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《中国高效空调制冷机房发展研究报告》---谈对冷却水系统节能设计与实践新认识

发布于2022-12-12 16:02 浏览次数:1289
摘要:为助力我国实现碳达峰、碳中和目标,高效空调制冷机房建设受到广泛关注和高度重视。研读《中国高效空调制冷机房发展研究报告》一书感触良多,受益匪浅,特别是书中多处谈到和冷却水系统节能设计与实践相关的问题,内容涵盖大温差技术、冷却水逼近度设置原则、降低冷却水系统输送能耗的技术措施、冷却塔如何在节能运行的前提下尽量降低冷却水温度、AI 级控制策略等新颖技术阐述,结合笔者参与工程实践,有拨得云开见月明之感。赶紧把心得记录下来,以期为近旁的同行抛砖引玉,不胜荣幸。

1、前言

      由中国建筑节能协会暖通空调分会牵头组织,全国工程勘察设计大师徐伟先生担任主编的《中国高效空调制冷机房发展研究报告》(以下简称报告)一书通过总结目前中国高效空调制冷机房在规划、设计、施工、调试、运维等各个不同阶段的专业阐述,详细分析了高效空调制冷机房的实施途径,是对高效空调制冷机房发展过程中权威的阐述。

      正如江亿院士所说:“合抱之木,生于毫末;九层之台,起于累土;千里之行,始于足下”,深信随着绿色节能理念和政策的深入贯彻,在各方的努力下,高效空调制冷机房行业必将蓬勃发展,以创新为基石走向构筑空调制冷机房高效节能之路。

2、冷却水系统的两个温差

      全面精细化实现高效制冷机房设计,归纳于对五大循环系统的深入研判后的能效提升,它们分别是:1)室内水风循环;2)冷水循环;3)制冷循环;4)冷却水循环;5)冷却塔水风换热循环,如下图所示。其中与冷却水系统节能直接相关的循环有冷却水循环和冷却塔风水换热循环。冷却水循环涉及冷却水供回水温差;冷却塔水风换热循环涉及冷却塔供水温度和室外湿球温度的温差,是为两个温差。

     《报告》P61-63 页阐述的内容总结下来就是,全年较好地提升制冷机房的能效须三管齐下:1)在满足室内温湿度的前提下,尽可能地提高制冷机组的出水温度;2)采取技术手段尽可能降低冷却水供水温度;3)在末端负荷需求降低时,通过冷水机组变频、水泵变频适应负荷降低的需求,达到部分负荷时节能的目的。

     冷却水的两个温差之一是指冷却水系统的循环温差,是 37℃-32℃还是 35℃-30℃,还是 40℃-32℃,还是其他;冷却水的另一个温差即逼近度,《报告》P83 页提到,冷却塔风机变频将被调至使得逼近度为 2.5℃固定温度,温差是指冷却水供水温度与湿球温度的差值,冷却水供水设定温度即等于湿球温度加 2.5℃,冷却水供水温度设定值将在 26℃-29℃左右变化。当然,我们知道冷却水供水温度降低 1℃,主机能耗将降低约 3%,对主机节省能耗有利。



2.1、冷却水大温差

      过去很长的一段时间内冷水系统大温差的设计及其理论为暖通设计行业所耳熟能详,相关论文阐述也很多,冷水大温差多为降低冷水出水温度,同时提高冷水回水温度为代表(姑且叫第一类大温差)如典型温差为 7℃即 6-13℃循环温度,末端采用吊装空调箱的大型购物中心项目,如笔者亲身经历的合肥万科广场购物中心项目,见文献[2]。这类大温差的本质是:在主机供水温度(出水温度低于 7℃)和既定温差(温差大于 5℃)下选型同时选择能效比高的冷水泵,在满足计算制冷量和规范的主机制冷量前提下,主机能耗的增加的数值小于水泵能耗的下降的数值,使得冷水循环侧的主机和水泵的综合能效最小。近年来出现的冷水侧大温差即中温冷水机组的大温差(姑且叫第二类大温差),即通过改进末端空调设备结构形式,只要空调机组出风干球温度控制在≤14℃以下,系统可以提供不同的供回水温度(供水温度大于 7℃,回水温度大于 12℃),冷水系统可以提供 9.5℃-14.5℃、8.8℃-14.8℃、8℃-15℃等不同的供回水温度组合,如文献三[3]中南京三山街大型购物中心高效制冷机房的大温差供回水温度为 10℃-16℃;文献四[4]提到的五邑大学教学楼高效制冷机房的供回水温度为 10℃-18℃,当然该项目较为特殊,是配合了改进的末端(需要采用全新的中温末端设备,从换热能力、出风温度、风侧压降、水侧压降等四个维度进行全面优化)及辅助电风扇的采用,能达到所需要的温湿度要求。因此第二个阶段的冷水大温差是提高供水温度,同时提高供回水温差的形式。下图为中温水大温差的六排管逆流换热图。采用中温变频空调系统制冷机房某项目能效可达到 6.85。



3、冷却水系统高能效优化技术

      冷却水系统的高效率运营涉及到方方面面,如冷却塔自身的品质(如电机效率、布水的均匀性措施等)、不同类型主机的品质(如磁悬浮离心机、变频冷水机组等)、冷却水泵的品质、冷却塔摆放位置的通风性能、冷却塔总体的管路特性(如如何尽可能地减少阻力)。

3.1、降低冷却塔供水温度的途径

      从以上分析可以看出,在室外湿球温度较高时降低冷却塔的出水温度似乎别无他法,只能在设计过程中刻意加大冷却塔的容量,尽可能地降低冷却塔的出水温度,以提高主机的能效;在过渡季节,室外湿球温度较低时,如为 17℃时,采用变频离心机或或磁悬浮离心机的项目,通过减少主机台数,若干台主机可以获得满意的高效率,但此时供冷需求下降较多,全年节能量占比较小;当然不同系统、运行策略、供电政策等都决定了冷却塔可以获得较低的冷却水供水温度,如文献七[7]提到的科技住宅供冷初期(如 5-6 月间)多采用辅助冷却塔供冷和江苏地区夜间对土壤源热泵提供了优惠的电价政策,为了地埋管侧冷热平衡可在夜间运行辅助冷却塔,这两个情况下,均可使得辅助冷却塔在全年尽可能运行在湿球温度较低的阶段,降低冷却塔的供水温度,继而提升制冷系统的排热效率。另外采取的施工措施有,冷却水管路暴露在室外时,采用保温层及保护层,可有效降低暴露在阳光下的冷却水的供水温度。



3.2、降低冷却水输送能耗的途径

      首先降低冷却水泵的流量和扬程是降低输送能耗的直接效果,前述采用大温差系统即有效降低了冷却水泵的流量。降低冷却水泵扬程的有效途径如《报告》P50 页所写总结并延申如下:1)尽可能和主机厂家协商采用冷凝器阻力较低的主机,如通过优化壳管式换热器设计,使得冷凝器阻力≤4.0mH2O;2)大温差导致流量减少进一步降低了主机冷凝器侧的局部阻力;3)优化主机房和冷却塔位置与管路走向,降低冷却水管道长度;4)通过控制管道管径大小控制管内流速减少沿程阻力和局部阻力,如控制流速在 1.5m/s-2m/s 范围内;5)水泵和主机连接采用 135 度弯头代替 90 度弯头,减少常规设计上下翻的弯头和隔离阀,如采用顺水弯头代替直角弯头等,如下图所示;6)采用低阻力的阀件,如过滤器采用直角过滤器或蓝式过滤器阻力仅为 0.5mH2O,又如选择阻力小于 0.3mH2O 的静音式止回阀等,能使原本 26-35m 的冷却水泵扬程降低到 20-25mH2O。减少管路系统局部和沿程阻力的措施,有效降低冷却水泵的流量和扬程,使得冷却水泵的能耗大大降低。



3.3、冷却塔风机的节能途径

     《报告》对 P75 页写道:当冷水机组只有一台运行时,群控系统将启用冷却塔节能运行程序,增加实际布水的冷却塔台数,而不开冷却塔风机,用加大水与空气热质交换面积的方法提高冷却散热降温的能力;当冷却塔全部通水,且其出水温度已经提升高到 30℃,恢复到一机对一塔模式。笔者认为,文中所提到的冷却塔风机的控制策略的前提是:确保冷却塔出水温度处于满足主机高能效前提下的既定温度,以此为原则探讨冷却塔的风机该如何运行。

      文献八[8]给出了冷却塔风机最优运行时需要考虑的 4 个因素:1)风机与变频器电耗;2)冷却塔效率;3)冷机 COP;4)运行策略的可行性等。根据某实测数据,2 台风机以 f=36HZ 运行,与 3 台风机分别以 25HZ和 30HZ 运行来对比运行数据,3 台风机以 25HZ 运行,对比 2 台风机以 36HZ 运行,节省了风机与变频器能耗 33%;在确保风机和变频器能耗相同的情况下,3 台风机以 30HZ 运行,冷却塔效率提高 9%,冷机 COP 也有所提高;另根据某实测数据,当 3 台冷却塔风机以 25HZ 运行,对比一台风机工频运行,虽然风机与变频器能耗相同,但前者三台冷却塔均在运行比后者一台冷却塔风机工频运行在冷却塔效率和冷机 COP 数据上占明显优势(COP 分别为 6.2 和 5.4)。图 5 为某项目冷却塔,其容量等大,在温差 7℃、在 22.4HZ 下运行低能耗运行。


      以上分析冷却塔运行方式采用相同型号、宽频、低能耗等运行方式的目的是为了尽可能地增加冷却塔的换热面积,提高换热效率。提高换热面积和效率的另外一个方面是从冷却塔水系统入手:从前很多项目冷却塔多台运行时,存在塔之间供水能力不均匀和部分填料缺水现象,导致冷却水水温偏高,增加主机的能耗等痛点现象需要解决,提升既定冷却塔效率,主要有以下两个解决方案。

      一是解决多台冷却塔并联运行时水力分布均匀性问题。在空调水系统中解决水力平衡通常有两种方式:同程式接管方式和在支管上增加平衡阀,前者局限于冷却塔布置位置和布管空间,在此笔者建议直接在多组拼塔的供水支管增加平衡阀,使得每组塔的供水量相对一致,充分利用每台冷却塔的冷却能力。

      二是改善结构喷嘴、塔体水力分布形式。开式冷却塔上方集水盘的布水孔通常为均匀布置:矩形、菱形、等圆型布置下水孔,但因为冷却塔供水支管的出口动压影响每个下水孔下水能力不同,极端存在部分部分下水孔没法下水,未能充分利用填料板的换热能力。很多冷却塔厂家已经根据上方集水盘形状、供水支管出口压力,调整布水孔布置方式,可采用不对称型布孔方式,保证每个孔下水量相对均匀,增加水与空气的换热等方式,进一步提高填料层和水接触面积,提升冷却水系统降温潜力。


4、高效机房对冷却水系统节能的控制

     《报告》对 P75 页写道:冷却水的优化控制策略,分为逼近度控制和最佳冷却水供水温度控制,根据冷却水出水温度与湿球温度差值始终处于 2-3℃是的主机的冷凝温度始终处于较低值,从而提高制冷主机的 COP;最佳冷却水供水温度控制,兼顾了降低冷却水温度从而降低机组电耗,与冷却塔风机能耗增加之间的冷却塔

供水温度平衡点。

     《报告》对 P129 页写道:采用冷却水供回水温差结合设定值来控制冷却水泵的输出频率。如果冷却水温度高于冷却水系统设定值,则 PID 调节升高所有冷却塔风机频率以维持冷却水供水温度。

4.1、高效机房冷却水系统多途径节能运行的验证

      建筑信息化模型(BIM)技术在高效制冷机房设计中发挥重要作用:优化管线布置、节省机房空间、优化管线设计、降低系统阻力、集成设备性能数据、统筹设备优化选型、提高设备、管线与附件的集成度,提高施工安装效率。

      通过饼图、柱状图、曲线图等方式对机房总能耗、总制冷量、COP 曲线、SCOP 曲线、机房日常能耗趋势、能耗-温度关系。各个机组能耗统计对比、各台冷却塔、冷水泵、冷却水泵能耗数据,不同主机运行台数和运行比率下的能耗验证、冷却塔不同运行方式下能耗的对比分析验证。

      通过能源控制、能源统计、能源消费分析。重点能耗设备管理等多种手段,以达到降低制冷系统运营成本的目的。

5、结语

      读《报告》感慨暖通行业新技术、新材料、新工艺、新理念、新策略等层出不穷。作为一名暖通行业工程师,必须保持学习状态,不学习就要被淘汰。须适应新事物的发展、改变传统的设计方法、设计理念、学习新的设计手段。针对高效冷冻机房新技术中冷却水系统的节能研读《报告》后有如下技术层面的感悟:

      1、采用冷却水系统的大温差,其节能原理类似于文中提到了第一类冷水系统的大温差,因此在设计中

尽可能地采用双向大温差系统,具体的温差数据根据整体高效机房所需达到的节能标准确定;

     2、考虑到任何时段降低冷却水供水温度,对降低主机能耗有利,顺应 2℃-3℃逼近度理念,须评判 16℃-30℃全工况下的冷却水的节能性,并兼顾 2022 年连续高温天气下,湿球温度很高情况下如何保持制冷机房高效运行等因素,和业主及系统集成商一道研究打破 37℃-32℃设计常规,经济合理地加大冷却塔散热设计;

      3、在建筑方案设计中,将冷却水系统设计前置,优化冷却水系统管路设计,降低冷却水系统输送能耗;

      4、深入学习和研究冷却水系统节能途径,理解和领悟冷却水系统节能途径及如何验证其节能的方法,为更好设计冷却水系统硬件提供思路。

参考文献

1、徐伟 中国高效空调制冷机房发展研究报告 [M] 北京:中国建筑工业出版社 2022 年 9 月

2、撒世忠 某大型购物中心暖通空调设计探讨 [J]. 江苏建筑 2018 年增刊 119-140

3、简亚婷 陈刚 贾沛等 南京某商业项目高效制冷机房设计 [J]. 暖通空调 2022 年 52(4):47-51

4、清华大学建筑节能研究中心著 中国建筑节能年底发展研究报告 [M]北京:中国建筑工业出版社 2022 年 3 月

5、陆琼文 刘漂 冷却水系统设计温差节能分析 [J]. 暖通空调 2022 年 52(4)13-17

6、鲍梁 撒世忠 谢拥军 冷却塔在土壤源热泵空调系统中的选型探讨 [J]. 江苏建筑 2019 年第五期 110-113

7、撒世忠 某大型住宅科技系统空调设计探讨 [J]. 暖通空调 2021 年 51 卷 S2 期刊 372-377

8、刘加根 严玢 余琼冷却塔风机运行节能之模式与策略的分析 [J]. 建筑科学 2009 年第 25 卷第二期 35-38
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