印傳軍 吳兆武 魏慶芃 陳焰華

(1.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢;2.清華大學(xué),北京)

0 引言

在我國公共建筑中,制冷機(jī)房能耗占據(jù)了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗的絕大部分,其能耗占比達(dá)到了70%左右[1]。國家發(fā)展和改革委員會(huì)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、財(cái)政部等七部委于2019年6月13日聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》,明確要求到2030年,大型公共建筑制冷能效提升30%,制冷總體能效水平提升25%以上,綠色高效制冷產(chǎn)品市場(chǎng)占有率提高40%以上,實(shí)現(xiàn)年節(jié)電4 000億kW·h左右[1]。2021年10月,為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),我國接連出臺(tái)了關(guān)于碳達(dá)峰和碳中和的相關(guān)工作意見及行動(dòng)方案,明確了能源轉(zhuǎn)型發(fā)展目標(biāo)。因此,制冷機(jī)房的高效設(shè)計(jì),不僅符合我國國情和政策,也能減少對(duì)能源的消耗,還能推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和綠色低碳轉(zhuǎn)型。

1 工程概況

武漢光谷大悅城位于武漢市光谷開發(fā)區(qū),包含購物中心、甲級(jí)辦公樓及地下室。其中,購物中心為集零售、餐飲、電影院等功能為一體的商業(yè)綜合體,地上6層、地下3層,地下1層局部設(shè)有零售、餐飲及超市,地上和地下商業(yè)總建筑面積為136 446 m2。

武漢夏季氣候的顯著特點(diǎn)是高溫高濕,且供冷周期較長,因此其空調(diào)通風(fēng)能耗比一般公共建筑要高。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究表明,目前國內(nèi)90%的制冷機(jī)房全年平均能效比為2.5～3.5,如果采用一些合理可靠的技術(shù)手段將制冷機(jī)房能效從3.5提升到5.0,制冷機(jī)房的耗電量能降低30%[2]。本文主要針對(duì)該項(xiàng)目的購物中心高效制冷機(jī)房進(jìn)行設(shè)計(jì)總結(jié)和探討。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及負(fù)荷計(jì)算

2.1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

武漢夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為35.2 ℃,夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度為28.4 ℃;冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為-2.6 ℃,冬季最冷月室外計(jì)算相對(duì)濕度為77%。武漢市全年日干球溫度變化曲線見圖1。

圖1 全年日干球溫度變化曲線

2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)該項(xiàng)目的定位、特點(diǎn)及未來使用情況,明確室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù),使之更加貼近實(shí)際使用情況,室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 負(fù)荷計(jì)算

采用DeST軟件模擬購物中心8 760 h空調(diào)負(fù)荷,在建模計(jì)算時(shí)設(shè)定不同作息時(shí)間,優(yōu)化邊界條件及參數(shù)設(shè)置,使模型更加貼近實(shí)際使用情況,精確預(yù)測(cè)全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷分布,結(jié)果見圖2。計(jì)算結(jié)果與原方案冷負(fù)荷估算值(23 200 kW)相比較,尖峰冷負(fù)荷降至16 151 kW,降幅達(dá)到了30%,單位空調(diào)面積冷負(fù)荷為182 W/m2,單位建筑面積冷負(fù)荷為117 W/m2。負(fù)荷率小于30%的總運(yùn)行時(shí)間占全年運(yùn)行時(shí)間的50%左右,因而需要考慮冷水機(jī)組搭配來提升全年平均負(fù)荷率。

圖2 全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷分布

3 高效制冷機(jī)房的冷源設(shè)計(jì)

3.1 冷水機(jī)組的選型設(shè)計(jì)

考慮到該項(xiàng)目業(yè)態(tài)的不確定性、持續(xù)出現(xiàn)極端天氣的可能性及目前冷負(fù)荷指標(biāo)已經(jīng)相對(duì)優(yōu)化,最終選取不保障小時(shí)數(shù)為0,與業(yè)主開會(huì)商討后,一致認(rèn)為應(yīng)考慮10%的安全余量,最終確認(rèn)該項(xiàng)目購物中心冷水機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘繛?7 585 kW。

無論冷水機(jī)組如何選擇,高效制冷機(jī)房必須配備優(yōu)良的輸配系統(tǒng),優(yōu)良的輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅需要增加一定的變頻器及管道成本。該項(xiàng)目冷水輸配系數(shù)不低于60,冷卻水輸配系數(shù)不低于60,冷卻塔輸配系數(shù)不低于120。

基于綠色建筑2星級(jí)要求,對(duì)10種冷水機(jī)組組合方案進(jìn)行了模擬計(jì)算,得出了不同冷水機(jī)組搭配方案下制冷機(jī)房全年平均設(shè)計(jì)能效比EER、冷水機(jī)組全年COP、冷水機(jī)組初投資及其全壽命周期費(fèi)用,模擬結(jié)果見表2。

從表2可以得出,冷水機(jī)組全年COP越高,全壽命周期費(fèi)用越低,但不同冷水機(jī)組搭配方案的全壽命周期費(fèi)用差距不大,因此冷水機(jī)組搭配方案需要從制冷機(jī)房全年能效比、初投資及招投標(biāo)等多角度進(jìn)行綜合考慮。

從該項(xiàng)目的實(shí)際出發(fā),經(jīng)與業(yè)主討論確認(rèn),該項(xiàng)目制冷機(jī)房全年平均設(shè)計(jì)能效比目標(biāo)設(shè)定為5.2 以上,并選定方案8為該項(xiàng)目的冷水機(jī)組搭配方案。但是在實(shí)際的招投標(biāo)采購中發(fā)現(xiàn),業(yè)主方要求的三大品牌有部分廠家沒有3 517 kW的磁懸浮冷水機(jī)組,最終與業(yè)主方協(xié)商,采用變頻離心式冷水機(jī)組代替磁懸浮冷水機(jī)組。

3.2 輸配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保證實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房全年平均設(shè)計(jì)能效比5.2的目標(biāo),冷水循環(huán)泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為28 m,冷卻水循環(huán)泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為24 m,且不盲目設(shè)置安全系數(shù)。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化控制。

1) 水泵選型要合理,設(shè)計(jì)工作點(diǎn)效率不低于80%,并采用合理的變頻策略,盡量使水泵全年運(yùn)行在高效區(qū)間。在供冷量一定的情況下,冷水系統(tǒng)

表2 不同冷水機(jī)組搭配方案模擬結(jié)果對(duì)比

輸配系數(shù)與供回水溫差、系統(tǒng)阻力及水泵效率相關(guān),在滿足輸配系數(shù)不低于60的條件下,冷水系統(tǒng)最大允許阻力與供回水溫差之間有若干組合關(guān)系,見圖3。

圖3 冷水系統(tǒng)最大允許阻力與供回水溫差的組合關(guān)系

從圖3可以看出,水泵效率越低,冷水系統(tǒng)最大允許阻力越小。結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際情況,最終確認(rèn)該項(xiàng)目水泵的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)效率不低于80%。

2) 優(yōu)化管道走向,降低彎頭和三通的阻力損失。在不增加彎頭數(shù)量的前提下,將1個(gè)直角彎頭優(yōu)化成1個(gè)135°斜角彎頭;將直流三通優(yōu)化成順流斜三通。基于以上原則,對(duì)該項(xiàng)目制冷機(jī)房的管道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并采用BIM建模輔助設(shè)計(jì)。

3) 優(yōu)化閥門設(shè)置。在兼顧后期水力平衡調(diào)試的前提下,盡量減小平衡閥等級(jí)：僅在每層水平干管上設(shè)置靜態(tài)流量平衡閥,風(fēng)機(jī)盤管末端設(shè)置電動(dòng)兩通閥,空調(diào)箱末端設(shè)比例積分電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,保證各冷水支路全年供回水平均溫差均不小于5 ℃。

4) 適當(dāng)放大總管管徑是降低管網(wǎng)阻力最有效的辦法。常規(guī)做法按推薦比摩阻100～300 Pa/m進(jìn)行管道設(shè)計(jì),比摩阻最高不超過400 Pa/m[4]。該項(xiàng)目對(duì)制冷機(jī)房內(nèi)外總管管徑的不同組合方案進(jìn)行了詳細(xì)的水管水力計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3、4。

表3 不同冷水總管管徑最不利環(huán)路水力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表4 不同冷卻水總管管徑最不利環(huán)路水力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表3、4可以看出,要實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目冷水泵低揚(yáng)程28 m和冷卻水泵低揚(yáng)程24 m目標(biāo),總管管徑比常規(guī)做法要大2～3個(gè)型號(hào)。最終冷水總管管徑按表3的方案5設(shè)計(jì),冷卻水總管管徑按表4的方案4設(shè)計(jì)。

3.3 冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保證該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房的實(shí)施,冷卻塔的設(shè)計(jì)也比較重要,冷卻塔不僅需要良好的位置條件及氣流組織,也需要更高的設(shè)備性能要求。

1) 盡量避免熱力回流,確保冷卻塔氣流組織順暢,降低逼近度,降低冷凝溫度。原方案設(shè)計(jì)將冷卻塔設(shè)于6層南側(cè)電影院旁邊(見圖4),該方案冷卻塔為單側(cè)通風(fēng)設(shè)計(jì),通風(fēng)效果較差。優(yōu)化后實(shí)際落地方案是將冷卻塔設(shè)置在5層?xùn)|側(cè)屋面上(見圖5),該方案冷卻塔采用雙側(cè)通風(fēng)設(shè)計(jì),通風(fēng)效果良好,也減小了冷卻水總管在水平方向的敷設(shè)距離,有利于冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

圖4 原冷卻塔位置

圖5 優(yōu)化后冷卻塔位置

2) 冷卻塔功率越低,冷卻塔輸配系數(shù)越高,冷卻塔體積越大。綜合考慮該項(xiàng)目冷卻塔輸配系數(shù)不低于120及屋頂冷卻塔空間位置有限,最終校核選取單臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為37 kW。

3) 冷卻塔采用先進(jìn)的布水技術(shù),并設(shè)置一體式集水槽,使冷卻塔布水更均勻,限定布水壓頭,提升冷卻水系統(tǒng)輸配效率;冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù),為多塔并聯(lián)聯(lián)合變頻調(diào)節(jié)奠定良好的基礎(chǔ);校核冷卻塔的容量,增加20%～30%的余量,以便提供應(yīng)對(duì)極端天氣的散熱能力并降低冷卻水供水溫度,提升全年能效,保證冷卻塔輸配系數(shù)不低于120。

3.4 主要控制策略

前述內(nèi)容為高效機(jī)房的“硬件”部分,智能控制系統(tǒng)則為其“軟件”部分,良好的軟件也是整個(gè)高效機(jī)房運(yùn)行能達(dá)到預(yù)期的必要條件。該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房主要控制策略如下。

3.4.1冷水機(jī)組群控

1) 加機(jī)控制：以冷水機(jī)組負(fù)荷率和冷水供水溫度為依據(jù),若冷水供水溫度持續(xù)20 min高于7 ℃并不斷上升、其負(fù)荷率持續(xù)20 min高于設(shè)定值時(shí),加開1臺(tái)冷水機(jī)組。

2) 減機(jī)控制：以冷水機(jī)組負(fù)荷率和冷水供水溫度為依據(jù),當(dāng)機(jī)組負(fù)荷率持續(xù)20 min低于設(shè)定值,且經(jīng)計(jì)算減少正在運(yùn)行的機(jī)組中的任何1臺(tái)的供冷量仍滿足系統(tǒng)需求時(shí),則減少對(duì)應(yīng)的冷水機(jī)組(減機(jī)序列中不應(yīng)包含變頻冷水機(jī)組)。

3) 控制策略：調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉角度來控制單臺(tái)定頻冷水機(jī)組冷量,當(dāng)只有1臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí),要確保該冷水機(jī)組為變頻冷水機(jī)組。

3.4.2冷水泵控制

1) 最不利環(huán)路壓差控制：按建筑不同方位,監(jiān)控4～5個(gè)最不利環(huán)路末端壓差,探測(cè)器設(shè)置在不同方位功能區(qū)潛在最不利環(huán)路頂層。

2) 水泵聯(lián)合變頻控制：根據(jù)水泵廠家提供的產(chǎn)品內(nèi)置性能曲線進(jìn)行效率-流量曲線擬合,結(jié)合實(shí)際流量需求,計(jì)算最優(yōu)開啟臺(tái)數(shù),在確定水泵開啟臺(tái)數(shù)后,根據(jù)實(shí)際流量與額定流量的比例,確定水泵運(yùn)行頻率。

3.4.3冷卻塔控制

在冷卻塔等效換熱系數(shù)和室外濕球溫度一定的條件下,影響冷卻塔換熱效率的主要因素是風(fēng)水比,即流經(jīng)冷卻塔的空氣與水的質(zhì)量比。風(fēng)水比越大,換熱就越充分,就越能降低逼近度,獲得更低的冷卻水供水溫度,提高冷卻塔換熱效果和冷水機(jī)組運(yùn)行能效。但風(fēng)水比的增大會(huì)帶來風(fēng)機(jī)能耗的增加,反而降低冷卻塔輸配系數(shù)。因此,需要對(duì)冷卻塔和冷水機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合尋優(yōu)控制,通過冷卻塔臺(tái)數(shù)與風(fēng)機(jī)頻率的控制,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行性能。

冷卻塔采用統(tǒng)一變頻策略。冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率每15 min觸發(fā)1次。冷卻塔風(fēng)機(jī)的初始頻率設(shè)定為45 Hz。當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)等于1且風(fēng)水比大于設(shè)定值時(shí),開啟4組冷卻塔,下調(diào)冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率5 Hz;若風(fēng)水比小于設(shè)定值,上調(diào)風(fēng)機(jī)頻率5 Hz,若持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定值,則增加頻率直至50 Hz。當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)大于等于2時(shí),開啟所有冷卻塔,若風(fēng)水比大于設(shè)定值,下調(diào)冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率5 Hz;若風(fēng)水比小于設(shè)定值,上調(diào)風(fēng)機(jī)頻率5 Hz,若持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定值,則增大頻率直至50 Hz。

4 運(yùn)行性能檢測(cè)

2022年7月15日,委托廣州某公司對(duì)該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行性能檢測(cè)。檢測(cè)持續(xù)時(shí)段為2022年7月18—24日,每日10：00—21：00。該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房運(yùn)行性能檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 高效制冷機(jī)房運(yùn)行性能檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,冷水系統(tǒng)平均輸配系數(shù)為87.13,冷卻水系統(tǒng)平均輸配系數(shù)為86.72,冷卻塔平均輸配系數(shù)為118.62,冷水機(jī)組平均制冷性能系數(shù)為6.29,制冷機(jī)房平均運(yùn)行能效比為5.16。以上各項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求基本吻合,達(dá)到了該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房的預(yù)期目標(biāo)。

雖然該項(xiàng)目高效制冷機(jī)房的檢測(cè)平均運(yùn)行能效比達(dá)到5.16,但其實(shí)際運(yùn)行能效比仍然有提升空間,主要有以下幾個(gè)方面。

1) 本次測(cè)試期間剛好是武漢最熱的幾天,室外氣溫最高達(dá)38.9 ℃,主機(jī)在80%以上負(fù)荷率下運(yùn)行,對(duì)比武漢室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度35.2 ℃,以及實(shí)際大部分時(shí)間為部分負(fù)荷運(yùn)行,因而測(cè)試結(jié)果有些偏低。根據(jù)后期數(shù)據(jù)反饋,2022年7月25日至10月3日制冷機(jī)房日總制冷量與運(yùn)行能效比變化曲線如圖6所示,在部分負(fù)荷下的EER達(dá)到6.0以上,平均運(yùn)行能效比EER為5.54。

圖6 制冷機(jī)房日總制冷量與運(yùn)行能效比變化曲線

2) 磁懸浮變頻離心機(jī)保證冷水機(jī)組在低負(fù)荷率下仍可高效運(yùn)行,大幅減少了低負(fù)荷率下的用能成本,提升了制冷機(jī)房運(yùn)行能效比。某國產(chǎn)品牌3 517 kW磁懸浮變頻冷水機(jī)組、常規(guī)變頻冷水機(jī)組及常規(guī)定頻冷水機(jī)組COP對(duì)比見圖7。從圖7可以看出,該品牌磁懸浮冷水機(jī)組在60%負(fù)荷率以下有著明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。因此,若該項(xiàng)目采用磁懸浮變頻冷水機(jī)組代替常規(guī)變頻冷水機(jī)組,制冷機(jī)房實(shí)際運(yùn)行能效比預(yù)測(cè)可以達(dá)到5.6以上,甚至更高。

圖7 某國產(chǎn)品牌3 517 kW不同類型冷水機(jī)組COP對(duì)比

3) 該項(xiàng)目實(shí)際招標(biāo)采購的定頻離心機(jī)COP按國標(biāo)要求提高9%設(shè)計(jì),若按國標(biāo)要求提高12%設(shè)計(jì),成本增加有限,10 a可收回投資,可以增加綠色建筑得分,制冷機(jī)房的運(yùn)行能效比也可得到進(jìn)一步提升。

4) 該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)采用135°斜角彎頭和斜流三通、低阻力閥門等措施來降低管網(wǎng)阻力,水泵選型僅考慮5%的余量系數(shù),但實(shí)際施工為了方便、快捷和省錢,沒有按設(shè)計(jì)落實(shí)到位,使水泵的實(shí)際運(yùn)行壓差比設(shè)計(jì)值高5%～10%。若按設(shè)計(jì)實(shí)施,輸配系數(shù)還能進(jìn)一步提升。

5) 冷源群控系統(tǒng)可以從自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)行、效果預(yù)測(cè)檢驗(yàn)與自學(xué)習(xí)控制,能夠根據(jù)本地氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行調(diào)節(jié),例如,供水溫度設(shè)定值根據(jù)室外濕球溫度再設(shè)定、冷卻塔出水溫度設(shè)定值根據(jù)室外濕球溫度再設(shè)定、冷水溫差根據(jù)最不利點(diǎn)供冷效果再設(shè)定、冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)控制最佳負(fù)荷率區(qū)間根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)等,可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精細(xì)化控制,從而提升制冷機(jī)房的運(yùn)行能效比。

5 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)高效制冷機(jī)房時(shí),應(yīng)在對(duì)建筑進(jìn)行8 760 h動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上,優(yōu)化空調(diào)冷熱源、輸配、末端及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,將預(yù)期目標(biāo)層層分解和專項(xiàng)破解,從目標(biāo)設(shè)定到設(shè)計(jì)階段,再到招投標(biāo)、施工質(zhì)量管理和驗(yàn)收調(diào)試,形成閉環(huán)。

在武漢光谷大悅城高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)中,采用了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,如采用135°斜角彎頭和斜流三通、低阻力閥門等措施來降低管網(wǎng)阻力,以及使用高效冷水機(jī)組等,但在項(xiàng)目實(shí)際落地時(shí)出現(xiàn)了些許偏差,若能加強(qiáng)招投標(biāo)和施工質(zhì)量管理,使設(shè)計(jì)真正落地,那么制冷機(jī)房運(yùn)行能效比還可以進(jìn)一步提升,運(yùn)行能效比甚至可以達(dá)到5.6以上。