高效冷水机房技术在某既有建筑改造中的运用

文／褚庆翔 上海建工一建集团有限公司 上海 200437

1、项目概况

本项目位于上海市浦东新区，建筑面积5 万平方米，其中1层大堂，2～3层裙房为餐饮，4～27层塔楼为办公。冷水机房已使用25年，设备老化严重，能效低下，急需翻新改造。业主希望通过本次节能改造打造高效冷水机房，其年综合能效不低于0.7KW/RT。

原有冷水机房主要设备配置如下（见表1）：

表1 冷水机房主要设备配置表

经能耗模拟，原系统运行能效为1.18 KW/RT。

2、面临的挑战

这样的老旧建筑高效机房改造除新建高效机房能效方面挑战以外，还有一些特殊情况。以本项目为例面临的挑战主要是：

A.大楼为25年前建造，在使用期间还经历过多次小改造，能查阅到的图纸与现场情况偏离很大，而且水泵等关键设备铭牌缺失。冷量、扬程等关键数据如何确认？

B.本次改造要求全年综合能效不低于0.7KW/RT。但改造范围仅包含冷水机房，末端设备暂不改造。最新冷冻机房节能技术与老旧末端设备的适应能力如何权衡取舍？

C.本次改造要求全年综合能效不低于0.7KW/RT，机房总量有2000RT。但总预算十分有限，既要节省初投资，又要达成高效性能，如何平衡？

3、解决方案

以上挑战贯穿整个改造过程，重点在冷量与主机配置确认、冷冻供回水温度确认、冷却水供回水温度确认、水泵扬程确认四个方面。下面分别加以阐述。

3.1 冷量与主机配置确认

旧机房现场配置有4 台500RT 水冷离心机组，但物业人员反映2021年最热季仅开启2 台，配置冷量与使用冷量存在巨大差异。最大2000RT 与最小1000RT 的改造成本相差接近300 万元。而配置冷量不足将直接影响空调效果，作为正在运营的大楼是不可接受的。

汇总多方调研、计算情况得出（见表2）：

表2 调研、计算情况表

其中第5 项是按图纸测算空调面积，考虑不同业态的负荷指标估算得出。

再根据冷冻、冷却水泵流量与冷冻、冷却水主管管径分析可得（表3）：

表3 主管流速分析表

当开启4 台水泵时主管流速明显超过经济流速，而且对应4 台主机只配置了4 台泵，没有备泵。因此可以推断，当前安装的4 台主机是三用一备。档案图上显示的3 台650RT 主机，可能是两用一备。

又调研得到当前部分餐饮区域在以前的改造中自行增加VRV 系统约450KW（128RT），这部分区域目前不采用主系统供冷。

综合上述情况，决定大楼总冷负荷按1100RT 确定。再考虑如下因素：

A.一般舒适性空调：不设备机；

B.全年综合能效：不低于0.7KW/RT；

C.机房空间：最多可安装4 台主机；

D.吊装通道：整机吊装最大200RT；分体拼装最大600RT；

E.利用原配电系统，降低成本：当前冷冻机配电功率390KW，新机COP 取6.0，新机最大允许冷量665RT；

F.工期：仅4月1日～4月30日的过渡季节为大规模施工窗口，工期非常紧张；

G.其他：新换主机寿命25年，而大楼还有40年以上寿命。这期间大楼使用功能如发生较大调整，冷负荷发生较大变化，要能妥善应对。

考虑最优性价比，主机配置方案确定如下：

A.更换500RT 高效变频水冷离心机组2 台，在1000RT 范围内保证高效运行；

B.对选用的主机做550RT 冷量校核，保证极端情况下可以供应1100RT 冷量；

C.新主机安装在原2、3 号主机位置。如大楼使用功能今后发生较大功能调整，负荷增加较多，可以在拆除的1 号主机位置方便的再增加一台新主机；

D.保留4 号旧主机，以备不可控因素导致新主机不能在制冷季前投产。

3.2 冷冻供回水温度确认

原系统冷冻供回水温度为7 ～12℃（5 度温差），但实际运行记录显示运行温差在2 ～4℃。冷冻水系统存在明显的小温差综合症，浪费能源。按常规高效机房设计原则，应加大冷冻供回水温差，并采用一次泵变流量系统。

由于本次末端设备不改造，如盲目加大供回水温差且采用水泵变频，不仅不能解决小温差综合症，反而会导致严重的水力失调，影响空调效果。所以本项目不具备冷冻水大温差实施条件。

因此确定如下冷冻供回水温度设定与水泵改造方案：

A.考虑当前末端实际换热能力，冷冻水供回水温度设定为7 ～11℃；

B.考虑日后末端改造后换热能力提升，对冷冻机做7 ～12℃的校核验证；

C.水泵流量按冷冻水供回水温差4℃确定为400m/h，保证改造后主机流量需求；

D.考虑到将来末端改造后可加大温差，进一步节省运行能耗。水泵配置变频器，以对应将来的工况调整；

E.与空调箱使用单位沟通加装电动温控调节阀事宜。如可以加装，水泵做变流量控制；

F.如目前空调箱不能加装电动温控调节阀，则水泵定流量运行。通过冷冻机通讯接口做变出水温度控制。

3.3 冷却供回水温度确认

原系统冷却供回水温度为30 ～35℃（5 度温差），但实际运行记录显示最热季供回水温度为33 ～37℃，4℃温差。冷却水系统同样存在小温差综合症，且冷冻机回水温度偏高，严重浪费能源。另外原系统30℃的冷却塔出水温度，在上海地区气象条件下基本是不可能实现的。

现场冷却水泵定频运行，铭牌缺失。档案图上冷冻机为650RT，其对应的水泵参数不能采信。经现场采用便携式超声波流量计测得冷却水泵流量500m/h 左右，对应500RT 主机其温差为4.5℃左右，符合运行记录。三台冷却塔的铭牌显示单塔额定流量为700m/h，对应4台冷却水泵，可以推算冷却水泵的额定流量为525m/h，与前述测量值基本一致。

通过冷却塔现场调研可得冷却塔填料破损、坍塌严重，塔体框架锈蚀严重，与出水温度偏高的情况相一致。

冷却塔更换在本次改造范围内，因此冷却水侧可以采用大温差方案。冷却能力需求计算如下：

采用CTI 认证塔型，冷却能力余量取10%，按主机COP=6.0 计算冷却能力需求为

1100RT＊3.516＊（1+1/6）＊110%=4963KW，取整按5000KW 考虑；

再考虑如下限制性因素：

A.原有冷却塔基础与屋面结构：冷却塔占地面积不能超过6m＊15m；

B.既有结构框架高度：冷却塔高度不能超过5m；

C.上海地区空调计算湿球温度：28.2℃，考虑安全系数提高到28.5℃做冷却塔选型；

D.噪音：现有冷却塔基础位置靠近居民小区，其整体噪音不宜超过70dBA。否则要考虑额外的消声降噪措施；

得冷却塔最低趋近温度2.5℃，最大冷幅7℃。因此冷却供回水温度设定为31-38℃。冷却水泵流量按此温差确定为280 m/h。

3.4 水泵扬程确认

通过现场走访，得知系统运行时老水泵前后阀门一直都是全开状态。也就是说老水泵扬程是比较符合系统需求的。但由于水泵铭牌缺失，无法通过现场调研得到老水泵的扬程。而且新系统水温差发生了变化，也不能直接套用老水泵扬程。以冷却水泵为例，确认新水泵扬程方法如下：

A.虽然档案图主机为650RT，与现场不符，但其水泵扬程选择还是具有参考意义的。档案图显示老冷却水泵扬程为38m；

B.现场开启3 台老冷却水泵，通过泵前后压力表可得其扬程为40m，与档案图基本一致；

C.3 台老冷却水泵的合计流量为1500m/h，而更换后的2 台新冷却水泵的合计流量为560m/h.根据相似原理估算新水泵扬程如下（见表4）：

表4 新水泵扬程估算表

D.根据现场勘查绘制管路图，逐段计算如下（见表5）：

表5 管段逐段计算结果表

综合以上数据，确定冷却水泵扬程按12 mHO 选型。

4、改造前后对比

改造后冷水机房主要设备配置如下（见表6）：

表6 冷水机房主要设备配置表

按此方案改造后冷水机房运行能效达到0.69KW/RT,较改造前提升41.5%。而且冷水机房配电总功率由2209KW 降低到810KW，在冷水机房运行节能的同时还能有效降低契约用电负荷（MD）费用。

5、经验总结

既有建筑高效冷水机房改造在重点关注能效以及初投资与运行费用平衡之外，由于其老旧建筑与局部改造的特点，诸如大温差、变流量、末端温控等技术手段的运用一定要结合项目实际情况充分论证方可采用。此外还应重点关注多种数据印证、实际冷量需求、机房空间与搬运通道限制、施工窗口期与应急对应措施等诸多既有建筑现实因素。只有这样才能安全可靠高效并最具性价比的做好既有建筑高效冷水机房改造工作。