合肥市某项目高效制冷机房设计分析

张文涛 （安徽置地投资有限公司，安徽 合肥 230031）

1 项目概况

1.1 基本信息

合肥市某住宅小区建设地点位于合肥市滨湖区上海路附近，总建筑面积24491.57m2，共有三栋住宅楼，建筑高度60.00m，其中地下1 层、地上13 层。项目以建设科技为引领，以建筑节能为目的，目前已经成功取得了中国绿色建筑评价三星设计认证。

1.2 系统设计目标

制冷机房集中设置在地下室，采用高能效制冷机房技术保证空调系统的稳定、高效、节能运行。高效制冷机房系统设计综合能效比EERad 大于5.0，能效等级不低于2级。

2 建筑负荷计算

2.1 合肥气候特点

合肥市属于夏热冬冷地区，平均温度14℃～17℃，1月为最冷月，平均温度-1℃～4℃；7 月为最热月，平均温度27℃～29℃[2]。

2.2 全年运行时间确定

通过对周边类似项目调研并与项目运营公司沟通了解，预计每年夏季供冷时间在5 月1 日～9 月30 日，每年冬季供热时间预计在12月5日～3月4日。

2.3 全年冷热负荷模拟分析

结合合肥市典型年天气数据，通过逐时气象参数，确认各负荷分配比例，确认全年综合能效预期目标。利用DeST软件建立建筑模型后，设定计算参数，包括定义建筑物的地理位置、维护结构类型、室内热绕参数、房间功能、室内设计参数、全年内扰及空调作息模式等[3]。按《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）要求，进行了全年逐时冷热负荷模拟，同时对建筑全年运行中的冷热负荷占比情况进行了分析。

对于该项目，空调总冷负荷主要由设备及照明负荷、人员热湿负荷、新风负荷、围护结构负荷组成。其中设备及照明负荷受室外温度湿度及太阳辐射强度影响小，在空调使用期间负荷相对稳定，按照《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449-2018）附录C 建筑供暖和空调系统模拟计算运行参数及其他相关规范要求计算。人员热湿负荷受室外温度、湿度及太阳辐射强度影响小，主要与室内人员数量有关。按照《实用供热空调设计手册》相关要求计算，新风负荷受室外空气温湿度（焓值）及室内人员数量影响，室内人员密度按照《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449-2018）附录C 建筑供暖和空调系统模拟计算运行参数相关要求计算，则可通过室外焓值变化模拟计算出各时段新风负荷。维护结构负荷受室外温度及太阳辐射强度影响，因此该部分负荷的大小可以通过室外空气干球温度及太阳辐射情况进行计算。

基于以上负荷特征，可以模拟出全年供冷运行负荷分布情况，如图1～图3所示。通过模拟结果得出以下两点结论。

图1 合肥市全年逐时温度变化曲线

图2 合肥市全年逐时温度变化曲线（制冷）

图3 合肥市全年逐时温度变化曲线（制热）

①全年冷负荷约为2558759kW·h，全年热负荷约1690673kW·h，冷负荷比热负荷多51%，冷热不平衡较大。因此在选择设备时，应考虑辅助散热措施。

②制冷机组大部分时间处于部分负荷运行状态。夏季设计负荷百分比为30%～40%时运行时间最长，为541h，约占总运行时间的16.1%；而满负荷运行只有49h，约占总运行时间的1.5%。冬季设计负荷百分比为70%～80%时，运行时间最长，为533h，约占总运行时间的24.6%；而满负荷运行只有184h，约占总运行时间的8.5%。因此在制冷主机设备选择时，应优先选择部分负荷下能效高的设备机组。

3 冷热源系统设计

3.1 地源热泵技术的应用

地源热泵技术是利用浅层地热能实现建筑供冷供暖的技术，是清洁能源供暖技术中非常重要的一环[4]。地源热泵技术是以常温土壤或地表水（地下水）为热源，冬季从地下提取热量，夏季把建筑的热量又存入地下，从而解决冬夏两季采暖和空调的冷热源问题。尤其在住宅小区中利用地源热泵技术能够避免设置锅炉房，较好地解决了热源的问题。地源热泵技术属于可再生能源利用技术，也是受国家政策支持的新型节能环保空调采暖技术。

本项目设计采用垂直式地埋管地源热泵中央空调系统。冬季，地源热泵机组运行满足全部热负荷；夏季，地源热泵机组运行满足部分冷负荷。考虑在实际运行过程中，夏季向土壤的散热量比冬季取热量大，设计冷却塔辅助夏季散热，解决土壤热平衡问题。埋管数量根据空调装机热负荷进行计算，本文不再详细介绍。

3.2 冷热源设备选型

本项目夏季空调计算冷负荷为1947.88kW，单位建筑面积冷负荷为106.98W；冬季空调计算热负荷1125.15kW，单位建筑面积热负荷58.28W。

选用高效的设备是实现高效制冷机房的基础，需特别注意制冷机组负荷下的运行性能系数。该阶段的主要工作内容是确定冷水机组和冷却塔型号及台数，基本思路是利用仿真工具分别搭建冷水机组和冷却塔性能仿真模型，在预设控制策略的基础上，验证该设计方案的冷水机组设计综合性能系数和冷却水供水温度是否满足设计目标值的要求。需要强调的是针对冷水机组和冷却塔的性能仿真均是基于全年工况。

本项目高效制冷机房设计的地源热泵系统采用2 台变频螺杆式热泵机组、1台变频螺杆式水冷机组，冷水温度分别为7℃/12℃，热水温度分别为45℃/50℃，地源夏季温度为25/30℃，冬季温度为10/5℃；冷却塔供、回水温度为31/36℃。辅助冷热源选用1 台冷却能力为165t/h 的低噪音横流冷却塔，设置在通风良好的位置，进、出水温度为36℃/31℃，冷却塔对应螺杆式水冷机组运行。

表1 名义工况下地源热泵机组和变频螺杆式水冷机组参数

表2 循环水泵优化选型前后主要技术参数对比表

4 输配系统的设计

空调水系统设计包括冷冻水系统和冷却水系统。该阶段的主要工作内容是通过对空调水系统进行优化设计，合理选取冷冻水泵和冷却水泵及其阀部件。

4.1 利用BIM技术优化输配管网

在暖通空调设计过程中对BIM 技术进行有效应用，设计人员可根据准确的数据信息对设计方案进行改进和优化，提高暖通空调设计的科学性以及合理性[5]。主要技术措施为降低制冷主机水压降、提高设备的工作效率；充分利用机房空间，尽可能使用45°弯头及低阻力阀件；冷水机组进口与水泵出口处于同一高度，减少弯头数量；合理布置管道，避免翻弯；使用阻力小的水处理设备，避免使用管道直通式水处理设备。BIM设计成果如图4所示。

图4 机房BIM模型

BIM 技术也为后期的施工提供可视化的技术指导，提升了施工质量，为高效制冷机房的可靠运行奠定了基础。另外，BIM 模型可以进行模拟仿真，帮助管理者定位和识别运行维护阶段潜在的危险，并提出系统的解决方案和应急措施，确保了高效机房最终的运行能效，真正实现项目的高效节能。

表3 高效制冷机房能效模拟结果

4.2 循环水泵的设计

高效机房选用的冷冻水泵和冷却水泵的效率应不低于现行《清水离心泵能效限定值及节能评价值》（GB 19762-2007）规定的节能评价值。泵电机效率应满足现行标准《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2020）规定中的2 级及以上能效的要求。最终优化后设备选型如表2所示。

5 方案评价

根据高效制冷机房设备配置，制冷机房总配置供冷能力为1940kW。结合制冷机房供冷区域在不同时间段的负荷模拟数据，可以模拟出制冷机房各设备在不同负载率下的运行小时数、耗电量，最终得到模拟全年平均能效。

高效制冷机房全时段年模拟供冷量为2558759kW·h，年模拟用电量为481016kW·h。

水泵、冷却塔、风机采用变频系统，参数配置按照优化后高效制冷机房设备参数进行配置，通过智能控制系统及能效优化管理系统，经计算得出制冷机房模拟全年平均能效为5.32kW/kW。

6 结束语

地源热泵中央空调系统采用高效制冷机房技术，其节能优势更加明显，因此在设计高效制冷机房时，可以结合其他的高效节能系统，如冰蓄冷技术、地源热泵技术等。

本文进行了全年逐时冷热负荷模拟，同时对建筑全年运行中的冷热负荷占比情况进行分析，得出制冷机组大部分时间处于部分负荷运行状态。因此在制冷主机设备选择时，应优先选择部分负荷下能效高的设备机组。

本文借助建筑能耗模拟软件和BIM机电管网模拟软件，提升了高效制冷机房性能化设计效率和可靠性。通过深化设计及设计优化，使问题在施工前得以解决，确保了输配系统实施的可行性，为设备选型提供了可靠的依据。