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      中国建筑节能研究之中央空调高效制冷机房

      来源:中国融媒产业网 作者:未知 更新时间:2022/11/29 11:34:14

      摘要:新加坡作为全球范围内对于绿色建筑要求最高的国家之一,对于总装机>500Rt的空调系统,最高“铂金级”要求全年制冷机房平均能效高于5.41;美国供暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE定义全年平均能效高于5.0的中央空调机房为高效制冷机房。

      近年来,随着双碳战略的实施,中央空调技术逐渐从机组本身节能向系统运行节能转变。

      在公共建筑中,暖通空调能耗通常占总能耗50%以上,经实地测试,90%以上的中央空调制冷机房运行能效(不含末端能耗)在3.5以下,与高效机房水平尚有较大的差距。

      在国内,目前尚无中央空调系统能效等级的相关国家标准,而在美国、新加坡等地,高效机房技术发展较早。

      新加坡作为全球范围内对于绿色建筑要求最高的国家之一,对于总装机>500Rt的空调系统,最高“铂金级”要求全年制冷机房平均能效高于5.41;美国供暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE定义全年平均能效高于5.0的中央空调机房为高效制冷机房。


      ASHRAE全年制冷机房能效评价

      01—低效制冷机房的主要问题

      制冷机房能耗包括冷水机组、冷水泵、冷却水泵以及冷却塔等部分,是多个子系统与多个参数耦合影响的复杂系统,其运行能效水平与系统设计、设备能效、水系统阻力、系统控制策略等关系密切,对设计和运维管理的整体专业性要求很高。

      低效空调系统首先体现在“量”的不适配,系统能力输出和负荷需求不适配。

      对于冷机而言,传统制冷机房设备选型往往只考虑额定工况制冷能力,且留有较大余量,冷负荷甚至长期达不到设计冷量,出现类似“大马拉小车”的过量供冷,造成冷量浪费及运行能效低下。

      对于水系统而言,由于管路热惯性、管网水力不均匀等原因,在部分负荷下往往出现过量供冷水,供回水温度较低的情况,导致输配能耗的浪费。

      空调系统的低效运行还体现在“质”的不适配,比如设计水温与实际需求不适配,压比与工况需求不适配,冷水机组长期运行于非高效区等问题,造成综合能效较难提升。

      02—高效机房主要实现方法

      高效设备并不意味着运行节能,高效制冷机房需要彻底革新,需要拥有全新的理念:

      1)通过建筑实际使用中长期积累的运行能效进行评价;2)按需定制开发满足适配性的高效设备;3)注重考量在设计、建造、运维的全生命周期,获得合理的投入与节能收益。

      从系统适配性设计、管路降阻设计、智能控制与调适等多方面进行精细化管理,尽最大可能提升制冷机房运行能效,从而实现节能与经济效益的最大化。

      ■ 全工况高效设备

      高效设备是系统高效运行的基础。为了提升全工况系统能效,需要在水系统主要设备选型时采用全工况高效设备。而冷水机组是空调水系统最核心设备,需要根据建筑负荷工况需求,合理配置变频冷机。

      变频离心机压比与能力属于同向耦合调节,并不能解耦独立调节,适用于负荷随季节变化的场合,比如舒适性空调。

      而随着永磁变频电机及控制,磁悬浮、气悬浮等无油轴承,离心机压缩机气动效率提升等节能技术的发展,冷机全年综合能效得到大幅度提升,离心机各环节的效率基本已趋近极致。如果没有新的理论突破,进一步提升机组能效已比较困难。

      而变频变容螺杆机实现能力与压比完全解耦调节,即可满足小负荷、高压比(降转速、延迟排气),又可实现大负荷、低压比(升转速、提前排气)工况,在宽工况范围内保持较高效率。

      下图为磁悬浮离心机、永磁变频螺杆机全工况能效对比,可以看出,在“大负荷、高压比”区域,两者性能相当;在“小负荷、低压比”区域,永磁变频螺杆机性能优势明显,COP提升10%~25%,综合能效IPLV高出8%~10%。



      除冷水机组外,所有水系统主要设备均建议采用永磁变频、直驱等节能技术,如风机盘管、冷却塔、组空机组、变频水泵等设备能效均可明显提升。



      ■ 系统适配性设计

      为了实现整个系统的全局能效最优,需要基于建筑负荷工况需求研发精准适配的设备,适配参数包括冷量、温度、压比、高效区等四个方面。通过能耗仿真、大数据分析等技术手段,使空调系统从“量”和“质”等方面实现与负荷工况需求的适配。

      冷量属于“量”的概念,较容易实现适配,应对建筑全年负荷、室外温湿度等运行参数进行深入分析,优化系统设计,合理配置全工况范围尤其是低负荷运行下的冷机选型及控制策略,尽量节约低负荷运行能耗,实现空调系统能力输出与负荷需求的适配。

      温度、压比、高效区属于“质”的概念,往往被忽视,在不同地域、应用场合及气候条件下,需求有所不同,适配实现起来更复杂。

      为实现系统全局优化设计,可基于系统全年能耗仿真方法,对设计方案的节能和经济性开展评估,从而选择冷冻供回水温度、冷却侧供回水温度的最佳设计值。

      综合考虑空调系统全工况运行的情况,结合变频离心机、变频变容螺杆机各自的优势,进行合理的冷水机组组合配置,以调节能力输出与运行压比,降低能耗,实现在全工况范围内冷机压比与工况需求的适配。



      实现高效区适配,同样需要依托永磁变频、大数据等技术的应用,将全工况综合能效最优为目标的全工况气动设计方法取代传统额定工况设计方法。

      通过分析不同建筑负荷、工况、时间等运行特性,定制化设计适应变转速、宽负荷范围的叶轮、扩压器等气动结构,拓展高效运行区,实现变频压缩机特性与空调设备全年运行特性的最优适配,达到全年运行节能的目的。

      此外,在管网降阻设计中,应精确核算和优化循环水网管长、流量、管径、水流速、沿程阻力构件和局部阻力构件,可将BIM技术应用于制冷机房的设计、建造、运维中,尽最大可能降低水泵扬程,减少不必要的输配能耗,实现水系统的压比适配。如下图为水系统管路流程图,通过管路降阻优化设计,可将水泵扬程从43m降为24m。


      3台650RT永磁变频离心机与1台300RT永磁变频螺杆机组合运行性能曲线(百分数为最佳切换冷机负荷率)

      实现高效区适配,同样需要依托永磁变频、大数据等技术的应用,将全工况综合能效最优为目标的全工况气动设计方法取代传统额定工况设计方法。

      通过分析不同建筑负荷、工况、时间等运行特性,定制化设计适应变转速、宽负荷范围的叶轮、扩压器等气动结构,拓展高效运行区,实现变频压缩机特性与空调设备全年运行特性的最优适配,达到全年运行节能的目的。

      此外,在管网降阻设计中,应精确核算和优化循环水网管长、流量、管径、水流速、沿程阻力构件和局部阻力构件,可将BIM技术应用于制冷机房的设计、建造、运维中,尽最大可能降低水泵扬程,减少不必要的输配能耗,实现水系统的压比适配。如下图为水系统管路流程图,通过管路降阻优化设计,可将水泵扬程从43m降为24m。


      水系统管路优化

      最后,由于中央空调系统属于多子系统耦合复杂系统,单一控制某一参数无法实现整体空调系统节能效果最优,因此,需要基于全局能效最优仿真方法,定制中央空调系统节能运行控制的全局策略,才能真正实现空调系统运行的节能效果。


      空调系统整体控制策略图

      煦联得中央空调AIO-SAC智慧控制系统正是基于全局能效策略,汇集全球5000+公共建筑空调运行数据,按照L-L5°/T60′分格进行细分,实现多场景的针对性模拟运行过程,对设备进行实时的智慧控制,并将控制结果实时反馈至AIO系统平台,进行云计算分析,修正控制曲线和能耗曲线,达到每个场景最优化的控制目标。


      某国际酒店综合能源管理项目应用的煦联得中央空调AIO-SAC智慧控制系统示意图

      03—总结

      提高空调系统运行特性与建筑负荷工况的适配性对于实现高效制冷机房至关重要。需要对应用场合的全年负荷工况进行深入分析,通过系统优化设计与设备定制化开发,满足能力、品位、压比、高效区的适配要求,真正实现“按需定制、精准适配”,提升系统运行能效。

      高效制冷机房是一个复杂系统工程,首先要所有水系统提升全工作范围能效;

      其次,需要在满足室内热舒适性前提下,基于适当的中温大温差工况进行系统设计,提升冷水机组能效并降低输配能耗;

      再者,需要对管网进行精细化设计,降低输配系统水阻及扬程;

      最后,通过智能控制系统进行优化控制、精准检测计量、调适诊断,实现长期高效运行。

      未来,随着“双碳”政策的实施,高效机房将是新建和改造空调系统项目的发展趋势,市场发展必然朝着一体化的系统整体解决方案转变。

      责任编辑:Cherry

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