上海某超高层综合体冷源系统设计

胡 逸（科进柏诚工程技术（北京）有限公司上海分公司，上海 200052）

1 工程概况

本项目位于上海市，包含一栋 100 m 内的办公塔楼，一栋 250 m 内的办公塔楼，及地上三层裙房商业，四层地库，其中 B 1、B 2 为商业，总建筑面积约为 35 万 m3。

2 室内外设计参数

本项目采用的室外设计参数参考 GB 50736—2012《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》中相关数据，见表1；室内空调设计参数详见表 2。

表1 室外设计参数

表2 室内空调设计参数

3 冷源系统设计

本项目主要功能为办公及商业，两者统一管理运营。考虑到商业与办公冷热负荷曲线峰谷值出现时间不同，中央冷源可以起到错峰作用，减少冷水机组的装机容量，以及提高运行效率，在项目初期与客户沟通后确认本项目设置中央冷热源系统。

3.1 冷源系统选择

以下从系统的可靠性、实用性及可持续性等不同维度，对不同的冷源系统方案进行了分析和比较，对比见表 3。

表3 不同冷源形式的优劣对比

冰蓄冷系统能够移峰填谷，减少高峰时刻对电网的冲击，但系统运行操作复杂，且冰蓄冷系统初投资较大，虽然上海现峰谷电价比为 1∶4.2，运行费用相对节省，但受政策影响，峰谷电价存在不稳定性，经济效益不明显。另外，本项目地处中心地段，冰蓄冷系统占用较大的机房面积，影响可租赁面积。故综合考虑，本项目不采用冰蓄冷系统。地源热泵系统虽然可以提供较高的热源热水效率，减少全年运行能耗，但需较大面积实施地埋管，本项目受用地面积限制，仅能在地库大底板下方设置地埋管，地埋管施工需与大底板施工相配合，施工工期加长，且埋管费用较大，经济性较差。 故综合考虑，本项目不采用地源热泵系统。因本项目没有全年热源需求，溴化锂吸收式制冷系统不适用。最终选择了较为常规的方案一：常规冷水机组＋冷却塔。

3.2 负荷估算

通过软件模拟本项目的冷热负荷，峰值冷负荷为 9 183 RT，其中夜间最小冷负荷为 336 RT，厨房预冷负荷为 558 RT。峰值热负荷为 17 348 kW，厨房预热负荷为 898 kW。冷热负荷计算结果见表 4，冷负荷曲线见图 1。

表4 冷热负荷估算

3.2 冷源配置分析

如表 5 所示根据负荷模拟结果，本项目冷源系统装机容量为 9 200 RT，经过对市场上主流冷水机组厂家产品调研，对冷水机组的不同配置进行了分析及对比。

表5 冷源配置对比

经上述对比分析可以看出，方案四在初投资及运行费用上都是最优配置，虽然机组数量较其他方案一、二、五要多，但是提供更高的备用性，对机房面积影响可控，故最终选择了方案四。

中央制冷机房设置于地下四层，共设置上述“方案 4”所确定的 4 台 2 100 RT(高压)离心式制冷机，及 2 台 400 RT螺杆式制冷机。当大冷机故障/维修时，仍能负担 78% 最大冷负荷，小冷机最小 60 RT 负荷可以开机，提高系统负荷调节的灵活性。冷凝器承压为 1.0 MPa，蒸发器承压为1.6 MPa。冷冻水供回水温度为 6°～12°。与系统配套的冷却塔设置在裙房屋面，与冷水机组一一对应，冷却塔水供/回水温度为 32/37℃。冷源系统配置 1 台1 400 kW 板式热交换器作为过渡季节免费供冷系统使用。

分我 冷冻水流量 水泵扬程商业 45% 20 T1办公 39% 22 T2办公 16% 19

4 空调水系统设计

4.1 一次泵变流量系统

本项目水系统分别分布在商业、T1 办公塔楼及 T2 办公塔楼，经计算各分我系统扬程差在 3 m 以内，若采用二次泵变流量系统，水泵能耗较一次泵变流量系统增加了 13%。各分我设计工况下冷冻水流量及扬程如表 6 所示。从减少初投资、节省建筑面积以及减少运行费用等因素综合考虑，采用变流量一级泵系统，水泵与冷机一一对应。

4.1.1 水泵变频的控制

一次泵变流量系统中，水泵按最不利环路末端压差控制水泵流量，在不改变供回水温差的前提下，满足空调末端的冷量需求。冷冻水于各分我设多组供回水压差传感器，以平均或最大、最小、中间压差数值计算流量需求，控制水泵转速。到达水泵最小流量时，分集水器末端总压差值控制旁通模拟电动调节阀开度，以保证水泵最小流量，见图 2。冷冻水泵转速由末端最不利环路压差决定，与其他系统组件无连锁关系。分别于冷冻水供回水主管上设置温度传感器，并于回水主管上设置流量传感器，用来评估瞬时的冷冻水供回水温度及总流量。

图2 一次泵变流量系统示意图

4.1.2 冷水机组选型

冷水机组的流量变化范围和允许变化率是一次泵变流量系统中选取冷水机组的两大指标。本项目选择允许水流量变化范围大、适应冷水流量变化率大、具有减少出水温度波动的控制功能的冷水机组。

（1）机组允许的流量变化范围。机组允许的流量变化范围影响着冷源群控中关于冷水机组加减机的控制策略。冷水机组的最大流量由蒸发器最大许可的水压降和水流对蒸发器管束的侵蚀因素决定。而冷水机组的最小流量会影响到蒸发器的换热效果和运行安全性等。经与主流冷水机组厂家沟通，螺杆式冷水机组的最小流量一般在 30～50%，离心式冷水机组的最小流量可达 10～20%， 本项目中也是按此数据进行设计。

（2）机组允许的流量变化率。冷水机组蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动, 出水温度的波动随着机组允许的流量变化的加大而减小，选择流量变化率较大的冷水机组有利于系统的稳定运行，避免蒸发器发生结冰。本项目中机组允许的流量变化率建议为每分钟30%～50%，这样可以使冷水机组在启停过程中单位时间所承受的流量变化相对较小。

4.1.3 冷水机组及冷冻水泵运行策略

为避免大小冷机因蒸发器水压降不同产生抢水情况，大小冷机仅在满负荷情况下才一起运行。

冷负荷小于 800 RT 的情况下,运行策略为采用 400 RT的小机组运行, 水泵与冷机一一对应。

冷负荷在 800～8 400 RT 之间的情况下(占系统大部分工况), 运行策略为采用 2 100 RT 的大冷机运行, 冷机和水泵的台数不必一一对应。

冷负荷大于 8 400 RT 的情况下, 大小冷机需同时运行,但因小冷机水压降较高, 再加上水泵变频引起扬程降低, 小机组流通水量会不足, 有当机风险; 同时因为大小冷机冷冻水分配失衡, 出现大流量小温差的情况, 不单冷机效能降低, 而且导致负荷侧流量高于设计值, 以及加减机控制失调等问题。为尽量较低失调风险，建议大小水泵回路分开, 小水泵必须保证小冷机最小流量，大水泵可继续变频，此控制较复杂,需在群控设计时与厂家深入配合。

4.2 空调水系统压力分区

空调水系统中不同设备、管路及部件的工作压力应小于或等于其额定工作压力。在超高层项目中，空调水系统的压力分我更是设计中的关键问题。空调水系统中的各种设备或部件有着不同的承压等级，一般来说，冷水机组的蒸发器侧的工作压力为 1.0 MPa、 2.0 MPa、2.5 MPa 3 档，2.5 MPa 承压能力的冷水机组价格较高，在一般项目中使用较少；板式换热器及水泵的承压能力按项目要求选取，可达 2.5 MPa；一些末端设备，例如空调箱和风机盘管，为控制成本及避免错误安装，其工作压力一般不超过 1.6 MPa。

对于超高层建筑来说，一般采用板式换热器来进行压力分我。本项目中，冷冻机房设置在 B4 层，减少震动、噪音对相邻楼层的影响，且可以不占用计容面积，于避难层及地库机房内设置板式换热器来进行压力分我。由系统初投资、运行能效、末端空调效果等因素来决定分我数量。合理的分我数量，可以减少避难层的机房面积，优化供水温度，保证系统能效，降低对末端设备的承压要求。

综合考虑了各项因素，本项目在设计时明确了以下分我原则。

（1）商业末端承压控制在 1.0 MPa，避免租户装修时风机盘管选用不当引起损坏；

（2）冷水机组主流厂家承压一般为 1.0 MPa 及 2.0 MPa，部分厂家无 1.6 MPa 机组, 本项目选用 2.0 MPa

（3）L10 层 T 1 办公高我板换/水泵/阀门选用 2.5 MPa

（4）L10 层 T 1 办公中我板换/水泵/阀门选用 1.6 MPa

（5）B 4 层 T 2 办公层板换/水泵/阀门选用 1.6 MPa

（6）办公末端承压可控制在 1.6 MPa

为确保商业末端承压控制在 1.0 MPa，于地库设置 T2 塔楼冷热水板式换热器，其工作压力为 1.6 MPa，于 T1 塔楼 10/F 设置 T1 中我冷热水板式换热器，其工作压力为 1.6 MPa，及T1 高我冷热水板式换热器，其工作压力为 2.0 MPa，T2 塔楼及 T1 塔楼中、高我二次侧冷冻水供回水温度为 7°/13° ，采暖水供回水温度为 58 ℃/43 ℃。

5 结 语

合理的空调冷热源系统设计是综合体项目中的一大重难点，每个项目的冷热源都需要经过多维度的分析进行对比最终确定。本项目的空调冷源设计总结为以下几点内容。

（1）本项目设置中央冷热源系统，冷源采用 4 台离心式高压冷水机组及 2 台螺杆式冷水机组，当一台离心机组故障/维修时，整套系统仍能负担 78% 最大冷负荷，设置 2 台螺杆式机组最小 60 RT 负荷可以开机，保证低负荷运行需要。

（2）采用一次泵变流量系统，水泵与冷机一一对应，运行策略需考虑避免大小冷机因阻力不同产生抢水问题，建议可以仅在满负荷时同时运行大小冷机。

（3）空调水系统在 10/F 及 B 1 对不同我域进行断压，仅设置一次断压，保证末端设备承压不超过 1.6 MPa 的前提条件下，减少输送能耗和热力损失。