高效制冷机房技术现状与分析

高效制冷机房技术现状与分析

王公龙

中建八局科技建设有限公司 上海 青浦  201799

摘要：本文首先介绍了热声制冷原理,然后从热驱动室温热声制冷和热驱动低温热声制冷两个方面介绍近年来热驱动热声制冷的发展现状,并展望未来热驱动热声制冷的发展方向。希望本综述可以为热驱动热声制冷技术在实际应用中的推广及未来发展提供参考和帮助,进而推动“绿色制冷”,助力实现“双碳”目标。

关键词：制冷机房;能效;系统设计;蓄冷系统;控制运行

引言

《绿色高效制冷行动方案》指出,到2030年,大型公共建筑制冷能效提升30%,制冷总体能效水平提升25%以上,绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上。《2021中国建筑能耗与碳排放研究报告:省级建筑碳达峰形势评估》显示,2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳,占全国碳排放的比重为50.6%。建筑运行能耗中空调系统的能耗约占公共建筑总能耗的40%~60%,而制冷机房能耗约占空调系统能耗的60%~70%。因此,“节能降耗、高效低碳”成为新阶段的“硬性、刚性”需求,制冷机房高效化成为业内热点。高效制冷机房的基本逻辑是绿色、节能、高效、精细化,符合当前社会经济发展需要及趋势,也是暖通空调行业转型升级的机遇与挑战。通过调研我国公共建筑制冷机房现状,对制冷机房高效化实施技术路线及相关研究进行综述,并提出相关建议。

1制冷机房能效指标现状

制冷机房高效化设计与改造应兼顾经济性、环保性与可行性。国内常采用电冷源综合制冷性能系数(SCOP)评价制冷机房能效,国外常采用年平均运行效率(AVSCPE)评价制冷机房能效。有关制冷机房能效指标定义,目前评价内容争议在于:其一,冷水泵是否属于机房设备,因二次泵等在机房之外,是否将其能耗归于机房存在争议;其二,能效指标所对应工况不明确,如设计工况与名义工况不同,而运行工况持续变化,因此如何规范能效指标所对应工况条件也是一个争议问题。我国相关标准对于“高效制冷机房”并没有明确的定义,行业内一般指机房能效比大于5.0的制冷机房。若制冷机房能效比低于3.5,则需要加以改造,改造时需要关注的主要问题在于:设备老旧,设计不当;部分负荷下设备性能差;部分负荷下流量偏大使输送能耗较高;机房控制逻辑不完善等。

2制冷机房高效化研究热点

2.1机房设计优化

主要是从机房的设计到施工全流程的优化。近年来,制冷机房设计优化获得了BIM技术助力。在制冷机房内,除了空调水系统,还有通风、电气、给排水等系统的设备和管线,BIM模拟可以避免各系统冲突,还能够优化管网布置以降低局部阻力。精细化设计理念依赖于工程经验,而BIM使得精细化设计更易实现。在广州地铁某车站项目中,BIM技术的运用使工期缩短,施工费用降低6.1%;在杭州至海宁城际铁路某项目中,通过机房管网与水系统优化设计,实现年运行费用节约达14.5万元。此外,优化供电系统、根据机组配套控制柜启动方案选择合适变压器容量有利于高效运行。若供电设计不当,轻则机房性能下降,重则发生安全事故。

2.2冷冻水侧大温差运行

常规冷冻水供/回水温度为7℃/12℃,降低蒸发温度可以使供水温度降低,强化空调末端换热可以使回水温度升高,都能够增大冷冻水侧温差。增加末端表冷器铜管排数或增大迎风面积能够提升冷冻水回水温度,两者区别在于:末端水侧阻力随铜管排数增加而增大,但增大迎风面积使空气侧阻力降低。实际上末端表冷器空气侧和水侧阻力在系统中占比都较小,这种改造仅会增加表冷器投资。

2.3控制运行优化

建筑负荷时刻变化,故需要先进的控制系统对流量、水温进行控制,并合理分配机组出力。调节阀或水泵变频可实现流量控制,制冷机房能效的提高主要依赖变频调节。改变水系统流量或改变冷水机组出力可以改变水温,但一般不在运行期间改变冷冻水供水温度,否则机组可能偏离预定工况导致能效降低。群控系统要使各冷水机组相互配合适应负荷,而合理的设备选型可以简化控制方式。不同型式的机组有着不同的负荷特性曲线。在实际工程中,由于各种因素的影响,冷水机组性能曲线会发生偏移。螺杆式冷水机组和离心式冷水机组高效区分别在负荷率40%~90%和60%~70%,合理配置机组并采取恰当运行策略能够使机组在高效区运行。苏州某商业广场项目采用2台大容量机组和2台小容量机组的配置,通过Gordon-NG灰箱模型进行冷水机组建模,结合负荷分析,全年节能率达到5%。

3制冷机房高效化发展亟待解决的问题

3.1全年负荷计算软件开发及应用

机房控制策略的优化依赖于对负荷的预测,在不同负荷下,加载卸载和流量调节对系统内各设备性能影响程度不同。建筑负荷与能耗模拟计算软件的开发,对高效制冷机房的设计与运行具有重要意义。不同的模拟软件核心算法不同,加之用户操作习惯不同,同一项目模拟结果可能差异很大。软件开发人员为提升可操作性简化了计算边界输入,导致部分计算核心功能缺失,增加了模拟结果的不确定性,故用户需要对其计算方法与原理有所了解。常用软件如DOE-2采用反应系数法与冷负荷系数法计算传热情况与房间负荷,EnergyPlus将围护结构表面热平衡与室内空气热平衡两部分按照不同的方法计算,DeST利用状态空间法一次性求解房间的传热特征系数,预测关键在于房间热平衡计算。室外气象参数需要用户输入,通常以往年气象数据为准,气候虽有规律性,却没有必然复现性,故这种方法用于预测存在缺陷。随着计算机技术发展,可采用机器学习算法建立负荷预测模型,相关方法在实际工程中得到了应用。

3.2机房群控系统深化设计与设计评审

高效冷库的实际建设和运营是一个多学科合作的问题，需要暖通工程师有丰富的设计经验，电气工程师要开发逻辑群控系统，施工人员要充分了解设计者的意图并严格施工，运维人员及时处理故障，确保高效运行。通过设备采购技术参数的确认、安装型式检验、调试指导、管理培训等方式解决设计、施工和管理问题。然而，暖通空调与电气行业沟通不畅，双方专长不一致，对运行状况不负责，往往是阻碍高效冷库建设的问题。为解决此类问题，需要明确设计责任主体，解决机房群控系统设计评审确认问题，落实具体人员任务，具体项目预算，实现群控一体化细化。控制系统设计。在项目验收前，还应进行系统调试验证和群控逻辑验证，避免出现系统运行不良但无人负责的问题。

结束语

笔者结合我国制冷空调行业的现状和建筑冷藏室存在的问题，分别阐述了技术现状、研究热点、面临的问题等方面，指出关键技术的定义指标不完善，边界界定不明确，设计要求、调试验证要求、群控系统接口和管控要求、运维要求没有得到充分保障。解决这些问题，迫切需要落实相关政策和标准，加强行业研发及相关工作。未来制冷技术的重点研究方向以追求更低的制冷温度为目标，需要建立一种新的共振机制来产生高压比和低频，从而实现更低的制冷温度扩大热驱动制冷技术在极低温领域的应用。

参考文献

[1]赵福艳,张丁川,路贵香.制冷技术的研究进展[J].化工管理,2020(09):136-137.

[2]胡田飞,刘建坤,常键,郝中华.基于新能源制冷技术的多年冻土路基维护方法研究[J].太阳能学报,2020,41(02):253-261.

[3]付长亮.浅谈制冷技术在制药工艺上的应用[J].中国设备工程,2020(04):92-93.

[4]于浩然.冷链中制冷系统节能技术应用研究[J].中国设备工程,2020(04):106-108.

[5]Jean-LucDUPONT,王云鹏,张晓宁,赵国君.制冷行业在全球经济中的作用——国际制冷学会第38期制冷技术简报[J].制冷技术,2020,40(01):1-8.