中山某廠房中央空調(diào)系統(tǒng)水蓄冷節(jié)能改造設(shè)計(jì)技術(shù)分析

黃子詠

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510620）

1 工程概況

本工程位于中山市，用地面積為70663.1m2，總建筑面積為163898.3m2，改造前現(xiàn)存在供冷需求的廠房有1~8#共8 棟廠房，每棟廠房均有一個(gè)及以上機(jī)房，位置分別位于6 樓和樓頂。制冷系統(tǒng)合計(jì)總裝機(jī)容量為5909冷噸（refrigeration ton,RT）。制冷站呈現(xiàn)小、多、分散的特點(diǎn)，缺乏群控和能源管理系統(tǒng)，車間存在供冷不足的情況。為提升系統(tǒng)整體效率并提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，將增加投資對(duì)舊冷站系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，新建一個(gè)臨時(shí)建筑作為集中冷站+水蓄冷為原有系統(tǒng)進(jìn)行供冷，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)推測(cè)，推算本項(xiàng)目尖峰冷負(fù)荷約為2406RT。

2 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

室外氣象設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 室外氣象設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3 空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算

通過對(duì)本項(xiàng)目一年的負(fù)荷使用情況統(tǒng)計(jì)，本項(xiàng)目尖峰冷負(fù)荷約為2406RT。

4 原有空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

（1）制冷站呈現(xiàn)小、多、分散的特點(diǎn)各棟廠房擁有獨(dú)立冷站，冷站數(shù)量為2 個(gè)及以上，因此廠區(qū)內(nèi)冷站多達(dá)十多個(gè)，對(duì)于日常管理、檢修帶來困難。同時(shí)，冷站內(nèi)多為較小的制冷主機(jī)，制冷量在200RT 左右，較大主機(jī)沒有能效優(yōu)勢(shì)。

（2）原有主機(jī)能效不高，小的制冷主機(jī)本身能效沒有優(yōu)勢(shì)，制冷系數(shù)（coefficient of performance, COP）多為4.2~4.8。另一方面，由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較久，能效下降嚴(yán)重，COP 僅為3.6~3.8。

（3）缺乏群控系統(tǒng)，機(jī)房未設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開關(guān)啟停由人工運(yùn)行，無法根據(jù)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)備開啟臺(tái)數(shù)及配置最優(yōu)的設(shè)備運(yùn)行方案。機(jī)房水泵、水塔長(zhǎng)期定頻運(yùn)行，無法及時(shí)根據(jù)負(fù)荷減少運(yùn)行功率，造成了較大的能源浪費(fèi)。

（4）缺乏能源管理，在廠內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)如此分散、復(fù)雜的情況下，沒有統(tǒng)一的能源系統(tǒng)進(jìn)行管理，導(dǎo)致系統(tǒng)故障未能及時(shí)處理，同時(shí)增加運(yùn)維負(fù)擔(dān)，人工管理成本高。

5 解決方案

（1）新增高效空調(diào)系統(tǒng)，夜間蓄冷8h，在100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷下可轉(zhuǎn)移7h 的高峰負(fù)荷和1.5h 的平段負(fù)荷（供應(yīng)區(qū)域?yàn)?~8 號(hào)樓），節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

（2）夜間谷段冷負(fù)荷由原系統(tǒng)主機(jī)承擔(dān)，新增主機(jī)夜間用于蓄冷。白天平段和峰段負(fù)荷由蓄冷系統(tǒng)和新增主機(jī)承擔(dān)，由于各樓棟距離差距較大，水泵選用一次+二次泵配置（替換原有冷凍水泵）。

（3）新增機(jī)房計(jì)劃新增一套智慧自動(dòng)控制系統(tǒng)，且原有1~8 號(hào)樓計(jì)劃增加遠(yuǎn)程啟停模塊，并接入蓄冷自動(dòng)控制系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)對(duì)冷站機(jī)房設(shè)備的節(jié)能控制和運(yùn)行管理。為了便于空調(diào)冷站機(jī)房的統(tǒng)一管理，將空調(diào)冷站機(jī)房納入能效管理平臺(tái)（中央空調(diào)節(jié)能智能控制系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的統(tǒng)一監(jiān)控、管理、能效分析。

（4）空調(diào)主機(jī)、空調(diào)水泵、冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)、通過接收中央空調(diào)節(jié)能控制中心的命令，實(shí)現(xiàn)水泵的智能變頻運(yùn)行或單臺(tái)增減的匹配運(yùn)行，對(duì)整體負(fù)荷變化或者某一負(fù)荷變化，節(jié)能控制系統(tǒng)都會(huì)對(duì)整體運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，和對(duì)某一負(fù)荷輸出進(jìn)行優(yōu)化，包括主機(jī)負(fù)荷的調(diào)整和設(shè)備的調(diào)整，以及對(duì)應(yīng)閥門等設(shè)備的切換。

6 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造

（1）新建高效水蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)，并將空調(diào)水管接入原有系統(tǒng)主管，利用閥門進(jìn)行與原有系統(tǒng)的切換，當(dāng)夜間新建系統(tǒng)全部用于蓄冷時(shí)，利用原有空調(diào)系統(tǒng)作為冷源。

（2）新建空調(diào)系統(tǒng)由3 臺(tái)900RT 的水冷離心式冷水機(jī)組、4 臺(tái)流量為400m3/h 的離心式冷凍水泵（3 用1備）、4 臺(tái)流量為735m3/h 離心式冷卻水泵（3 用1 備）以及6 臺(tái)低噪聲方型橫流式冷卻塔組成。其中制冷主機(jī)蓄冷工況時(shí)，提供供/回水溫度為：4℃/14℃的冷凍水；制冷主機(jī)基載工況時(shí)，提供供/回水溫度為：6℃/14℃的冷凍水。為提高系統(tǒng)能效，冷卻塔的逼近度為3℃，冷卻塔提供供/回水溫度為：31℃/36℃的冷卻水。

（3）冷凍水泵、冷卻水泵均采用變頻控制、可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，通過變頻技術(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，降低水泵的輸送能耗。冷凍水泵和冷卻水泵與制冷主機(jī)采用1 對(duì)1 的連接方式，并且將直接彎頭改為斜角彎頭，盡量減少彎頭數(shù)量等措施，有效的減少了管路的壓力損失，降低了水泵的耗電量，從而增加了系統(tǒng)的能效。

（4）冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制，根據(jù)室外空氣濕球溫度與冷卻水出水溫度的差值調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以讓冷卻水的出水溫度始終穩(wěn)定在合理的最低值，從而降低冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗[1]。

（5）新建空調(diào)系統(tǒng)通過新增的智慧自動(dòng)控制系統(tǒng)，并且將原有系統(tǒng)增加的啟停模塊接入自動(dòng)控制系統(tǒng)中，能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一的管理，減少人工需要到每個(gè)廠房的機(jī)房進(jìn)行設(shè)備的手動(dòng)啟停所需要的時(shí)間，從而節(jié)約人工成本，并可記錄系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)，便于為后續(xù)的能效分析，優(yōu)化系統(tǒng)。

對(duì)于大規(guī)模的建筑群，空調(diào)系統(tǒng)能耗會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)呈現(xiàn)顯著的峰谷負(fù)荷差，進(jìn)而導(dǎo)致所匹配的電力系統(tǒng)裝機(jī)容量增大[2]。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)通過蓄能介質(zhì)的顯熱或相變潛熱，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段儲(chǔ)能與分時(shí)段釋能[3]。通過上述的措施，中央空調(diào)冷源系統(tǒng)采用高效機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建設(shè)，水冷中央空調(diào)系統(tǒng)在蓄冷供回水溫度4℃/14℃，冷卻水供回水溫度31℃/36℃（5℃溫差）及滿足末端正常使用的前提下，需要實(shí)現(xiàn)新建冷站系統(tǒng)制冷機(jī)房系統(tǒng)的基載工況年綜合平均運(yùn)行能效EER≥4.8，蓄冷工況年綜合平均運(yùn)行能效EER≥4.4，年綜合平均運(yùn)行能效達(dá)到《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ/T 15-129—2017）[4]中的二級(jí)能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

7 典型工況下的系統(tǒng)運(yùn)行策略

7.1 項(xiàng)目運(yùn)行策略

水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略與系統(tǒng)的運(yùn)行能效息息相關(guān)[5]，以下就針對(duì)本項(xiàng)目的情況，作出如下運(yùn)行策略。

（1）當(dāng)由蓄冷水罐單獨(dú)供冷時(shí)，由一次泵將水罐內(nèi)4℃的冷凍水輸送至原冷站冷凍泵（即原冷凍泵作為二次泵）的前端，然后將各冷站的14℃回水與4℃的供水通過調(diào)節(jié)閥混合成9℃供水，通過設(shè)定回水溫度來調(diào)節(jié)閥門開度，以保證回水溫度的穩(wěn)定；再由各冷站的冷凍泵輸送至末端。

（2）當(dāng)由新增制冷主機(jī)單獨(dú)供冷時(shí)，由一次泵將制冷主機(jī)6℃的冷凍水輸送至各冷站的二次泵的前端，然后將各冷站的14℃回水與4℃的供水通過調(diào)節(jié)閥混合成9℃供水，通過設(shè)定回水溫度來調(diào)節(jié)閥門開度，以保證回水溫度的穩(wěn)定；再由各冷站的冷凍泵輸送至末端。

（3）本系統(tǒng)在各設(shè)計(jì)負(fù)荷日（100%、75%、60%、40%）主機(jī)的運(yùn)行策略如表2 所示。在夜間谷段（0：00—8：00）蓄冷主機(jī)蓄冷，基載系統(tǒng)同時(shí)需滿足夜間用冷需求。在白天峰段采用蓄冷放冷的運(yùn)行模式，在白天平段采用基載主機(jī)直供及蓄冷放冷的運(yùn)行模式。

表2 不同負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行策略

7.2 不同負(fù)荷狀態(tài)下的系統(tǒng)運(yùn)行策略

7.2.1 40%設(shè)計(jì)日（1 月、2 月、11 月、12 月）負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

此負(fù)荷下采用3 臺(tái)900RT 主機(jī)晚上蓄冷5.4h，白天可以移除空調(diào)系統(tǒng)7h 的峰段負(fù)荷和9h 的平段負(fù)荷，使運(yùn)行費(fèi)用降低。40%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略如圖1 所示。

圖1 40%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

7.2.2 60%設(shè)計(jì)日（3 月、10 月）負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

此負(fù)荷下采用3 臺(tái)900RT 主機(jī)晚上蓄冷8h，白天可以移除空調(diào)系統(tǒng)7h 的峰段負(fù)荷和8.68h 的平段負(fù)荷，剩余的平段負(fù)荷由主機(jī)直接供冷，使運(yùn)行費(fèi)用降低。60%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略如圖2 所示。

圖2 60%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

7.2.3 75%設(shè)計(jì)日（4 月、5 月、9 月）負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

此負(fù)荷下采用3 臺(tái)900RT 主機(jī)晚上蓄冷8h，白天可以移除空調(diào)系統(tǒng)7h 的峰段負(fù)荷和5.36h 的平段負(fù)荷，剩余的平段負(fù)荷由主機(jī)直接供冷，使運(yùn)行費(fèi)用降低。75%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略如圖3 所示。

圖3 75%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

7.2.4 100%設(shè)計(jì)日（6 月、7 月、8 月）負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

此負(fù)荷下采用3 臺(tái)900RT 主機(jī)晚上蓄冷8h，白天可以移除空調(diào)系統(tǒng)7h 的峰段負(fù)荷和2.36h 的平段負(fù)荷，剩余的平段負(fù)荷由主機(jī)直接供冷，使運(yùn)行費(fèi)用降低。100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略如圖4 所示。

圖4 100%設(shè)計(jì)日負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行策略

8 結(jié)語

目前大部分老舊廠房的空調(diào)主機(jī)能效有因?yàn)槭褂脮r(shí)間過長(zhǎng)，已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的能效衰減，導(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用偏高，且使用效果達(dá)不到原有設(shè)計(jì)要求，且多數(shù)廠房需24h 不斷供冷，使問題更加突出，故進(jìn)行升級(jí)改造迫在眉睫。但是工業(yè)建筑存在占地面積大、可改造靈活性高等優(yōu)勢(shì)，空調(diào)系統(tǒng)改造為水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)比民用建筑簡(jiǎn)單。并能積極響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”的國策號(hào)召，減輕企業(yè)“雙碳”指標(biāo)壓力；降低企業(yè)生產(chǎn)用能成本，提升企業(yè)經(jīng)營競(jìng)爭(zhēng)力及企業(yè)綠色、智慧形象。故工廠空調(diào)系統(tǒng)改造為水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)作為一種趨勢(shì)，希望本文可以為類似工程提供一定參考價(jià)值。