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摘要：介绍了基于自然冷却技术、变频技术、水系统变流量技术的三种高效系统在某工厂冷却工艺用中央空调高效机房中的应用，并详细探讨了高效机房的方案设计思路，为高效机房的设计提供了技术参考。
关键词：高效机房;中央空调;自然冷却;变频技术
0 引言
中央空调系统的制冷机房是一个由多种设备组成且需协调运行的综合体，中央空调高效机房通过对主机、水泵、冷却塔、管路等设备进行系统化设计，采用最佳的运行策略综合调控，从而实现系统的高效运行。
实现高效机房的前提是设计一个高效的节能系统，以北方地区中央空调机房为例，分别有基于自然冷却技术、变频技术、水系统变流量技术的三种高效系统。自然冷却技术是利用冬季低温环境，将冷却塔的冷却水直接供到板式换热器，通过板式换热器进行换热置换出冷水，而无须制冷主机开机，冬季自然冷却系统示意图如图1所示。
冷水机组变频技术作为现在比较成熟的节能技术，已被广泛应用。
一方面，在冷却水温降低的情况下，冷水机组变频技术可有效降低冷水机组变频电机的耗电量;另一方面，当制冷负荷降低时，电机负荷会自动调节，亦能有效降低电机耗电量。水系統变流量技术可根据实际负荷需求调节冷冻水泵的频率以适应冷水流量的实际需求，实行按需配送，可有效降低水泵耗电量。
1 工程概述
某工厂位于山东省临沂市，工艺生产线的换热器有冷却降温需求，冷负荷为1 400 kW，冷水出水温度为7 ℃，全年制冷。工厂的换热器数量为200个，布置高度各有不同，最高点处约27 m，最长冷水循环水环路为600 m。本项目拟从高效机房综合解决方案的角度，遵循技术先进、经济实用、节能减排的原则，为客户提供最优方案，使工厂生产线达到最佳经济运行状态。
2 方案说明
2.1 系统描述
因临沂市的冬季气温较低，本着降低运行费用的目的，本项目的高效机房系统采用变频螺杆式冷水机组系统、自然冷却系统及水系统变流量技术相结合的形式。
该项目选择3台制冷量为770 kW的变频螺杆式冷水机组，其中一台机组作为备用，以保证在其他机组检修或者出现故障时，整个系统能够正常运行。选择变频螺杆机组的原因是在用户侧负荷变化时，机组电机频率可随负荷调节，当负荷下降时，电机的输入功率降低，从而主机的能耗也会降低。
自然冷却系统采用不锈钢板式换热器，在1月、2月、12月三个月份内，主机不运行，来自冷却塔的冷却水直接送至板式换热器，通过板式换热器置换冷水送至末端。自然冷却系统开启时，只有水泵和冷却塔运行，主机不开机、无能耗，从而有效降低了整体能耗。
水系统变流量是指冷水泵、冷却水泵采用变频泵，在部分负荷运行的月份，采用水系统变流量技术，利用自控系统调整水泵的频率，改变冷水与冷却水的供给量，从而降低水泵能耗，大幅节省冷水泵和冷却水泵的运行费用。
因本项目为工艺生产用，考虑到生产线连续运行，系统设置水箱一台，内部设置隔板，将供回水分开。
2.2 高效机房主要设备选型
高效机房的主要设备明细及参数如表1所示。
2.3 系统流程
根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019—2015）[1]中9.9章节空气调节冷热水及冷凝水系统的指导措施布置系统流程，其中三台冷水机组与一台板式换热器采用管路并联的形式，系统流程图如图2所示。
从3月至11月，{5}板式换热器两侧的循环管路关闭，不参与循环。冷却水循环系统流程为：来自{6}冷却塔的冷却水经过{3}冷却水循环泵送至{1}冷水机组的冷凝器，与冷凝器的高温制冷剂换热，冷却水出水温度提高，返回至{6}冷却塔，水经过冷却塔向空气散热，冷却水水温下降，再次经过{3}冷却水循环泵，完成冷却水循环。冷水循环系统流程为：来自用户末端的冷水回水流至{7}回水箱，回水经过{2}冷水循环泵送至{1}冷水机组的蒸发器，与蒸发器的低温制冷剂换热，冷水温度下降，然后送至{7}供水箱，经过{4}二次循环泵送到用户末端，完成冷水循环。
在1月、2月、12月，因为环境温度低于0 ℃，①冷水机组无须开机，开启{5}板式换热器两侧循环管路。循环流程为：{6}冷却塔的冷却水与外界低温空气换热，产生低温的冷却水，经过{3}冷却水循环泵送至{5}板式换热器一次侧，经过板式换热器换热温度升高，返回至{6}冷却塔，完成冷却水循环。来自用户末端的冷水回水经过{7}回水箱，经由{2}冷水循环泵送至{5}板式换热器二次侧，经过板换与低温冷却水换热，冷水温度下降，完成冷水循环。
3 高效机房经济性分析
3.1 高效机房年运行费用概算
计算高效机房系统年运行费用的时候，按照每月的负荷和耗电量计算更加接近系统的真实运行情况，因此确定月平均冷却水进水温度和月平均负荷极为重要。结合自然冷却月份（1月、2月、12月）和冷却塔选型，将冷却水进水温度定为6.5 ℃，剩余9个月份根据当地的月平均湿球温度和主机冷却水温度运行范围确定冷却水的进水温度，月平均负荷由客户提供，机组、冷却塔、水泵在不同工况下的输入功率均由所选设备厂家提供，年运行费用如表2所示。
3.2 初投资概算
根据具体选型结果对设备初投资进行概算，具体如表3所示。
4 结语
本文通过案例分析阐述了中央空调高效机房的理念，详细论述了机房综合性能系数与运行费用的计算方法。结合全文可以看出，中央空调高效机房在节能方面有着很高的经济价值。在国家倡导碳达峰、碳中和的市场需求下，中央空调高效机房可作为有效的节能方案进行推广。
[参考文献]
[1] 工业建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50019—2015[S].
收稿日期：2021-07-23
作者简介：王伟东（1985—），男，山东人，工程师，研究方向：暖通空调制冷系统。
关键词：高效机房;中央空调;自然冷却;变频技术
0 引言
中央空调系统的制冷机房是一个由多种设备组成且需协调运行的综合体，中央空调高效机房通过对主机、水泵、冷却塔、管路等设备进行系统化设计，采用最佳的运行策略综合调控，从而实现系统的高效运行。
实现高效机房的前提是设计一个高效的节能系统，以北方地区中央空调机房为例，分别有基于自然冷却技术、变频技术、水系统变流量技术的三种高效系统。自然冷却技术是利用冬季低温环境，将冷却塔的冷却水直接供到板式换热器，通过板式换热器进行换热置换出冷水，而无须制冷主机开机，冬季自然冷却系统示意图如图1所示。
冷水机组变频技术作为现在比较成熟的节能技术，已被广泛应用。
一方面，在冷却水温降低的情况下，冷水机组变频技术可有效降低冷水机组变频电机的耗电量;另一方面，当制冷负荷降低时，电机负荷会自动调节，亦能有效降低电机耗电量。水系統变流量技术可根据实际负荷需求调节冷冻水泵的频率以适应冷水流量的实际需求，实行按需配送，可有效降低水泵耗电量。
1 工程概述
某工厂位于山东省临沂市，工艺生产线的换热器有冷却降温需求，冷负荷为1 400 kW，冷水出水温度为7 ℃，全年制冷。工厂的换热器数量为200个，布置高度各有不同，最高点处约27 m，最长冷水循环水环路为600 m。本项目拟从高效机房综合解决方案的角度，遵循技术先进、经济实用、节能减排的原则，为客户提供最优方案，使工厂生产线达到最佳经济运行状态。
2 方案说明
2.1 系统描述
因临沂市的冬季气温较低，本着降低运行费用的目的，本项目的高效机房系统采用变频螺杆式冷水机组系统、自然冷却系统及水系统变流量技术相结合的形式。
该项目选择3台制冷量为770 kW的变频螺杆式冷水机组，其中一台机组作为备用，以保证在其他机组检修或者出现故障时，整个系统能够正常运行。选择变频螺杆机组的原因是在用户侧负荷变化时，机组电机频率可随负荷调节，当负荷下降时，电机的输入功率降低，从而主机的能耗也会降低。
自然冷却系统采用不锈钢板式换热器，在1月、2月、12月三个月份内，主机不运行，来自冷却塔的冷却水直接送至板式换热器，通过板式换热器置换冷水送至末端。自然冷却系统开启时，只有水泵和冷却塔运行，主机不开机、无能耗，从而有效降低了整体能耗。
水系统变流量是指冷水泵、冷却水泵采用变频泵，在部分负荷运行的月份，采用水系统变流量技术，利用自控系统调整水泵的频率，改变冷水与冷却水的供给量，从而降低水泵能耗，大幅节省冷水泵和冷却水泵的运行费用。
因本项目为工艺生产用，考虑到生产线连续运行，系统设置水箱一台，内部设置隔板，将供回水分开。
2.2 高效机房主要设备选型
高效机房的主要设备明细及参数如表1所示。
2.3 系统流程
根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019—2015）[1]中9.9章节空气调节冷热水及冷凝水系统的指导措施布置系统流程，其中三台冷水机组与一台板式换热器采用管路并联的形式，系统流程图如图2所示。
从3月至11月，{5}板式换热器两侧的循环管路关闭，不参与循环。冷却水循环系统流程为：来自{6}冷却塔的冷却水经过{3}冷却水循环泵送至{1}冷水机组的冷凝器，与冷凝器的高温制冷剂换热，冷却水出水温度提高，返回至{6}冷却塔，水经过冷却塔向空气散热，冷却水水温下降，再次经过{3}冷却水循环泵，完成冷却水循环。冷水循环系统流程为：来自用户末端的冷水回水流至{7}回水箱，回水经过{2}冷水循环泵送至{1}冷水机组的蒸发器，与蒸发器的低温制冷剂换热，冷水温度下降，然后送至{7}供水箱，经过{4}二次循环泵送到用户末端，完成冷水循环。
在1月、2月、12月，因为环境温度低于0 ℃，①冷水机组无须开机，开启{5}板式换热器两侧循环管路。循环流程为：{6}冷却塔的冷却水与外界低温空气换热，产生低温的冷却水，经过{3}冷却水循环泵送至{5}板式换热器一次侧，经过板式换热器换热温度升高，返回至{6}冷却塔，完成冷却水循环。来自用户末端的冷水回水经过{7}回水箱，经由{2}冷水循环泵送至{5}板式换热器二次侧，经过板换与低温冷却水换热，冷水温度下降，完成冷水循环。
3 高效机房经济性分析
3.1 高效机房年运行费用概算
计算高效机房系统年运行费用的时候，按照每月的负荷和耗电量计算更加接近系统的真实运行情况，因此确定月平均冷却水进水温度和月平均负荷极为重要。结合自然冷却月份（1月、2月、12月）和冷却塔选型，将冷却水进水温度定为6.5 ℃，剩余9个月份根据当地的月平均湿球温度和主机冷却水温度运行范围确定冷却水的进水温度，月平均负荷由客户提供，机组、冷却塔、水泵在不同工况下的输入功率均由所选设备厂家提供，年运行费用如表2所示。
3.2 初投资概算
根据具体选型结果对设备初投资进行概算，具体如表3所示。
4 结语
本文通过案例分析阐述了中央空调高效机房的理念，详细论述了机房综合性能系数与运行费用的计算方法。结合全文可以看出，中央空调高效机房在节能方面有着很高的经济价值。在国家倡导碳达峰、碳中和的市场需求下，中央空调高效机房可作为有效的节能方案进行推广。
[参考文献]
[1] 工业建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50019—2015[S].
收稿日期：2021-07-23
作者简介：王伟东（1985—），男，山东人，工程师，研究方向：暖通空调制冷系统。