中信技术研发基地项目冷热源及空调系统设计

张亚立 劳逸民 潘云钢 李雯筠

(中国建筑设计研究院有限公司,北京)

1 工程概况

中信技术研发基地位于北京市顺义新城第13街区,顺成大街与坤安路交汇处的东南侧,总占地面积56 798.9 m2,总建筑面积178 975 m2,包括生产运营楼41 000 m2(建筑功能为生产机房及配套设施),研发办公楼137 975 m2(建筑功能为办公、会议、宿舍等),效果图见图1。

图1 中信技术研发基地项目效果图

生产运营楼数据机房冬季产生大量余热,完全可满足冬季研发办公楼供热需求,该项目充分利用余热作为研发办公楼低品位热源。研发办公楼采用温湿度独立控制空调系统,将空气显热与散湿量完全分开处理,并充分利用较高能效比的高温水[1]作为空调冷源。

2 生产运营楼冷热源及空调设计

1) 冷源设计。

生产运营楼总冷负荷为23 080 kW,空调冷热负荷计算见表1。集中冷源为水冷冷水机组和风冷冷水机组,冷源按一用一备模式设置。其中,风冷冷水机组为双冷源模块的备用冷源,水冷和风冷冷源均提供供/回水温度为12 ℃/18 ℃的冷水为机房末端精密空调机组供冷。水冷系统和风冷系统均分为南、北2个系统设置,水冷冷水机组每个系统设3台3 868 kW(1 100 rt)的变频离心式冷水机组,位于地下1层制冷站,为主用冷源。冷水一级泵、二级泵为变频水泵,板式换热器与冷水机组一一对应设置,冷却塔并联运行,部分负载工况下,可以获得较低的冷却水出水温度,可延长自然制冷模式工作时长。风冷冷水机组每个系统设6台1 934 kW(550 rt)带自然冷却的风冷螺杆式机组,位于生产运营楼屋顶,为双冷源模块提供备用冷源。室外设置蓄冷罐,蓄冷罐容积可满足系统满负荷连续运行15 min,蓄冷罐计算有效容积为1 100 m3。为保证系统在线维护管路的可靠性,管路设计为双母管+末端环路设计。

表1 生产运营楼空调冷热负荷 kW

冬季生产运营楼的余热为研发办公楼提供低品位热源,研发办公楼空调热负荷为5 013 kW,设2台板式换热器,单台换热量为3 260 kW,板式换热器一次水为机房冷水,供/回水温度为18 ℃/12 ℃,二次水供/回水温度为15 ℃/10 ℃。

冬季数据机房空调冷负荷仅为室内冷负荷,且研发办公楼和数据机房已经启动供暖,冷却塔自然冷却负荷有所降低,仅为部分负荷运行,其供水温度趋近度小于设计工况。冬季剩余部分散热量采用冷却塔自然冷却系统,根据冷却塔特性曲线(流量比为70%)[2],当室外湿球温度低于9.0 ℃、冷却塔提供的冷却水供水温度低于17.0 ℃时,冷却水经板式换冷器冷却冷水回水,冷水回水经板式换冷器部分冷却后进入冷水机组蒸发器,提供12.0 ℃的冷水。当室外湿球温度低于6.0 ℃、冷却塔提供的冷却水供水温度低于10.5 ℃时,可以完全由冷却塔免费供冷提供制冷量,冷水经板式换冷器与冷却水换热,可提供12.0 ℃的冷水,此时冷水机组关闭。冷源系统原理图见图2。

图2 冷源系统原理图

2) 热源设计。

生产运营楼不设热源,机房值班室、屋面水泵房等房间热负荷由房间内的水环热泵机组承担,利用供/回水温度为12 ℃/18 ℃的冷水作为水环热泵的低品位热源,提供供/回水温度为45 ℃/40 ℃的空调热水。新风机组自带水环热泵模块,同上所述,利用余热水作为水环热泵的低品位热源。

3) 空调设计。

数据机房空调系统采用1 000 mm的高架空地板下送风,IT机柜按冷热通道布置,热通道封闭。热排风经由热通道顶部设置的回风口进入吊顶静压箱,回至精密空调机组,冷热通道处送/回风温度为23 ℃/36 ℃,保证数据机房在18～31 ℃温度下稳定运行。为了保证机房正压要求和人员新风量要求,设置新风系统,新风量按数据机房0.8 h-1的换气次数设计,冬夏季采用室内露点温度送风,控制室内湿度。主机房采用专用湿膜加湿器(放置在空调机房内),在冬季及过渡季进行加湿,保证室内湿度。

4) 数据机房能耗分析。

电能利用效率(PUE)=数据中心总能耗/IT设备能耗[3];数据中心总能耗=IT设备能耗+供配电系统能耗+空调系统能耗+其他能耗;PUE=1+供配电能耗因子+空调系统能耗因子+其他能耗因子。

生产运营楼IT设备满负荷时,总装机设备功率为18 000 kW。因为该项目采用余热回收,舒适性空调供暖运行时间按1 200 h考虑,设计工况下PUE为1.358,其中全年空调能耗因子为0.252,供配电系统能耗因子为0.090,照明等其他能耗因子为0.016。由于在部分负荷下冷水机组制冷综合部分负荷性能系数(IPLV)高于设计工况,冷水泵、冷却塔风机变频运行,实际耗功率小于额定功率,实际运行时PUE为1.260。

3 研发办公楼冷热源及空调系统设计

1) 冷热源设计。

研发办公楼总冷负荷为5 494.7 kW,其中高温冷水负荷为2 387.9 kW,常温冷水负荷为3 106.8 kW;总热负荷为5 013 kW。该楼采用温湿度独立控制系统,由2台1 230 kW(350 rt)水冷变频离心式高温冷水机组(供/回水温度为16 ℃/21 ℃)负担室内显热负荷与部分新风负荷。设置3台水源热泵机组(夏季运行2台,冬季运行3台),单台制冷量为1 656 kW,单台制热量为1 730 kW,夏季负担新风负荷、部分室内负荷与全部湿负荷,夏季供/回水温度为7 ℃/12 ℃;冬季负担全部空调热负荷,供/回水温度为50 ℃/45 ℃。热泵机组冬季利用生产运营楼冷水回水作为低品位热源,冷水回水经板式换热器换热后供/回水温度为15 ℃/10 ℃,经热泵机组换热后可提供供/回水温度为50 ℃/45 ℃的空调热水;夏季热泵机组供冷,提供供/回水温度为7 ℃/12 ℃的空调冷水,热泵机组冷凝器接冷却塔散热,冷却水供/回水温度为32 ℃/37 ℃。

考虑系统初投资和运行费用的影响,水源热泵机组在夏季采用开式冷却塔提供冷却水,由于水源热泵机组在冬夏季需要转换,开式冷却水系统容易产生污垢,在冬夏季转换时污垢会进入空调水系统影响运行,因此夏季供冷季结束后必须对水源热泵机组冷凝器及冷却水系统的管道进行彻底清洗和维护。

数据中心机柜按照市场实际需求分阶段安装,初期机柜安装数量较少,初期阶段冬季无法满足研发办公楼供热需求,因此研发办公楼设备用热源为市政热源,设2台板式换热器,单台换热量为3 260 kW。

冬季及过渡季采用冷却塔免费供冷的自然制冷方式为内区空调提供冷水,根据冷却塔特性曲线(流量比为50%)[2],常温冷水系统侧冬季由冷却塔提供供/回水温度为7 ℃/10 ℃的冷却水(当室外湿球温度为5 ℃时),通过板式换热器与供/回水温度为8 ℃/13 ℃的冷水进行换热,供冬季内区使用。高温冷水系统侧冬季由冷却塔提供供/回水温度为15 ℃/18 ℃的冷却水(当室外湿球温度为13 ℃时),经板式换热器换热得到供/回水温度为16 ℃/21 ℃的冷水,供冬季内区使用。室外冷却水管及冬季使用的冷却塔采取防冻措施,且冷却塔风机变频运行。

2) 空调设计。

研发办公楼采用风机盘管加新风系统,风机盘管与新风机组冷热水系统均为四管制,开敞式办公区室内风机盘管系统采用高温冷水(供/回水温度为16 ℃/21 ℃)供冷,会议室、讨论室等人员密集场所的风机盘管采用常温冷水(供/回水温度为7 ℃/12 ℃)供冷。新风机组采用双盘管冷源热回收新风机组(带排风再热)。

为满足室内人员除湿要求,人均新风量应为34.4 m3/h,考虑到除湿的可靠性,附加1.1倍安全系数,人均新风量取38.0 m3/h。

为避免送风温度低于室内空气露点温度引起结露,采用室内排风系统对新风送风进行再热,保证新风出风温度(16.4 ℃)高于室内露点温度。双盘管冷源温湿度独立控制系统热回收新风机组(排风再热)原理图见图3[4],新风侧处理过程为粗效过滤器—中效过滤器—板式热回收器—预冷高温盘管—深冷常温盘管—室内再热排风热管—高压喷雾加湿器—送风机。排风侧处理过程为粗效过滤器—室内再热排风热管—板式热回收器—排风机。

1.粗效过滤器;2.中效过滤器;3.板式热回收器;4.预冷高温盘管;5.深冷常温盘管;6.室内再热排风热管;7.高压喷雾加湿器;8.送风机;9.排风粗效过滤器;10.排风空段;11.排风机。

4 结束语

本文论述了中信技术研发基地生产运营楼和研发办公楼冷热源及空调系统设计。为提高园区能源综合利用率,研发办公楼利用生产运营楼数据机房余热作为空调热源。研发办公楼采用温湿度独立控制空调系统,充分利用高温水能效比高的特点,新风系统采用双盘管冷源。为防止新风送风结露,利用室内排风对新风送风进行再热。生产运营楼采用风冷冷水机组和水冷冷水机组作为冷源,不单独设热源,房间热负荷由水环热泵机组承担。数据机房空调系统采用高架空地板下送风,新风系统新风量按换气次数为0.8 h-1设计,冬夏季采用室内露点温度送风,控制室内湿度。生产运营楼数据机房实际运行工况下PUE为1.260。本工程于2020年投入使用,经过2年的运行,空调系统各项指标均满足设计要求。