武汉光谷大悦城高效制冷机房设计总结与探讨

印传军 吴兆武 魏庆芃 陈焰华

(1.中信建筑设计研究总院有限公司,武汉;2.清华大学,北京)

0 引言

在我国公共建筑中,制冷机房能耗占据了空调通风系统能耗的绝大部分,其能耗占比达到了70%左右[1]。国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部、财政部等七部委于2019年6月13日联合印发了《绿色高效制冷行动方案》,明确要求到2030年,大型公共建筑制冷能效提升30%,制冷总体能效水平提升25%以上,绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上,实现年节电4 000亿kW·h左右[1]。2021年10月,为实现“双碳”目标,我国接连出台了关于碳达峰和碳中和的相关工作意见及行动方案,明确了能源转型发展目标。因此,制冷机房的高效设计,不仅符合我国国情和政策,也能减少对能源的消耗,还能推动相关产业高质量发展和绿色低碳转型。

1 工程概况

武汉光谷大悦城位于武汉市光谷开发区,包含购物中心、甲级办公楼及地下室。其中,购物中心为集零售、餐饮、电影院等功能为一体的商业综合体,地上6层、地下3层,地下1层局部设有零售、餐饮及超市,地上和地下商业总建筑面积为136 446 m2。

武汉夏季气候的显著特点是高温高湿,且供冷周期较长,因此其空调通风能耗比一般公共建筑要高。根据相关调查研究表明,目前国内90%的制冷机房全年平均能效比为2.5～3.5,如果采用一些合理可靠的技术手段将制冷机房能效从3.5提升到5.0,制冷机房的耗电量能降低30%[2]。本文主要针对该项目的购物中心高效制冷机房进行设计总结和探讨。

2 设计参数及负荷计算

2.1 室外设计参数

武汉夏季空气调节室外计算干球温度为35.2 ℃,夏季空气调节室外计算湿球温度为28.4 ℃;冬季空气调节室外计算干球温度为-2.6 ℃,冬季最冷月室外计算相对湿度为77%。武汉市全年日干球温度变化曲线见图1。

图1 全年日干球温度变化曲线

2.2 室内设计参数

根据该项目的定位、特点及未来使用情况,明确室内设计参数,使之更加贴近实际使用情况,室内设计参数见表1。

表1 室内设计参数

2.3 负荷计算

采用DeST软件模拟购物中心8 760 h空调负荷,在建模计算时设定不同作息时间,优化边界条件及参数设置,使模型更加贴近实际使用情况,精确预测全年逐时空调负荷分布,结果见图2。计算结果与原方案冷负荷估算值(23 200 kW)相比较,尖峰冷负荷降至16 151 kW,降幅达到了30%,单位空调面积冷负荷为182 W/m2,单位建筑面积冷负荷为117 W/m2。负荷率小于30%的总运行时间占全年运行时间的50%左右,因而需要考虑冷水机组搭配来提升全年平均负荷率。

图2 全年逐时空调负荷分布

3 高效制冷机房的冷源设计

3.1 冷水机组的选型设计

考虑到该项目业态的不确定性、持续出现极端天气的可能性及目前冷负荷指标已经相对优化,最终选取不保障小时数为0,与业主开会商讨后,一致认为应考虑10%的安全余量,最终确认该项目购物中心冷水机组装机总容量为17 585 kW。

无论冷水机组如何选择,高效制冷机房必须配备优良的输配系统,优良的输配系统设计仅需要增加一定的变频器及管道成本。该项目冷水输配系数不低于60,冷却水输配系数不低于60,冷却塔输配系数不低于120。

基于绿色建筑2星级要求,对10种冷水机组组合方案进行了模拟计算,得出了不同冷水机组搭配方案下制冷机房全年平均设计能效比EER、冷水机组全年COP、冷水机组初投资及其全寿命周期费用,模拟结果见表2。

从表2可以得出,冷水机组全年COP越高,全寿命周期费用越低,但不同冷水机组搭配方案的全寿命周期费用差距不大,因此冷水机组搭配方案需要从制冷机房全年能效比、初投资及招投标等多角度进行综合考虑。

从该项目的实际出发,经与业主讨论确认,该项目制冷机房全年平均设计能效比目标设定为5.2 以上,并选定方案8为该项目的冷水机组搭配方案。但是在实际的招投标采购中发现,业主方要求的三大品牌有部分厂家没有3 517 kW的磁悬浮冷水机组,最终与业主方协商,采用变频离心式冷水机组代替磁悬浮冷水机组。

3.2 输配系统的优化设计

为保证实现该项目高效制冷机房全年平均设计能效比5.2的目标,冷水循环泵的设计扬程为28 m,冷却水循环泵的设计扬程为24 m,且不盲目设置安全系数。主要从以下几个方面进行优化控制。

1) 水泵选型要合理,设计工作点效率不低于80%,并采用合理的变频策略,尽量使水泵全年运行在高效区间。在供冷量一定的情况下,冷水系统

表2 不同冷水机组搭配方案模拟结果对比

输配系数与供回水温差、系统阻力及水泵效率相关,在满足输配系数不低于60的条件下,冷水系统最大允许阻力与供回水温差之间有若干组合关系,见图3。

图3 冷水系统最大允许阻力与供回水温差的组合关系

从图3可以看出,水泵效率越低,冷水系统最大允许阻力越小。结合该项目实际情况,最终确认该项目水泵的设计工作点效率不低于80%。

2) 优化管道走向,降低弯头和三通的阻力损失。在不增加弯头数量的前提下,将1个直角弯头优化成1个135°斜角弯头;将直流三通优化成顺流斜三通。基于以上原则,对该项目制冷机房的管道进行了优化设计,并采用BIM建模辅助设计。

3) 优化阀门设置。在兼顾后期水力平衡调试的前提下,尽量减小平衡阀等级：仅在每层水平干管上设置静态流量平衡阀,风机盘管末端设置电动两通阀,空调箱末端设比例积分电动调节阀,保证各冷水支路全年供回水平均温差均不小于5 ℃。

4) 适当放大总管管径是降低管网阻力最有效的办法。常规做法按推荐比摩阻100～300 Pa/m进行管道设计,比摩阻最高不超过400 Pa/m[4]。该项目对制冷机房内外总管管径的不同组合方案进行了详细的水管水力计算,计算结果见表3、4。

表3 不同冷水总管管径最不利环路水力计算结果对比

表4 不同冷却水总管管径最不利环路水力计算结果对比

从表3、4可以看出,要实现该项目冷水泵低扬程28 m和冷却水泵低扬程24 m目标,总管管径比常规做法要大2～3个型号。最终冷水总管管径按表3的方案5设计,冷却水总管管径按表4的方案4设计。

3.3 冷却塔的优化设计

为保证该项目高效制冷机房的实施,冷却塔的设计也比较重要,冷却塔不仅需要良好的位置条件及气流组织,也需要更高的设备性能要求。

1) 尽量避免热力回流,确保冷却塔气流组织顺畅,降低逼近度,降低冷凝温度。原方案设计将冷却塔设于6层南侧电影院旁边(见图4),该方案冷却塔为单侧通风设计,通风效果较差。优化后实际落地方案是将冷却塔设置在5层东侧屋面上(见图5),该方案冷却塔采用双侧通风设计,通风效果良好,也减小了冷却水总管在水平方向的敷设距离,有利于冷却水系统的设计与实施。

图4 原冷却塔位置

图5 优化后冷却塔位置

2) 冷却塔功率越低,冷却塔输配系数越高,冷却塔体积越大。综合考虑该项目冷却塔输配系数不低于120及屋顶冷却塔空间位置有限,最终校核选取单台冷却塔风机电动机功率为37 kW。

3) 冷却塔采用先进的布水技术,并设置一体式集水槽,使冷却塔布水更均匀,限定布水压头,提升冷却水系统输配效率;冷却塔风机采用变频技术,为多塔并联联合变频调节奠定良好的基础;校核冷却塔的容量,增加20%～30%的余量,以便提供应对极端天气的散热能力并降低冷却水供水温度,提升全年能效,保证冷却塔输配系数不低于120。

3.4 主要控制策略

前述内容为高效机房的“硬件”部分,智能控制系统则为其“软件”部分,良好的软件也是整个高效机房运行能达到预期的必要条件。该项目高效制冷机房主要控制策略如下。

3.4.1冷水机组群控

1) 加机控制：以冷水机组负荷率和冷水供水温度为依据,若冷水供水温度持续20 min高于7 ℃并不断上升、其负荷率持续20 min高于设定值时,加开1台冷水机组。

2) 减机控制：以冷水机组负荷率和冷水供水温度为依据,当机组负荷率持续20 min低于设定值,且经计算减少正在运行的机组中的任何1台的供冷量仍满足系统需求时,则减少对应的冷水机组(减机序列中不应包含变频冷水机组)。

3) 控制策略：调节进口导叶角度来控制单台定频冷水机组冷量,当只有1台冷水机组运行时,要确保该冷水机组为变频冷水机组。

3.4.2冷水泵控制

1) 最不利环路压差控制：按建筑不同方位,监控4～5个最不利环路末端压差,探测器设置在不同方位功能区潜在最不利环路顶层。

2) 水泵联合变频控制：根据水泵厂家提供的产品内置性能曲线进行效率-流量曲线拟合,结合实际流量需求,计算最优开启台数,在确定水泵开启台数后,根据实际流量与额定流量的比例,确定水泵运行频率。

3.4.3冷却塔控制

在冷却塔等效换热系数和室外湿球温度一定的条件下,影响冷却塔换热效率的主要因素是风水比,即流经冷却塔的空气与水的质量比。风水比越大,换热就越充分,就越能降低逼近度,获得更低的冷却水供水温度,提高冷却塔换热效果和冷水机组运行能效。但风水比的增大会带来风机能耗的增加,反而降低冷却塔输配系数。因此,需要对冷却塔和冷水机组进行联合寻优控制,通过冷却塔台数与风机频率的控制,实现最优的冷却水系统运行性能。

冷却塔采用统一变频策略。冷却塔风机频率每15 min触发1次。冷却塔风机的初始频率设定为45 Hz。当冷水机组运行台数等于1且风水比大于设定值时,开启4组冷却塔,下调冷却塔风机频率5 Hz;若风水比小于设定值,上调风机频率5 Hz,若持续时间超过设定值,则增加频率直至50 Hz。当冷水机组运行台数大于等于2时,开启所有冷却塔,若风水比大于设定值,下调冷却塔风机频率5 Hz;若风水比小于设定值,上调风机频率5 Hz,若持续时间超过设定值,则增大频率直至50 Hz。

4 运行性能检测

2022年7月15日,委托广州某公司对该项目高效制冷机房进行了实际运行性能检测。检测持续时段为2022年7月18—24日,每日10：00—21：00。该项目高效制冷机房运行性能检测结果见表5。

表5 高效制冷机房运行性能检测结果

经计算,冷水系统平均输配系数为87.13,冷却水系统平均输配系数为86.72,冷却塔平均输配系数为118.62,冷水机组平均制冷性能系数为6.29,制冷机房平均运行能效比为5.16。以上各项指标与设计要求基本吻合,达到了该项目高效制冷机房的预期目标。

虽然该项目高效制冷机房的检测平均运行能效比达到5.16,但其实际运行能效比仍然有提升空间,主要有以下几个方面。

1) 本次测试期间刚好是武汉最热的几天,室外气温最高达38.9 ℃,主机在80%以上负荷率下运行,对比武汉室外设计计算温度35.2 ℃,以及实际大部分时间为部分负荷运行,因而测试结果有些偏低。根据后期数据反馈,2022年7月25日至10月3日制冷机房日总制冷量与运行能效比变化曲线如图6所示,在部分负荷下的EER达到6.0以上,平均运行能效比EER为5.54。

图6 制冷机房日总制冷量与运行能效比变化曲线

2) 磁悬浮变频离心机保证冷水机组在低负荷率下仍可高效运行,大幅减少了低负荷率下的用能成本,提升了制冷机房运行能效比。某国产品牌3 517 kW磁悬浮变频冷水机组、常规变频冷水机组及常规定频冷水机组COP对比见图7。从图7可以看出,该品牌磁悬浮冷水机组在60%负荷率以下有着明显的节能优势。因此,若该项目采用磁悬浮变频冷水机组代替常规变频冷水机组,制冷机房实际运行能效比预测可以达到5.6以上,甚至更高。

图7 某国产品牌3 517 kW不同类型冷水机组COP对比

3) 该项目实际招标采购的定频离心机COP按国标要求提高9%设计,若按国标要求提高12%设计,成本增加有限,10 a可收回投资,可以增加绿色建筑得分,制冷机房的运行能效比也可得到进一步提升。

4) 该项目在设计时适当采用135°斜角弯头和斜流三通、低阻力阀门等措施来降低管网阻力,水泵选型仅考虑5%的余量系数,但实际施工为了方便、快捷和省钱,没有按设计落实到位,使水泵的实际运行压差比设计值高5%～10%。若按设计实施,输配系数还能进一步提升。

5) 冷源群控系统可以从自动运行进一步实现智慧运行、效果预测检验与自学习控制,能够根据本地气象实时数据进行节能运行调节,例如,供水温度设定值根据室外湿球温度再设定、冷却塔出水温度设定值根据室外湿球温度再设定、冷水温差根据最不利点供冷效果再设定、冷水机组台数控制最佳负荷率区间根据运行数据自学习等,可以进一步实现系统精细化控制,从而提升制冷机房的运行能效比。

5 结束语

在设计高效制冷机房时,应在对建筑进行8 760 h动态负荷计算和分析的基础上,优化空调冷热源、输配、末端及控制系统设计方案,将预期目标层层分解和专项破解,从目标设定到设计阶段,再到招投标、施工质量管理和验收调试,形成闭环。

在武汉光谷大悦城高效制冷机房设计中,采用了大量的优化设计方案,如采用135°斜角弯头和斜流三通、低阻力阀门等措施来降低管网阻力,以及使用高效冷水机组等,但在项目实际落地时出现了些许偏差,若能加强招投标和施工质量管理,使设计真正落地,那么制冷机房运行能效比还可以进一步提升,运行能效比甚至可以达到5.6以上。