高效机房在区域集中供冷系统设计中的应用

徐誉玮 周涛 王晓峰 黄立波 白蕾

摘要：区域集中供冷具有集约用地、错峰降容、智能管控、避免重复投资等特点，但目前集中供冷的冷源机房大多数采用的是一般制冷机房的设计，从工艺设计上还有很大的节能空间。广州某区域集中供冷冷站采用高效机房的设计理念，从管路布置、冷却塔运行方式及泵组配置方面进行优化，提高了整个冷站的能效值，取得了较好的节能减排效果，同时也为其他集中供冷项目建设提供了借鉴。鉴于此，研究了高效机房在区域集中供冷系统设计中的应用，分析了高效机房设计的原理，针对目前技术短板提出了优化技术措施，以期最终达到高效节能的目标。

关键词：集中供冷；高效机房；节能减排

中图分类号：TB69    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）10-0035-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.010

0    引言

无论是大型商业建筑还是工业厂房，空调系统都是主要耗能设备，耗电量占建筑总能耗的50%～60%，而其中制冷系统是主要的耗电设备，约占整个空调系统耗电量的80%[1]。通过高效制冷机房的设计，提高制冷机房的系统运行能效，可有效实现碳达峰、碳中和的目标。

广州某区域集中供冷冷站打破普通制冷机房的传统设计，将高效机房的设计理念融入到集中供冷系统的设计中，在集约用地、错峰降容的基础上进一步降低能耗，实现了冷站全年综合能效值EER≥3.55 W/W，冷站全年单位冷量电费成本≤0.15元/（kW·h）的设计目标。

1    高效机房设计原则

建成一个高效、完善的区域集中供冷系统，需要从工艺设计、设备选型、参数匹配等各个环节进行严格的质量控制。根据GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》中对高效制冷机房的等级要求[2]，广州某区域集中供冷冷站从以下几方面来实现冷站的高效设计。

1.1    高效设备

冷水机组是整个系统中耗电量最大的设备，选用能效比高、制冷效率高的冷水机组并合理选型使机组始终在高效率点附近运行是实现高效机房最核心的保证。

1.2    运行策略

（1）改变冷却塔的运行控制策略，使塔组根据负荷变化变流量运行，并采用变频控制，尽可能降低塔组的运行能耗。

（2）冷水机组、冷却塔以及水泵的运行均采用变频控制。

1.3    优化工艺设计

1.3.1    降低设备阻力

设备的阻力主要来源于冷水机组的水阻力，降低水阻力对降低水泵扬泵有一定的帮助，但同时机组的造价也会随之提高，因而需要综合考虑节能与经济性，尽量选用高能效等级、低水阻的设备。

1.3.2    管路优化

从管道布置上采用顺水三通代替正三通，减少管路弯头以及不必要的阀件。

1.3.3    泵组设计

水泵作为输送流体设备，其输送动力能耗占整个空高系统的20%左右，对于大型冷站而言，泵组基本全年24 h都处于运行状态，如何降低整个系统中水泵的消耗功率，也是降低系统整体能耗的关键。除了降低整个系统的阻力以外，还需要在工艺设计方面尽可能减少泵组的配置。

2    技术方案

广州某区域集中供冷冷站机房以冷站全年综合能效值EER≥3.55 W/W，冷站全年单位冷量电费成本≤0.15元/（kW·h）为设计目标，将目标层层分解到设备选型、工艺优化等各个方面。项目采用以下技术方案，将高效机房的设计理念融入到集中供冷系统的工艺设计中，以实现节能降碳的目的。

2.1    高能效比的冷水机组

（1）综合国标要求并结合冷站机房的实际情况，制冷机组的选用原则按各主流主机厂家提供的最优COP参数取平均值，要求蒸发器和冷凝器的水阻力控制在50 kPa以下，蒸发器、冷凝器可变流量范围在30%～100%[3]。根据冷站的整体设计要求，要求制冷主机的蒸发器在设计工况下的水压降不高于50 kPa，市场上某知名品牌的制冷主机通过选型，其蒸发器在设计工况下的水压降超过设计值约87 kPa，达到140 kPa。水泵的扬程也相应增加了8.7 m，由原来的24 m增加至32.7 m。水泵的轴功率计算公式如下：

P=（QH/367）/η

1）当水泵的流量Q为1 250 m3/h，效率η为85%，扬程H为24 m时，水泵的轴功率为96 kW；

2）当水泵的流量Q为1 250 m3/h，效率η为85%，扬程H为32.7 m时，水泵的轴功率为131 kW。

根据水泵轴功率选型，在扬程由24 m增加至32.7 m时，电机功率需要增加一个等级，功率增加了约50 kW[4]，可见制冷主机的两器水压降对水泵选型的影响是至关重要的。

（2）在实际运行时保持机组在“高效区间”范围内运行，尽量避免在非高效区间内运行[5]。如图1、图2所示，当主机负荷率低于80%时，COP值有下降的趋势。因此，在制冷主机容量选型配置时，应该充分考虑负荷的变化，保证主机尽可能在高效区间运行。

2.2    冷却塔变流量运行

按照传统设计，制冷主机和冷却塔的运行台数一一对应控制，当一台冷却塔达到满负荷时，再开启第二台塔，如图3所示，通常单台冷却塔在80%～100%的高负荷范围内运行。

冷却塔风机能耗占制冷机房系统能耗比例不高，但對系统能效影响较大，主机冷凝水回水温度降低2 ℃，主机能效可提升6%左右，可通过适当加大冷却塔散热面积、减小冷幅，来提升系统能效。

广州某集中供冷冷站采用变流量冷却水系统，根据每台冷却塔可运行的最小负荷来设定冷却塔的开启数量。例如：当冷却塔最低可在30%的流量范围实现均匀布水时，可同时开启3台冷却塔，将600RT制冷主机的冷凝水均匀分布在3台冷却塔上进行冷却，换热面积增加到300%，换热风量增加到180%，使得相同容量的冷凝水能够充分利用最大填料换热面积，有效降低主机冷凝温度，达到提升主机能效的目的，如图4所示。同时，冷却塔在低负荷运行时，风机低速运转，运行噪声明显降低，总电量也同时下降，达到用最小的风机能耗为制冷主机提供最佳回水温度的目的。

2.3    冷冻水泵系统的优化设计

常规集中供冷项目考虑到冷冻水管网的输送阻力，一般采用二次泵系统[6]，如图5所示。广州某集中供冷冷站的集中供冷室外管网摒弃了二次泵系统的设计，在按最不利用户管路阻力水力平衡计算的前提下，采用一次泵系统的设计，如图6所示。

与二次泵方案相比，一次泵的总扬程减少5～7 m，水泵总轴功率减少12%～20%，降低了输送能耗（水泵本身及进出口的阻力损失），可见采用一次泵系统方案可减小系统阻力损失，有效降低系统能耗，有助于实现高效机房设计理念，同时减少二次泵组后，也相应减少了机房噪声源，降低了机房噪声。

2.4    优化整体工艺布置

通过BIM设计对站内主要设备的摆放位置及机房内管道走向进行优化排布，通过合理布置管路，使空间布局更加合理，设备检修更加方便，管路水流更加通畅，降低水系统输送能耗。

在尽量减少管路弯头以及不必要的阀件的前提下，用顺水三通代替正三通，钝角弯头代替直角弯头，来降低整个系统的阻力，相应的水泵扬程及配电功率均得到降低。从表1、表2可对比看出不同型式的管路以及弯头对管道阻力的影响。

2.5    水泵及冷却塔变频调节

水泵及冷却塔均采用变频调节的方式。冷却水泵按照主机换热负荷及流量范围，根据冷凝器的进出水温差进行流量调节。冷却塔变风量控制技术通过冷却塔出水温度与室外湿球温度差进行变风量控制，可实现冷却塔出水温度随着室外温度的降低而降低，提供更优质的冷却水给主机，实现主机节能。

3    结语

区域集中供冷因其较低的建设投资和运营管理费用、较高的能源利用效率和空调系统安全性，在大型CBD区域的应用越来越广泛。广州某集中供冷冷站将高效机房的理念融入到机房的设计中，通过选用高能效设备，控制设备以及管道的阻力损失，改变冷却塔的运行控制策略以及优化水泵泵组的配置等技术方案，助力集中供冷的制冷机房能耗水平达到国际绿色节能综合能效比的要求，最终实现全年综合能效值EER≥3.55 W/W，冷站全年单位冷量电费成本≤0.15元/（kW·h）的高效节能目标。

[参考文献]

[1] 公共建筑节能设计标准：GB 50189—2015[S].

[2] 毛华雄.高效制冷机房技术现状与分析[J].制冷与空调，2022，22（11）：10-14.

[3] 谭海阳，屈国伦，何恒钊，等.基于高效制冷机房系统能效分级评价的冷源系统模型构建[J].暖通空调，2021，51（11）：33-38.

[4] 冷水机组能效限定值及能效等级：GB 19577—2015[S].

[5] 吴峰，李华新，陈金虎.高效制冷系统建设与工程实践[J].暖通空调，2022，52（S1）：129-132.

[6] 刘冰韵，陈国恺，王颖.高效制冷机房优化设计方法及计算分析工具研究[J].暖通空调，2022，52（11）：85-91.

收稿日期：2023-02-03

作者简介：徐誉玮（1977—），男，广东龙川人，高级工程师，研究方向：区域集中供冷站的高效机房设计应用。

通信作者：王曉峰（1980—），男，广东揭阳人，工程师，研究方向：清洁能源运维技术和综合能源智慧控制系统技术。