超高效中央空调制冷机房设计研究

屈国伦副总工程师广州市设计院广东省暖通空调年会技术交流活动2013年11月22日广东地区建筑节能的现状广东地区建筑节能的关键技术分析超高效制冷机房技术制冷机房能效比超高效制冷机房的空调系统超高效制冷机房的监测系统超高效制冷机房的经济性总结广东省“十二五”（2011-2015）节能任务是单位GDP能耗下降18%；到2015年，全省建筑设计和施工节能标准执行率达到100%。以广州市为例，自2014年起，广州市范围内新建、改建、扩建的单体面积超过2万平方米的机场、车站、宾馆、饭店、商场、写字楼等大型公共建筑全面执行绿色建筑标准。目前，国家尚未出台宾馆、商场等领域的能耗限额标准，广东省将要推出《广东省宾馆和商场能耗限额》（试行）。1、能耗分析与建筑节能现状政府机关办公建筑和大型公共建筑单位面积年耗电量达到70～300度，为普通居民住宅的10～20倍，占全国城镇总耗电量的22%（来源：建设主管部门统计数据）一般而言，广东地区大型公共建筑中，约50%的建筑能耗为空调能耗企业类型单位面积综合能耗（kgce/m2·a）限额水平宾馆五星级35四星级31三星级27其它27商场41备注：家具建材商场能耗限额值不得高于本限额值的0.8倍。现有宾馆和商场类企业能耗限额值建筑类型单位面积综合能耗（kgce/m2·a）限额水平宾馆饭店五星级32.0四星级28.0三星级24.0其它24.0商场37.0备注：家具建材商场能耗限额准入值不得高于本准入值的0.8倍。新建宾馆和商场类企业能耗准入值新建宾馆和商场类企业能耗准入值新建宾馆和商场类企业能耗准限额值2、南方地区建筑节能特点和适用技术能耗特征：冬季基本不采暖，夏季漫长，空调制冷是建筑物能耗的重要组成部分适用技术：推广绿色建筑的理念，做好建筑物规划和布置，尽量采用自然通风、采光、做好建筑遮阳及隔热，减少空调设备的使用时间。提高建筑机电设备系统的能效。根据建筑楼宇设备的使用情况、使用特点“采用个性化”的控制技术，实现机电设备系统的行为节能。1.技术整合——建筑千差万别，节能技术在于整合和优化，最大限度实现机电设备系统的行为节能。例如，设备参数优化、开停时间优化例如，智能化系统应能符合建筑实际情况2.空调节能——广东地区，大型公共建筑能耗最大的是空调系统，节能潜力最大的也是空调系统。指标：制冷机房能效比电制冷式中央空调的组成：水冷式：水冷冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、空调末端风冷式：风冷冷水机组、冷冻水泵、空调末端制冷机房系统：包括空调末端以外的中央空调系统定义制冷机房能效比制冷机房能效比EER（以水冷式冷水机组为例）=∑Q/∑N=总冷量/制冷机房总电量=总冷量/(冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔)耗电量——衡量制冷机房实际运行情况根据不同单位的实测结果，目前我国实际运行的制冷机房年平均能效比大多不超过3.0国外制冷机房系统的能效水平美国ASHRAE研究报告：制冷机房系统能效比低于3.5需要改进；优秀的制冷机房系统能效比应高于5.0极佳良好一般需要改进新加坡的制冷机房系统能效情况绿色建筑标志冷负荷峰值(RT)500=500最小制冷机房系统能效比EER认证4.405.00金4.405.00金+5.005.41白金5.005.41使用中央空调系统的新建非居住建筑注：新加坡目前建筑面积大于5000平方米的新建建筑必须是绿色建筑；故目前新建建筑制冷机房能效均不小于4.4新加坡部分高效制冷机房系统运行能效比5.255.415.505.675.775.966.176.176.28红字为制冷机房实际运行能效比项目名称目前实际运行的制冷机房年平均能效比大多数不超过3.0以空调能耗占建筑能耗50%，制冷机房能耗占空调能耗70%计算，制冷机房能效比从3.0提升到5.0，建筑能耗降低14%可见，制冷机房能效提高在广东地区建筑节能的重要性机房1_EER机房2_EER2比1节能%3.05.040%3.55.030%4.05.020%下面结合广州市设计院正在设计的白天鹅宾馆改造工程进行介绍。白天鹅宾馆改造工程的设计目标是制冷机房系统能效比不低于5.40。前提：正确的负荷计算冷水机组高效水泵扬程合理，工作点运行高效冷却、冷冻水管路阻力优化，减小不必要的阻力损失控制策略合理，能满足不同工况下的运行需求末端能适应变负荷运行要求必要时采用小流量大温差的设计策略项目为改造工程，空调面积接近10万平米最大计算冷负荷为2100冷吨3台离心机+2台螺杆机一次泵变流量系统冷冻水供回水温度为7/15℃冷却水供回水温度为32/37℃冷水机组的性能优化：能效比高蒸发器、冷凝器的水阻低流量变化范围大，变化率高，能适应变水量工况运行0102030405060708090COP蒸发器水阻力（Kpa）冷凝器水阻（Kpa）离心机优化前后对比表6.18080原设计优化020406080100iplv蒸发器水阻力（Kpa）冷凝器水阻（Kpa）螺杆机优化前后对比表6.78080原设计优化注：原设计指不考虑超高效机房优化、已考虑小流量大温差系统的设计情况降低局部阻力，调整管路比摩阻，优化管路布置一般设计情况：冷冻水泵、冷却水泵扬程均≥30m，甚至≥40m优化结果：冷冻水泵扬程≤24m冷却水泵扬程≤20m空调末端系统的设计情况能适应水系统变流量运行设计院给出相关的控制策略，以满足高效机房的控制和节能运行控制策略的特点：适应天气、使用情况的变化而调整，满足变工况下高效运行的要求对业主而言：掌握制冷机房运行情况，发现节能潜力对物业管理而言：方便维护和管理对设计而言：能真实了解项目运行情况，提高设计水平对施工而言：增加施工范围和内容对政府而言：进一步推进广东地区的建筑节能降耗工作与监控整个空调系统用电相比，接线更简单制冷机房能效比EER（以水冷式冷水机组为例）=总冷量/(冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔)耗电量测量变量主要包括：冷冻水总供回水温度、冷冻水供水压头和流量、各台冷机供回水温度、冷却水供回水温度、冷却水供水压头和流量、冷却水压头和流量、冷水机组耗电量、冷冻水泵耗电量、冷却水泵耗电量、冷却塔耗电量等监测涉及众多变量；由于间接测量造成误差叠加，各个测量器件的精度极其重要举例如下：误差达到15%！冷冻水供水温度，℃冷冻水回水温度，℃供回水温差，℃冷冻水流量，L/s冷量，冷吨电量，kW能效，kW/ton能效比EER实际7.0012.565.56151.410008000.8004.40误差-0.50+0.50显示6.5013.066.56151.411808000.6785.19计算条件如下：一般的制冷机房工程造价为4000元/冷吨，超高效的制冷机房工程造价为6000元/冷吨（以上均含冷机、水泵、冷却塔及各类辅助设备和控制设备以及施工安装费）一般的制冷机房能效比为2.3~3.0（按3.0计算），超高效制冷机房能效比按5.4计算制冷机房安装容量为2000冷吨（即7034kW），年供冷量为1700万kWh电价为1元/kWh（广州市商业电价为96.78分/kWh或99.28分/kWh）计算结果如下：投资：一般800万，超高效1200万年运行费用：一般567万，超高效315万超高效机房年节省约252万静态投资回收期约1.6年空调系统节能是南方地区建筑节能的关键；以超高效制冷机房能效为衡量标准进行空调设计、施工和运行应该是南方地区公共建筑实现绿色建筑的重点。建筑节能的关键在于技术整合，选择适用技术，达到较高的性价比。冷水机组优化、输配系统优化、合理的控制和监测是实现超高效制冷机房的主要手段。实践证明，通过合理技术手段进行超高效制冷机房建设是可行的、经济的。