合肥市某項目高效制冷機房設計分析

張文濤 （安徽置地投資有限公司，安徽 合肥 230031）

1 項目概況

1.1 基本信息

合肥市某住宅小區建設地點位于合肥市濱湖區上海路附近，總建筑面積24491.57m2，共有三棟住宅樓，建筑高度60.00m，其中地下1 層、地上13 層。項目以建設科技為引領，以建筑節能為目的，目前已經成功取得了中國綠色建筑評價三星設計認證。

1.2 系統設計目標

制冷機房集中設置在地下室，采用高能效制冷機房技術保證空調系統的穩定、高效、節能運行。高效制冷機房系統設計綜合能效比EERad 大于5.0，能效等級不低于2級。

2 建筑負荷計算

2.1 合肥氣候特點

合肥市屬于夏熱冬冷地區，平均溫度14℃～17℃，1月為最冷月，平均溫度-1℃～4℃；7 月為最熱月，平均溫度27℃～29℃[2]。

2.2 全年運行時間確定

通過對周邊類似項目調研并與項目運營公司溝通了解，預計每年夏季供冷時間在5 月1 日～9 月30 日，每年冬季供熱時間預計在12月5日～3月4日。

2.3 全年冷熱負荷模擬分析

結合合肥市典型年天氣數據，通過逐時氣象參數，確認各負荷分配比例，確認全年綜合能效預期目標。利用DeST軟件建立建筑模型后，設定計算參數，包括定義建筑物的地理位置、維護結構類型、室內熱繞參數、房間功能、室內設計參數、全年內擾及空調作息模式等[3]。按《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）要求，進行了全年逐時冷熱負荷模擬，同時對建筑全年運行中的冷熱負荷占比情況進行了分析。

對于該項目，空調總冷負荷主要由設備及照明負荷、人員熱濕負荷、新風負荷、圍護結構負荷組成。其中設備及照明負荷受室外溫度濕度及太陽輻射強度影響小，在空調使用期間負荷相對穩定，按照《民用建筑綠色性能計算標準》（JGJ/T 449-2018）附錄C 建筑供暖和空調系統模擬計算運行參數及其他相關規范要求計算。人員熱濕負荷受室外溫度、濕度及太陽輻射強度影響小，主要與室內人員數量有關。按照《實用供熱空調設計手冊》相關要求計算，新風負荷受室外空氣溫濕度（焓值）及室內人員數量影響，室內人員密度按照《民用建筑綠色性能計算標準》（JGJ/T 449-2018）附錄C 建筑供暖和空調系統模擬計算運行參數相關要求計算，則可通過室外焓值變化模擬計算出各時段新風負荷。維護結構負荷受室外溫度及太陽輻射強度影響，因此該部分負荷的大小可以通過室外空氣干球溫度及太陽輻射情況進行計算。

基于以上負荷特征，可以模擬出全年供冷運行負荷分布情況，如圖1～圖3所示。通過模擬結果得出以下兩點結論。

圖1 合肥市全年逐時溫度變化曲線

圖2 合肥市全年逐時溫度變化曲線（制冷）

圖3 合肥市全年逐時溫度變化曲線（制熱）

①全年冷負荷約為2558759kW·h，全年熱負荷約1690673kW·h，冷負荷比熱負荷多51%，冷熱不平衡較大。因此在選擇設備時，應考慮輔助散熱措施。

②制冷機組大部分時間處于部分負荷運行狀態。夏季設計負荷百分比為30%～40%時運行時間最長，為541h，約占總運行時間的16.1%；而滿負荷運行只有49h，約占總運行時間的1.5%。冬季設計負荷百分比為70%～80%時，運行時間最長，為533h，約占總運行時間的24.6%；而滿負荷運行只有184h，約占總運行時間的8.5%。因此在制冷主機設備選擇時，應優先選擇部分負荷下能效高的設備機組。

3 冷熱源系統設計

3.1 地源熱泵技術的應用

地源熱泵技術是利用淺層地熱能實現建筑供冷供暖的技術，是清潔能源供暖技術中非常重要的一環[4]。地源熱泵技術是以常溫土壤或地表水（地下水）為熱源，冬季從地下提取熱量，夏季把建筑的熱量又存入地下，從而解決冬夏兩季采暖和空調的冷熱源問題。尤其在住宅小區中利用地源熱泵技術能夠避免設置鍋爐房，較好地解決了熱源的問題。地源熱泵技術屬于可再生能源利用技術，也是受國家政策支持的新型節能環保空調采暖技術。

本項目設計采用垂直式地埋管地源熱泵中央空調系統。冬季，地源熱泵機組運行滿足全部熱負荷；夏季，地源熱泵機組運行滿足部分冷負荷。考慮在實際運行過程中，夏季向土壤的散熱量比冬季取熱量大，設計冷卻塔輔助夏季散熱，解決土壤熱平衡問題。埋管數量根據空調裝機熱負荷進行計算，本文不再詳細介紹。

3.2 冷熱源設備選型

本項目夏季空調計算冷負荷為1947.88kW，單位建筑面積冷負荷為106.98W；冬季空調計算熱負荷1125.15kW，單位建筑面積熱負荷58.28W。

選用高效的設備是實現高效制冷機房的基礎，需特別注意制冷機組負荷下的運行性能系數。該階段的主要工作內容是確定冷水機組和冷卻塔型號及臺數，基本思路是利用仿真工具分別搭建冷水機組和冷卻塔性能仿真模型，在預設控制策略的基礎上，驗證該設計方案的冷水機組設計綜合性能系數和冷卻水供水溫度是否滿足設計目標值的要求。需要強調的是針對冷水機組和冷卻塔的性能仿真均是基于全年工況。

本項目高效制冷機房設計的地源熱泵系統采用2 臺變頻螺桿式熱泵機組、1臺變頻螺桿式水冷機組，冷水溫度分別為7℃/12℃，熱水溫度分別為45℃/50℃，地源夏季溫度為25/30℃，冬季溫度為10/5℃；冷卻塔供、回水溫度為31/36℃。輔助冷熱源選用1 臺冷卻能力為165t/h 的低噪音橫流冷卻塔，設置在通風良好的位置，進、出水溫度為36℃/31℃，冷卻塔對應螺桿式水冷機組運行。

表1 名義工況下地源熱泵機組和變頻螺桿式水冷機組參數

表2 循環水泵優化選型前后主要技術參數對比表

4 輸配系統的設計

空調水系統設計包括冷凍水系統和冷卻水系統。該階段的主要工作內容是通過對空調水系統進行優化設計，合理選取冷凍水泵和冷卻水泵及其閥部件。

4.1 利用BIM技術優化輸配管網

在暖通空調設計過程中對BIM 技術進行有效應用，設計人員可根據準確的數據信息對設計方案進行改進和優化，提高暖通空調設計的科學性以及合理性[5]。主要技術措施為降低制冷主機水壓降、提高設備的工作效率；充分利用機房空間，盡可能使用45°彎頭及低阻力閥件；冷水機組進口與水泵出口處于同一高度，減少彎頭數量；合理布置管道，避免翻彎；使用阻力小的水處理設備，避免使用管道直通式水處理設備。BIM設計成果如圖4所示。

圖4 機房BIM模型

BIM 技術也為后期的施工提供可視化的技術指導，提升了施工質量，為高效制冷機房的可靠運行奠定了基礎。另外，BIM 模型可以進行模擬仿真，幫助管理者定位和識別運行維護階段潛在的危險，并提出系統的解決方案和應急措施，確保了高效機房最終的運行能效，真正實現項目的高效節能。

表3 高效制冷機房能效模擬結果

4.2 循環水泵的設計

高效機房選用的冷凍水泵和冷卻水泵的效率應不低于現行《清水離心泵能效限定值及節能評價值》（GB 19762-2007）規定的節能評價值。泵電機效率應滿足現行標準《電動機能效限定值及能效等級》（GB 18613-2020）規定中的2 級及以上能效的要求。最終優化后設備選型如表2所示。

5 方案評價

根據高效制冷機房設備配置，制冷機房總配置供冷能力為1940kW。結合制冷機房供冷區域在不同時間段的負荷模擬數據，可以模擬出制冷機房各設備在不同負載率下的運行小時數、耗電量，最終得到模擬全年平均能效。

高效制冷機房全時段年模擬供冷量為2558759kW·h，年模擬用電量為481016kW·h。

水泵、冷卻塔、風機采用變頻系統，參數配置按照優化后高效制冷機房設備參數進行配置，通過智能控制系統及能效優化管理系統，經計算得出制冷機房模擬全年平均能效為5.32kW/kW。

6 結束語

地源熱泵中央空調系統采用高效制冷機房技術，其節能優勢更加明顯，因此在設計高效制冷機房時，可以結合其他的高效節能系統，如冰蓄冷技術、地源熱泵技術等。

本文進行了全年逐時冷熱負荷模擬，同時對建筑全年運行中的冷熱負荷占比情況進行分析，得出制冷機組大部分時間處于部分負荷運行狀態。因此在制冷主機設備選擇時，應優先選擇部分負荷下能效高的設備機組。

本文借助建筑能耗模擬軟件和BIM機電管網模擬軟件，提升了高效制冷機房性能化設計效率和可靠性。通過深化設計及設計優化，使問題在施工前得以解決，確保了輸配系統實施的可行性，為設備選型提供了可靠的依據。