中信技術研發基地項目冷熱源及空調系統設計

張亞立 勞逸民 潘云鋼 李雯筠

(中國建筑設計研究院有限公司,北京)

1 工程概況

中信技術研發基地位于北京市順義新城第13街區,順成大街與坤安路交匯處的東南側,總占地面積56 798.9 m2,總建筑面積178 975 m2,包括生產運營樓41 000 m2(建筑功能為生產機房及配套設施),研發辦公樓137 975 m2(建筑功能為辦公、會議、宿舍等),效果圖見圖1。

圖1 中信技術研發基地項目效果圖

生產運營樓數據機房冬季產生大量余熱,完全可滿足冬季研發辦公樓供熱需求,該項目充分利用余熱作為研發辦公樓低品位熱源。研發辦公樓采用溫濕度獨立控制空調系統,將空氣顯熱與散濕量完全分開處理,并充分利用較高能效比的高溫水[1]作為空調冷源。

2 生產運營樓冷熱源及空調設計

1) 冷源設計。

生產運營樓總冷負荷為23 080 kW,空調冷熱負荷計算見表1。集中冷源為水冷冷水機組和風冷冷水機組,冷源按一用一備模式設置。其中,風冷冷水機組為雙冷源模塊的備用冷源,水冷和風冷冷源均提供供/回水溫度為12 ℃/18 ℃的冷水為機房末端精密空調機組供冷。水冷系統和風冷系統均分為南、北2個系統設置,水冷冷水機組每個系統設3臺3 868 kW(1 100 rt)的變頻離心式冷水機組,位于地下1層制冷站,為主用冷源。冷水一級泵、二級泵為變頻水泵,板式換熱器與冷水機組一一對應設置,冷卻塔并聯運行,部分負載工況下,可以獲得較低的冷卻水出水溫度,可延長自然制冷模式工作時長。風冷冷水機組每個系統設6臺1 934 kW(550 rt)帶自然冷卻的風冷螺桿式機組,位于生產運營樓屋頂,為雙冷源模塊提供備用冷源。室外設置蓄冷罐,蓄冷罐容積可滿足系統滿負荷連續運行15 min,蓄冷罐計算有效容積為1 100 m3。為保證系統在線維護管路的可靠性,管路設計為雙母管+末端環路設計。

表1 生產運營樓空調冷熱負荷 kW

冬季生產運營樓的余熱為研發辦公樓提供低品位熱源,研發辦公樓空調熱負荷為5 013 kW,設2臺板式換熱器,單臺換熱量為3 260 kW,板式換熱器一次水為機房冷水,供/回水溫度為18 ℃/12 ℃,二次水供/回水溫度為15 ℃/10 ℃。

冬季數據機房空調冷負荷僅為室內冷負荷,且研發辦公樓和數據機房已經啟動供暖,冷卻塔自然冷卻負荷有所降低,僅為部分負荷運行,其供水溫度趨近度小于設計工況。冬季剩余部分散熱量采用冷卻塔自然冷卻系統,根據冷卻塔特性曲線(流量比為70%)[2],當室外濕球溫度低于9.0 ℃、冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于17.0 ℃時,冷卻水經板式換冷器冷卻冷水回水,冷水回水經板式換冷器部分冷卻后進入冷水機組蒸發器,提供12.0 ℃的冷水。當室外濕球溫度低于6.0 ℃、冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于10.5 ℃時,可以完全由冷卻塔免費供冷提供制冷量,冷水經板式換冷器與冷卻水換熱,可提供12.0 ℃的冷水,此時冷水機組關閉。冷源系統原理圖見圖2。

圖2 冷源系統原理圖

2) 熱源設計。

生產運營樓不設熱源,機房值班室、屋面水泵房等房間熱負荷由房間內的水環熱泵機組承擔,利用供/回水溫度為12 ℃/18 ℃的冷水作為水環熱泵的低品位熱源,提供供/回水溫度為45 ℃/40 ℃的空調熱水。新風機組自帶水環熱泵模塊,同上所述,利用余熱水作為水環熱泵的低品位熱源。

3) 空調設計。

數據機房空調系統采用1 000 mm的高架空地板下送風,IT機柜按冷熱通道布置,熱通道封閉。熱排風經由熱通道頂部設置的回風口進入吊頂靜壓箱,回至精密空調機組,冷熱通道處送/回風溫度為23 ℃/36 ℃,保證數據機房在18～31 ℃溫度下穩定運行。為了保證機房正壓要求和人員新風量要求,設置新風系統,新風量按數據機房0.8 h-1的換氣次數設計,冬夏季采用室內露點溫度送風,控制室內濕度。主機房采用專用濕膜加濕器(放置在空調機房內),在冬季及過渡季進行加濕,保證室內濕度。

4) 數據機房能耗分析。

電能利用效率(PUE)=數據中心總能耗/IT設備能耗[3];數據中心總能耗=IT設備能耗+供配電系統能耗+空調系統能耗+其他能耗;PUE=1+供配電能耗因子+空調系統能耗因子+其他能耗因子。

生產運營樓IT設備滿負荷時,總裝機設備功率為18 000 kW。因為該項目采用余熱回收,舒適性空調供暖運行時間按1 200 h考慮,設計工況下PUE為1.358,其中全年空調能耗因子為0.252,供配電系統能耗因子為0.090,照明等其他能耗因子為0.016。由于在部分負荷下冷水機組制冷綜合部分負荷性能系數(IPLV)高于設計工況,冷水泵、冷卻塔風機變頻運行,實際耗功率小于額定功率,實際運行時PUE為1.260。

3 研發辦公樓冷熱源及空調系統設計

1) 冷熱源設計。

研發辦公樓總冷負荷為5 494.7 kW,其中高溫冷水負荷為2 387.9 kW,常溫冷水負荷為3 106.8 kW;總熱負荷為5 013 kW。該樓采用溫濕度獨立控制系統,由2臺1 230 kW(350 rt)水冷變頻離心式高溫冷水機組(供/回水溫度為16 ℃/21 ℃)負擔室內顯熱負荷與部分新風負荷。設置3臺水源熱泵機組(夏季運行2臺,冬季運行3臺),單臺制冷量為1 656 kW,單臺制熱量為1 730 kW,夏季負擔新風負荷、部分室內負荷與全部濕負荷,夏季供/回水溫度為7 ℃/12 ℃;冬季負擔全部空調熱負荷,供/回水溫度為50 ℃/45 ℃。熱泵機組冬季利用生產運營樓冷水回水作為低品位熱源,冷水回水經板式換熱器換熱后供/回水溫度為15 ℃/10 ℃,經熱泵機組換熱后可提供供/回水溫度為50 ℃/45 ℃的空調熱水;夏季熱泵機組供冷,提供供/回水溫度為7 ℃/12 ℃的空調冷水,熱泵機組冷凝器接冷卻塔散熱,冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃。

考慮系統初投資和運行費用的影響,水源熱泵機組在夏季采用開式冷卻塔提供冷卻水,由于水源熱泵機組在冬夏季需要轉換,開式冷卻水系統容易產生污垢,在冬夏季轉換時污垢會進入空調水系統影響運行,因此夏季供冷季結束后必須對水源熱泵機組冷凝器及冷卻水系統的管道進行徹底清洗和維護。

數據中心機柜按照市場實際需求分階段安裝,初期機柜安裝數量較少,初期階段冬季無法滿足研發辦公樓供熱需求,因此研發辦公樓設備用熱源為市政熱源,設2臺板式換熱器,單臺換熱量為3 260 kW。

冬季及過渡季采用冷卻塔免費供冷的自然制冷方式為內區空調提供冷水,根據冷卻塔特性曲線(流量比為50%)[2],常溫冷水系統側冬季由冷卻塔提供供/回水溫度為7 ℃/10 ℃的冷卻水(當室外濕球溫度為5 ℃時),通過板式換熱器與供/回水溫度為8 ℃/13 ℃的冷水進行換熱,供冬季內區使用。高溫冷水系統側冬季由冷卻塔提供供/回水溫度為15 ℃/18 ℃的冷卻水(當室外濕球溫度為13 ℃時),經板式換熱器換熱得到供/回水溫度為16 ℃/21 ℃的冷水,供冬季內區使用。室外冷卻水管及冬季使用的冷卻塔采取防凍措施,且冷卻塔風機變頻運行。

2) 空調設計。

研發辦公樓采用風機盤管加新風系統,風機盤管與新風機組冷熱水系統均為四管制,開敞式辦公區室內風機盤管系統采用高溫冷水(供/回水溫度為16 ℃/21 ℃)供冷,會議室、討論室等人員密集場所的風機盤管采用常溫冷水(供/回水溫度為7 ℃/12 ℃)供冷。新風機組采用雙盤管冷源熱回收新風機組(帶排風再熱)。

為滿足室內人員除濕要求,人均新風量應為34.4 m3/h,考慮到除濕的可靠性,附加1.1倍安全系數,人均新風量取38.0 m3/h。

為避免送風溫度低于室內空氣露點溫度引起結露,采用室內排風系統對新風送風進行再熱,保證新風出風溫度(16.4 ℃)高于室內露點溫度。雙盤管冷源溫濕度獨立控制系統熱回收新風機組(排風再熱)原理圖見圖3[4],新風側處理過程為粗效過濾器—中效過濾器—板式熱回收器—預冷高溫盤管—深冷常溫盤管—室內再熱排風熱管—高壓噴霧加濕器—送風機。排風側處理過程為粗效過濾器—室內再熱排風熱管—板式熱回收器—排風機。

1.粗效過濾器;2.中效過濾器;3.板式熱回收器;4.預冷高溫盤管;5.深冷常溫盤管;6.室內再熱排風熱管;7.高壓噴霧加濕器;8.送風機;9.排風粗效過濾器;10.排風空段;11.排風機。

4 結束語

本文論述了中信技術研發基地生產運營樓和研發辦公樓冷熱源及空調系統設計。為提高園區能源綜合利用率,研發辦公樓利用生產運營樓數據機房余熱作為空調熱源。研發辦公樓采用溫濕度獨立控制空調系統,充分利用高溫水能效比高的特點,新風系統采用雙盤管冷源。為防止新風送風結露,利用室內排風對新風送風進行再熱。生產運營樓采用風冷冷水機組和水冷冷水機組作為冷源,不單獨設熱源,房間熱負荷由水環熱泵機組承擔。數據機房空調系統采用高架空地板下送風,新風系統新風量按換氣次數為0.8 h-1設計,冬夏季采用室內露點溫度送風,控制室內濕度。生產運營樓數據機房實際運行工況下PUE為1.260。本工程于2020年投入使用,經過2年的運行,空調系統各項指標均滿足設計要求。