系統都是主要耗能設備，耗電量占建筑總能耗的50%～60%，而其中制冷系統是主要的耗電設備，約占整個空調系統耗電量的80%[1]。通過高效制冷機房的設計，提高制冷機房的系統運行能效，可有效實現碳達峰、碳中和的目標。

廣州某區域集中供冷冷站打破普通制冷機房的傳統設計，將高效機房的設計理念融入到集中供冷系統的設計中，在集約用地、錯峰降容的基礎上進一步降低能耗，實現了冷站全年綜合能效值EER≥3.55 W/W，冷站全年單位冷量電費成本≤0.15元/（kW·h）的設計目標。

1? ? 高效機房設計原則

建成一個高效、完善的區域集中供冷系統，需要從工藝設計、設備選型、參數匹配等各個環節進行嚴格的質量控制。根據GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》中對高效制冷機房的等級要求[2]，廣州某區域集中供冷冷站從以下幾方面來實現冷站的高效設計。

1.1? ? 高效設備

冷水機組是整個系統中耗電量最大的設備，選用能效比高、制冷效率高的冷水機組并合理選型使機組始終在高效率點附近運行是實現高效機房最核心的保證。

1.2? ? 運行策略

（1）改變冷卻塔的運行控制策略，使塔組根據負荷變化變流量運行，并采用變頻控制，盡可能降低塔組的運行能耗。

（2）冷水機組、冷卻塔以及水泵的運行均采用變頻控制。

1.3? ? 優化工藝設計

1.3.1? ? 降低設備阻力

設備的阻力主要來源于冷水機組的水阻力，降低水阻力對降低水泵揚泵有一定的幫助，但同時機組的造價也會隨之提高，因而需要綜合考慮節能與經濟性，盡量選用高能效等級、低水阻的設備。

1.3.2? ? 管路優化

從管道布置上采用順水三通代替正三通，減少管路彎頭以及不必要的閥件。

1.3.3? ? 泵組設計

水泵作為輸送流體設備，其輸送動力能耗占整個空高系統的20%左右，對于大型冷站而言，泵組基本全年24 h都處于運行狀態，如何降低整個系統中水泵的消耗功率，也是降低系統整體能耗的關鍵。除了降低整個系統的阻力以外，還需要在工藝設計方面盡可能減少泵組的配置。

2? ? 技術方案

廣州某區域集中供冷冷站機房以冷站全年綜合能效值EER≥3.55 W/W，冷站全年單位冷量電費成本≤0.15元/（kW·h）為設計目標，將目標層層分解到設備選型、工藝優化等各個方面。項目采用以下技術方案，將高效機房的設計理念融入到集中供冷系統的工藝設計中，以實現節能降碳的目的。

2.1? ? 高能效比的冷水機組

（1）綜合國標要求并結合冷站機房的實際情況，制冷機組的選用原則按各主流主機廠家提供的最優COP參數取平均值，要求蒸發器和冷凝器的水阻力控制在50 kPa以下，蒸發器、冷凝器可變流量范圍在30%～100%[3]。根據冷站的整體設計要求，要求制冷主機的蒸發器在設計工況下的水壓降不高于50 kPa，市場上某知名品牌的制冷主機通過選型，其蒸發器在設計工況下的水壓降超過設計值約87 kPa，達到140 kPa。水泵的揚程也相應增加了8.7 m，由原來的24 m增加至32.7 m。水泵的軸功率計算公式如下：

P=（QH/367）/η

1）當水泵的流量Q為1 250 m3/h，效率η為85%，揚程H為24 m時，水泵的軸功率為96 kW；

2）當水泵的流量Q為1 250 m3/h，效率η為85%，揚程H為32.7 m時，水泵的軸功率為131 kW。

根據水泵軸功率選型，在揚程由24 m增加至32.7 m時，電機功率需要增加一個等級，功率增加了約50 kW[4]，可見制冷主機的兩器水壓降對水泵選型的影響是至關重要的。

（2）在實際運行時保持機組在“高效區間”范圍內運行，盡量避免在非高效區間內運行[5]。如圖1、圖2所示，當主機負荷率低于80%時，COP值有下降的趨勢。因此，在制冷主機容量選型配置時，應該充分考慮負荷的變化，保證主機盡可能在高效區間運行。

2.2? ? 冷卻塔變流量運行

按照傳統設計，制冷主機和冷卻塔的運行臺數一一對應控制，當一臺冷卻塔達到滿負荷時，再開啟第二臺塔，如圖3所示，通常單臺冷卻塔在80%～100%的高負荷范圍內運行。

冷卻塔風機能耗占制冷機房系統能耗比例不高，但對系統能效影響較大，主機冷凝水回水溫度降低2 ℃，主機能效可提升6%左右，可通過適當加大冷卻塔散熱面積、減小冷幅，來提升系統能效。

廣州某集中供冷冷站采用變流量冷卻水系統，根據每臺冷卻塔可運行的最小負荷來設定冷卻塔的開啟數量。例如：當冷卻塔最低可在30%的流量范圍實現均勻布水時，可同時開啟3臺冷卻塔，將600RT制冷主機的冷凝水均勻分布在3臺冷卻塔上進行冷卻，換熱面積增加到300%，換熱風量增加到180%，使得相同容量的冷凝水能夠充分利用最大填料換熱面積，有效降低主機冷凝溫度，達到提升主機能效的目的，如圖4所示。同時，冷卻塔在低負荷運行時，風機低速運轉，運行噪聲明顯降低，總電量也同時下降，達到用最小的風機能耗為制冷主機提供最佳回水溫度的目的。

2.3? ? 冷凍水泵系統的優化設計

常規集中供冷項目考慮到冷凍水管網的輸送阻力，一般采用二次泵系統[6]，如圖5所示。廣州某集中供冷冷站的集中供冷室外管網摒棄了二次泵系統的設計，在按最不利用戶管路阻力水力平衡計算的前提下，采用一次泵系統的設計，如圖6所示。

與二次泵方案相比，一次泵的總揚程減少5～7 m，水泵總軸功率減少12%～20%，降低了輸送能耗（水泵本身及進出口的阻力損失），可見采用一次泵系統方案可減小系統阻力損失，有效降低系統能耗，有助于實現高效機房設計理念，同時減少二次泵組后，也相應減少了機房噪聲源，降低了機房噪聲。

2.4? ? 優化整體工藝布置

通過BIM設計對站內主要設備的擺放位置及機房內管道走向進行優化排布，通過合理布置管路，使空間布局更加合理，設備檢修更加方便，管路水流更加通暢，降低水系統輸送能耗。

在盡量減少管路彎頭以及不必要的閥件的前提下，用順水三通代替正三通，鈍角彎頭代替直角彎頭，來降低整個系統的阻力，相應的水泵揚程及配電功率均得到降低。從表1、表2可對比看出不同型式的管路以及彎頭對管道阻力的影響。

2.5? ? 水泵及冷卻塔變頻調節

水泵及冷卻塔均采用變頻調節的方式。冷卻水泵按照主機換熱負荷及流量范圍，根據冷凝器的進出水溫差進行流量調節。冷卻塔變風量控制技術通過冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度差進行變風量控制，可實現冷卻塔出水溫度隨著室外溫度的降低而降低，提供更優質的冷卻水給主機，實現主機節能。

3? ? 結語

區域集中供冷因其較低的建設投資和運營管理費用、較高的能源利用效率和空調系統安全性，在大型CBD區域的應用越來越廣泛。廣州某集中供冷冷站將高效機房的理念融入到機房的設計中，通過選用高能效設備，控制設備以及管道的阻力損失，改變冷卻塔的運行控制策略以及優化水泵泵組的配置等技術方案，助力集中供冷的制冷機房能耗水平達到國際綠色節能綜合能效比的要求，最終實現全年綜合能效值EER≥3.55 W/W，冷站全年單位冷量電費成本≤0.15元/（kW·h）的高效節能目標。

[參考文獻]

[1] 公共建筑節能設計標準：GB 50189—2015[S].

[2] 毛華雄.高效制冷機房技術現狀與分析[J].制冷與空調，2022，22（11）：10-14.

[3] 譚海陽，屈國倫，何恒釗，等.基于高效制冷機房系統能效分級評價的冷源系統模型構建[J].暖通空調，2021，51（11）：33-38.

[4] 冷水機組能效限定值及能效等級：GB 19577—2015[S].

[5] 吳峰，李華新，陳金虎.高效制冷系統建設與工程實踐[J].暖通空調，2022，52（S1）：129-132.

[6] 劉冰韻，陳國愷，王穎.高效制冷機房優化設計方法及計算分析工具研究[J].暖通空調，2022，52（11）：85-91.

收稿日期：2023-02-03

作者簡介：徐譽瑋（1977—），男，廣東龍川人，高級工程師，研究方向：區域集中供冷站的高效機房設計應用。

通信作者：王曉峰（1980—），男，廣東揭陽人，工程師，研究方向：清潔能源運維技術和綜合能源智慧控制系統技術。