武漢光谷大悅城高效制冷機房設計總結與探討

印傳軍 吳兆武 魏慶芃 陳焰華

(1.中信建筑設計研究總院有限公司,武漢;2.清華大學,北京)

0 引言

在我國公共建筑中,制冷機房能耗占據了空調通風系統能耗的絕大部分,其能耗占比達到了70%左右[1]。國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部、財政部等七部委于2019年6月13日聯合印發了《綠色高效制冷行動方案》,明確要求到2030年,大型公共建筑制冷能效提升30%,制冷總體能效水平提升25%以上,綠色高效制冷產品市場占有率提高40%以上,實現年節電4 000億kW·h左右[1]。2021年10月,為實現“雙碳”目標,我國接連出臺了關于碳達峰和碳中和的相關工作意見及行動方案,明確了能源轉型發展目標。因此,制冷機房的高效設計,不僅符合我國國情和政策,也能減少對能源的消耗,還能推動相關產業高質量發展和綠色低碳轉型。

1 工程概況

武漢光谷大悅城位于武漢市光谷開發區,包含購物中心、甲級辦公樓及地下室。其中,購物中心為集零售、餐飲、電影院等功能為一體的商業綜合體,地上6層、地下3層,地下1層局部設有零售、餐飲及超市,地上和地下商業總建筑面積為136 446 m2。

武漢夏季氣候的顯著特點是高溫高濕,且供冷周期較長,因此其空調通風能耗比一般公共建筑要高。根據相關調查研究表明,目前國內90%的制冷機房全年平均能效比為2.5～3.5,如果采用一些合理可靠的技術手段將制冷機房能效從3.5提升到5.0,制冷機房的耗電量能降低30%[2]。本文主要針對該項目的購物中心高效制冷機房進行設計總結和探討。

2 設計參數及負荷計算

2.1 室外設計參數

武漢夏季空氣調節室外計算干球溫度為35.2 ℃,夏季空氣調節室外計算濕球溫度為28.4 ℃;冬季空氣調節室外計算干球溫度為-2.6 ℃,冬季最冷月室外計算相對濕度為77%。武漢市全年日干球溫度變化曲線見圖1。

圖1 全年日干球溫度變化曲線

2.2 室內設計參數

根據該項目的定位、特點及未來使用情況,明確室內設計參數,使之更加貼近實際使用情況,室內設計參數見表1。

表1 室內設計參數

2.3 負荷計算

采用DeST軟件模擬購物中心8 760 h空調負荷,在建模計算時設定不同作息時間,優化邊界條件及參數設置,使模型更加貼近實際使用情況,精確預測全年逐時空調負荷分布,結果見圖2。計算結果與原方案冷負荷估算值(23 200 kW)相比較,尖峰冷負荷降至16 151 kW,降幅達到了30%,單位空調面積冷負荷為182 W/m2,單位建筑面積冷負荷為117 W/m2。負荷率小于30%的總運行時間占全年運行時間的50%左右,因而需要考慮冷水機組搭配來提升全年平均負荷率。

圖2 全年逐時空調負荷分布

3 高效制冷機房的冷源設計

3.1 冷水機組的選型設計

考慮到該項目業態的不確定性、持續出現極端天氣的可能性及目前冷負荷指標已經相對優化,最終選取不保障小時數為0,與業主開會商討后,一致認為應考慮10%的安全余量,最終確認該項目購物中心冷水機組裝機總容量為17 585 kW。

無論冷水機組如何選擇,高效制冷機房必須配備優良的輸配系統,優良的輸配系統設計僅需要增加一定的變頻器及管道成本。該項目冷水輸配系數不低于60,冷卻水輸配系數不低于60,冷卻塔輸配系數不低于120。

基于綠色建筑2星級要求,對10種冷水機組組合方案進行了模擬計算,得出了不同冷水機組搭配方案下制冷機房全年平均設計能效比EER、冷水機組全年COP、冷水機組初投資及其全壽命周期費用,模擬結果見表2。

從表2可以得出,冷水機組全年COP越高,全壽命周期費用越低,但不同冷水機組搭配方案的全壽命周期費用差距不大,因此冷水機組搭配方案需要從制冷機房全年能效比、初投資及招投標等多角度進行綜合考慮。

從該項目的實際出發,經與業主討論確認,該項目制冷機房全年平均設計能效比目標設定為5.2 以上,并選定方案8為該項目的冷水機組搭配方案。但是在實際的招投標采購中發現,業主方要求的三大品牌有部分廠家沒有3 517 kW的磁懸浮冷水機組,最終與業主方協商,采用變頻離心式冷水機組代替磁懸浮冷水機組。

3.2 輸配系統的優化設計

為保證實現該項目高效制冷機房全年平均設計能效比5.2的目標,冷水循環泵的設計揚程為28 m,冷卻水循環泵的設計揚程為24 m,且不盲目設置安全系數。主要從以下幾個方面進行優化控制。

1) 水泵選型要合理,設計工作點效率不低于80%,并采用合理的變頻策略,盡量使水泵全年運行在高效區間。在供冷量一定的情況下,冷水系統

表2 不同冷水機組搭配方案模擬結果對比

輸配系數與供回水溫差、系統阻力及水泵效率相關,在滿足輸配系數不低于60的條件下,冷水系統最大允許阻力與供回水溫差之間有若干組合關系,見圖3。

圖3 冷水系統最大允許阻力與供回水溫差的組合關系

從圖3可以看出,水泵效率越低,冷水系統最大允許阻力越小。結合該項目實際情況,最終確認該項目水泵的設計工作點效率不低于80%。

2) 優化管道走向,降低彎頭和三通的阻力損失。在不增加彎頭數量的前提下,將1個直角彎頭優化成1個135°斜角彎頭;將直流三通優化成順流斜三通。基于以上原則,對該項目制冷機房的管道進行了優化設計,并采用BIM建模輔助設計。

3) 優化閥門設置。在兼顧后期水力平衡調試的前提下,盡量減小平衡閥等級：僅在每層水平干管上設置靜態流量平衡閥,風機盤管末端設置電動兩通閥,空調箱末端設比例積分電動調節閥,保證各冷水支路全年供回水平均溫差均不小于5 ℃。

4) 適當放大總管管徑是降低管網阻力最有效的辦法。常規做法按推薦比摩阻100～300 Pa/m進行管道設計,比摩阻最高不超過400 Pa/m[4]。該項目對制冷機房內外總管管徑的不同組合方案進行了詳細的水管水力計算,計算結果見表3、4。

表3 不同冷水總管管徑最不利環路水力計算結果對比

表4 不同冷卻水總管管徑最不利環路水力計算結果對比

從表3、4可以看出,要實現該項目冷水泵低揚程28 m和冷卻水泵低揚程24 m目標,總管管徑比常規做法要大2～3個型號。最終冷水總管管徑按表3的方案5設計,冷卻水總管管徑按表4的方案4設計。

3.3 冷卻塔的優化設計

為保證該項目高效制冷機房的實施,冷卻塔的設計也比較重要,冷卻塔不僅需要良好的位置條件及氣流組織,也需要更高的設備性能要求。

1) 盡量避免熱力回流,確保冷卻塔氣流組織順暢,降低逼近度,降低冷凝溫度。原方案設計將冷卻塔設于6層南側電影院旁邊(見圖4),該方案冷卻塔為單側通風設計,通風效果較差。優化后實際落地方案是將冷卻塔設置在5層東側屋面上(見圖5),該方案冷卻塔采用雙側通風設計,通風效果良好,也減小了冷卻水總管在水平方向的敷設距離,有利于冷卻水系統的設計與實施。

圖4 原冷卻塔位置

圖5 優化后冷卻塔位置

2) 冷卻塔功率越低,冷卻塔輸配系數越高,冷卻塔體積越大。綜合考慮該項目冷卻塔輸配系數不低于120及屋頂冷卻塔空間位置有限,最終校核選取單臺冷卻塔風機電動機功率為37 kW。

3) 冷卻塔采用先進的布水技術,并設置一體式集水槽,使冷卻塔布水更均勻,限定布水壓頭,提升冷卻水系統輸配效率;冷卻塔風機采用變頻技術,為多塔并聯聯合變頻調節奠定良好的基礎;校核冷卻塔的容量,增加20%～30%的余量,以便提供應對極端天氣的散熱能力并降低冷卻水供水溫度,提升全年能效,保證冷卻塔輸配系數不低于120。

3.4 主要控制策略

前述內容為高效機房的“硬件”部分,智能控制系統則為其“軟件”部分,良好的軟件也是整個高效機房運行能達到預期的必要條件。該項目高效制冷機房主要控制策略如下。

3.4.1冷水機組群控

1) 加機控制：以冷水機組負荷率和冷水供水溫度為依據,若冷水供水溫度持續20 min高于7 ℃并不斷上升、其負荷率持續20 min高于設定值時,加開1臺冷水機組。

2) 減機控制：以冷水機組負荷率和冷水供水溫度為依據,當機組負荷率持續20 min低于設定值,且經計算減少正在運行的機組中的任何1臺的供冷量仍滿足系統需求時,則減少對應的冷水機組(減機序列中不應包含變頻冷水機組)。

3) 控制策略：調節進口導葉角度來控制單臺定頻冷水機組冷量,當只有1臺冷水機組運行時,要確保該冷水機組為變頻冷水機組。

3.4.2冷水泵控制

1) 最不利環路壓差控制：按建筑不同方位,監控4～5個最不利環路末端壓差,探測器設置在不同方位功能區潛在最不利環路頂層。

2) 水泵聯合變頻控制：根據水泵廠家提供的產品內置性能曲線進行效率-流量曲線擬合,結合實際流量需求,計算最優開啟臺數,在確定水泵開啟臺數后,根據實際流量與額定流量的比例,確定水泵運行頻率。

3.4.3冷卻塔控制

在冷卻塔等效換熱系數和室外濕球溫度一定的條件下,影響冷卻塔換熱效率的主要因素是風水比,即流經冷卻塔的空氣與水的質量比。風水比越大,換熱就越充分,就越能降低逼近度,獲得更低的冷卻水供水溫度,提高冷卻塔換熱效果和冷水機組運行能效。但風水比的增大會帶來風機能耗的增加,反而降低冷卻塔輸配系數。因此,需要對冷卻塔和冷水機組進行聯合尋優控制,通過冷卻塔臺數與風機頻率的控制,實現最優的冷卻水系統運行性能。

冷卻塔采用統一變頻策略。冷卻塔風機頻率每15 min觸發1次。冷卻塔風機的初始頻率設定為45 Hz。當冷水機組運行臺數等于1且風水比大于設定值時,開啟4組冷卻塔,下調冷卻塔風機頻率5 Hz;若風水比小于設定值,上調風機頻率5 Hz,若持續時間超過設定值,則增加頻率直至50 Hz。當冷水機組運行臺數大于等于2時,開啟所有冷卻塔,若風水比大于設定值,下調冷卻塔風機頻率5 Hz;若風水比小于設定值,上調風機頻率5 Hz,若持續時間超過設定值,則增大頻率直至50 Hz。

4 運行性能檢測

2022年7月15日,委托廣州某公司對該項目高效制冷機房進行了實際運行性能檢測。檢測持續時段為2022年7月18—24日,每日10：00—21：00。該項目高效制冷機房運行性能檢測結果見表5。

表5 高效制冷機房運行性能檢測結果

經計算,冷水系統平均輸配系數為87.13,冷卻水系統平均輸配系數為86.72,冷卻塔平均輸配系數為118.62,冷水機組平均制冷性能系數為6.29,制冷機房平均運行能效比為5.16。以上各項指標與設計要求基本吻合,達到了該項目高效制冷機房的預期目標。

雖然該項目高效制冷機房的檢測平均運行能效比達到5.16,但其實際運行能效比仍然有提升空間,主要有以下幾個方面。

1) 本次測試期間剛好是武漢最熱的幾天,室外氣溫最高達38.9 ℃,主機在80%以上負荷率下運行,對比武漢室外設計計算溫度35.2 ℃,以及實際大部分時間為部分負荷運行,因而測試結果有些偏低。根據后期數據反饋,2022年7月25日至10月3日制冷機房日總制冷量與運行能效比變化曲線如圖6所示,在部分負荷下的EER達到6.0以上,平均運行能效比EER為5.54。

圖6 制冷機房日總制冷量與運行能效比變化曲線

2) 磁懸浮變頻離心機保證冷水機組在低負荷率下仍可高效運行,大幅減少了低負荷率下的用能成本,提升了制冷機房運行能效比。某國產品牌3 517 kW磁懸浮變頻冷水機組、常規變頻冷水機組及常規定頻冷水機組COP對比見圖7。從圖7可以看出,該品牌磁懸浮冷水機組在60%負荷率以下有著明顯的節能優勢。因此,若該項目采用磁懸浮變頻冷水機組代替常規變頻冷水機組,制冷機房實際運行能效比預測可以達到5.6以上,甚至更高。

圖7 某國產品牌3 517 kW不同類型冷水機組COP對比

3) 該項目實際招標采購的定頻離心機COP按國標要求提高9%設計,若按國標要求提高12%設計,成本增加有限,10 a可收回投資,可以增加綠色建筑得分,制冷機房的運行能效比也可得到進一步提升。

4) 該項目在設計時適當采用135°斜角彎頭和斜流三通、低阻力閥門等措施來降低管網阻力,水泵選型僅考慮5%的余量系數,但實際施工為了方便、快捷和省錢,沒有按設計落實到位,使水泵的實際運行壓差比設計值高5%～10%。若按設計實施,輸配系數還能進一步提升。

5) 冷源群控系統可以從自動運行進一步實現智慧運行、效果預測檢驗與自學習控制,能夠根據本地氣象實時數據進行節能運行調節,例如,供水溫度設定值根據室外濕球溫度再設定、冷卻塔出水溫度設定值根據室外濕球溫度再設定、冷水溫差根據最不利點供冷效果再設定、冷水機組臺數控制最佳負荷率區間根據運行數據自學習等,可以進一步實現系統精細化控制,從而提升制冷機房的運行能效比。

5 結束語

在設計高效制冷機房時,應在對建筑進行8 760 h動態負荷計算和分析的基礎上,優化空調冷熱源、輸配、末端及控制系統設計方案,將預期目標層層分解和專項破解,從目標設定到設計階段,再到招投標、施工質量管理和驗收調試,形成閉環。

在武漢光谷大悅城高效制冷機房設計中,采用了大量的優化設計方案,如采用135°斜角彎頭和斜流三通、低阻力閥門等措施來降低管網阻力,以及使用高效冷水機組等,但在項目實際落地時出現了些許偏差,若能加強招投標和施工質量管理,使設計真正落地,那么制冷機房運行能效比還可以進一步提升,運行能效比甚至可以達到5.6以上。