1、前言
由中國建筑節能協(xié)會(huì )暖通空調分會(huì )牽頭組織，全國工程勘察設計大師徐偉先生擔任主編的《中國高效空調制冷機房發(fā)展研究報告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)報告）一書(shū)通過(guò)總結目前中國高效空調制冷機房在規劃、設計、施工、調試、運維等各個(gè)不同階段的專(zhuān)業(yè)闡述，詳細分析了高效空調制冷機房的實(shí)施途徑，是對高效空調制冷機房發(fā)展過(guò)程中權威的闡述。
正如江億院士所說(shuō)：“合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土；千里之行，始于足下”，深信隨著(zhù)綠色節能理念和政策的深入貫徹，在各方的努力下，高效空調制冷機房行業(yè)必將蓬勃發(fā)展，以創(chuàng )新為基石走向構筑空調制冷機房高效節能之路。
2、冷卻水系統的兩個(gè)溫差
全面精細化實(shí)現高效制冷機房設計，歸納于對五大循環(huán)系統的深入研判后的能效提升，它們分別是：1）室內水風(fēng)循環(huán)；2）冷水循環(huán)；3）制冷循環(huán)；4）冷卻水循環(huán)；5）冷卻塔水風(fēng)換熱循環(huán)，如下圖所示。其中與冷卻水系統節能直接相關(guān)的循環(huán)有冷卻水循環(huán)和冷卻塔風(fēng)水換熱循環(huán)。冷卻水循環(huán)涉及冷卻水供回水溫差；冷卻塔水風(fēng)換熱循環(huán)涉及冷卻塔供水溫度和室外濕球溫度的溫差，是為兩個(gè)溫差。
《報告》P61-63 頁(yè)闡述的內容總結下來(lái)就是，全年較好地提升制冷機房的能效須三管齊下：1）在滿(mǎn)足室內溫濕度的前提下，盡可能地提高制冷機組的出水溫度；2）采取技術(shù)手段盡可能降低冷卻水供水溫度；3）在末端負荷需求降低時(shí)，通過(guò)冷水機組變頻、水泵變頻適應負荷降低的需求，達到部分負荷時(shí)節能的目的。
冷卻水的兩個(gè)溫差之一是指冷卻水系統的循環(huán)溫差，是 37℃-32℃還是 35℃-30℃，還是 40℃-32℃，還是其他；冷卻水的另一個(gè)溫差即逼近度，《報告》P83 頁(yè)提到，冷卻塔風(fēng)機變頻將被調至使得逼近度為 2.5℃固定溫度，溫差是指冷卻水供水溫度與濕球溫度的差值，冷卻水供水設定溫度即等于濕球溫度加 2.5℃，冷卻水供水溫度設定值將在 26℃-29℃左右變化。當然，我們知道冷卻水供水溫度降低 1℃，主機能耗將降低約 3%，對主機節省能耗有利。
2.1、冷卻水大溫差
過(guò)去很長(cháng)的一段時(shí)間內冷水系統大溫差的設計及其理論為暖通設計行業(yè)所耳熟能詳，相關(guān)論文闡述也很多，冷水大溫差多為降低冷水出水溫度，同時(shí)提高冷水回水溫度為代表（姑且叫第一類(lèi)大溫差）如典型溫差為 7℃即 6-13℃循環(huán)溫度，末端采用吊裝空調箱的大型購物中心項目，如筆者親身經(jīng)歷的合肥萬(wàn)科廣場(chǎng)購物中心項目，見(jiàn)文獻[2]。這類(lèi)大溫差的本質(zhì)是：在主機供水溫度（出水溫度低于 7℃）和既定溫差（溫差大于 5℃）下選型同時(shí)選擇能效比高的冷水泵，在滿(mǎn)足計算制冷量和規范的主機制冷量前提下，主機能耗的增加的數值小于水泵能耗的下降的數值，使得冷水循環(huán)側的主機和水泵的綜合能效最小。近年來(lái)出現的冷水側大溫差即中溫冷水機組的大溫差（姑且叫第二類(lèi)大溫差），即通過(guò)改進(jìn)末端空調設備結構形式，只要空調機組出風(fēng)干球溫度控制在≤14℃以下，系統可以提供不同的供回水溫度（供水溫度大于 7℃，回水溫度大于 12℃），冷水系統可以提供 9.5℃-14.5℃、8.8℃-14.8℃、8℃-15℃等不同的供回水溫度組合，如文獻三[3]中南京三山街大型購物中心高效制冷機房的大溫差供回水溫度為 10℃-16℃；文獻四[4]提到的五邑大學(xué)教學(xué)樓高效制冷機房的供回水溫度為 10℃-18℃，當然該項目較為特殊，是配合了改進(jìn)的末端（需要采用全新的中溫末端設備，從換熱能力、出風(fēng)溫度、風(fēng)側壓降、水側壓降等四個(gè)維度進(jìn)行全面優(yōu)化）及輔助電風(fēng)扇的采用，能達到所需要的溫濕度要求。因此第二個(gè)階段的冷水大溫差是提高供水溫度，同時(shí)提高供回水溫差的形式。下圖為中溫水大溫差的六排管逆流換熱圖。采用中溫變頻空調系統制冷機房某項目能效可達到 6.85。
3、冷卻水系統高能效優(yōu)化技術(shù)
冷卻水系統的高效率運營(yíng)涉及到方方面面，如冷卻塔自身的品質(zhì)（如電機效率、布水的均勻性措施等）、不同類(lèi)型主機的品質(zhì)（如磁懸浮離心機、變頻冷水機組等）、冷卻水泵的品質(zhì)、冷卻塔擺放位置的通風(fēng)性能、冷卻塔總體的管路特性（如如何盡可能地減少阻力）。
3.1、降低冷卻塔供水溫度的途徑
從以上分析可以看出，在室外濕球溫度較高時(shí)降低冷卻塔的出水溫度似乎別無(wú)他法，只能在設計過(guò)程中刻意加大冷卻塔的容量，盡可能地降低冷卻塔的出水溫度，以提高主機的能效；在過(guò)渡季節，室外濕球溫度較低時(shí)，如為 17℃時(shí)，采用變頻離心機或或磁懸浮離心機的項目，通過(guò)減少主機臺數，若干臺主機可以獲得滿(mǎn)意的高效率，但此時(shí)供冷需求下降較多，全年節能量占比較??；當然不同系統、運行策略、供電政策等都決定了冷卻塔可以獲得較低的冷卻水供水溫度，如文獻七[7]提到的科技住宅供冷初期（如 5-6 月間）多采用輔助冷卻塔供冷和江蘇地區夜間對土壤源熱泵提供了優(yōu)惠的電價(jià)政策，為了地埋管側冷熱平衡可在夜間運行輔助冷卻塔，這兩個(gè)情況下，均可使得輔助冷卻塔在全年盡可能運行在濕球溫度較低的階段，降低冷卻塔的供水溫度，繼而提升制冷系統的排熱效率。另外采取的施工措施有，冷卻水管路暴露在室外時(shí)，采用保溫層及保護層，可有效降低暴露在陽(yáng)光下的冷卻水的供水溫度。
3.2、降低冷卻水輸送能耗的途徑
首先降低冷卻水泵的流量和揚程是降低輸送能耗的直接效果，前述采用大溫差系統即有效降低了冷卻水泵的流量。降低冷卻水泵揚程的有效途徑如《報告》P50 頁(yè)所寫(xiě)總結并延申如下：1）盡可能和主機廠(chǎng)家協(xié)商采用冷凝器阻力較低的主機，如通過(guò)優(yōu)化殼管式換熱器設計，使得冷凝器阻力≤4.0mH2O；2）大溫差導致流量減少進(jìn)一步降低了主機冷凝器側的局部阻力；3）優(yōu)化主機房和冷卻塔位置與管路走向，降低冷卻水管道長(cháng)度；4）通過(guò)控制管道管徑大小控制管內流速減少沿程阻力和局部阻力，如控制流速在 1.5m/s-2m/s 范圍內；5）水泵和主機連接采用 135 度彎頭代替 90 度彎頭，減少常規設計上下翻的彎頭和隔離閥，如采用順水彎頭代替直角彎頭等，如下圖所示；6）采用低阻力的閥件，如過(guò)濾器采用直角過(guò)濾器或藍式過(guò)濾器阻力僅為 0.5mH2O，又如選擇阻力小于 0.3mH2O 的靜音式止回閥等，能使原本 26-35m 的冷卻水泵揚程降低到 20-25mH2O。減少管路系統局部和沿程阻力的措施，有效降低冷卻水泵的流量和揚程，使得冷卻水泵的能耗大大降低。
3.3、冷卻塔風(fēng)機的節能途徑
《報告》對 P75 頁(yè)寫(xiě)道：當冷水機組只有一臺運行時(shí)，群控系統將啟用冷卻塔節能運行程序，增加實(shí)際布水的冷卻塔臺數，而不開(kāi)冷卻塔風(fēng)機，用加大水與空氣熱質(zhì)交換面積的方法提高冷卻散熱降溫的能力；當冷卻塔全部通水，且其出水溫度已經(jīng)提升高到 30℃，恢復到一機對一塔模式。筆者認為，文中所提到的冷卻塔風(fēng)機的控制策略的前提是：確保冷卻塔出水溫度處于滿(mǎn)足主機高能效前提下的既定溫度，以此為原則探討冷卻塔的風(fēng)機該如何運行。
文獻八[8]給出了冷卻塔風(fēng)機最優(yōu)運行時(shí)需要考慮的 4 個(gè)因素：1）風(fēng)機與變頻器電耗；2）冷卻塔效率；3）冷機 COP；4）運行策略的可行性等。根據某實(shí)測數據，2 臺風(fēng)機以 f=36HZ 運行，與 3 臺風(fēng)機分別以 25HZ和 30HZ 運行來(lái)對比運行數據，3 臺風(fēng)機以 25HZ 運行，對比 2 臺風(fēng)機以 36HZ 運行，節省了風(fēng)機與變頻器能耗 33%；在確保風(fēng)機和變頻器能耗相同的情況下，3 臺風(fēng)機以 30HZ 運行，冷卻塔效率提高 9%，冷機 COP 也有所提高；另根據某實(shí)測數據，當 3 臺冷卻塔風(fēng)機以 25HZ 運行，對比一臺風(fēng)機工頻運行，雖然風(fēng)機與變頻器能耗相同，但前者三臺冷卻塔均在運行比后者一臺冷卻塔風(fēng)機工頻運行在冷卻塔效率和冷機 COP 數據上占明顯優(yōu)勢（COP 分別為 6.2 和 5.4）。圖 5 為某項目冷卻塔，其容量等大，在溫差 7℃、在 22.4HZ 下運行低能耗運行。
以上分析冷卻塔運行方式采用相同型號、寬頻、低能耗等運行方式的目的是為了盡可能地增加冷卻塔的換熱面積，提高換熱效率。提高換熱面積和效率的另外一個(gè)方面是從冷卻塔水系統入手：從前很多項目冷卻塔多臺運行時(shí)，存在塔之間供水能力不均勻和部分填料缺水現象，導致冷卻水水溫偏高，增加主機的能耗等痛點(diǎn)現象需要解決，提升既定冷卻塔效率，主要有以下兩個(gè)解決方案。
一是解決多臺冷卻塔并聯(lián)運行時(shí)水力分布均勻性問(wèn)題。在空調水系統中解決水力平衡通常有兩種方式：同程式接管方式和在支管上增加平衡閥，前者局限于冷卻塔布置位置和布管空間，在此筆者建議直接在多組拼塔的供水支管增加平衡閥，使得每組塔的供水量相對一致，充分利用每臺冷卻塔的冷卻能力。
二是改善結構噴嘴、塔體水力分布形式。開(kāi)式冷卻塔上方集水盤(pán)的布水孔通常為均勻布置：矩形、菱形、等圓型布置下水孔，但因為冷卻塔供水支管的出口動(dòng)壓影響每個(gè)下水孔下水能力不同，極端存在部分部分下水孔沒(méi)法下水，未能充分利用填料板的換熱能力。很多冷卻塔廠(chǎng)家已經(jīng)根據上方集水盤(pán)形狀、供水支管出口壓力，調整布水孔布置方式，可采用不對稱(chēng)型布孔方式，保證每個(gè)孔下水量相對均勻，增加水與空氣的換熱等方式，進(jìn)一步提高填料層和水接觸面積，提升冷卻水系統降溫潛力。
4、高效機房對冷卻水系統節能的控制
《報告》對 P75 頁(yè)寫(xiě)道：冷卻水的優(yōu)化控制策略，分為逼近度控制和最佳冷卻水供水溫度控制，根據冷卻水出水溫度與濕球溫度差值始終處于 2-3℃是的主機的冷凝溫度始終處于較低值，從而提高制冷主機的 COP；最佳冷卻水供水溫度控制，兼顧了降低冷卻水溫度從而降低機組電耗，與冷卻塔風(fēng)機能耗增加之間的冷卻塔
供水溫度平衡點(diǎn)。
《報告》對 P129 頁(yè)寫(xiě)道：采用冷卻水供回水溫差結合設定值來(lái)控制冷卻水泵的輸出頻率。如果冷卻水溫度高于冷卻水系統設定值，則 PID 調節升高所有冷卻塔風(fēng)機頻率以維持冷卻水供水溫度。
4.1、高效機房冷卻水系統多途徑節能運行的驗證
建筑信息化模型（BIM）技術(shù)在高效制冷機房設計中發(fā)揮重要作用：優(yōu)化管線(xiàn)布置、節省機房空間、優(yōu)化管線(xiàn)設計、降低系統阻力、集成設備性能數據、統籌設備優(yōu)化選型、提高設備、管線(xiàn)與附件的集成度，提高施工安裝效率。
通過(guò)餅圖、柱狀圖、曲線(xiàn)圖等方式對機房總能耗、總制冷量、COP 曲線(xiàn)、SCOP 曲線(xiàn)、機房日常能耗趨勢、能耗-溫度關(guān)系。各個(gè)機組能耗統計對比、各臺冷卻塔、冷水泵、冷卻水泵能耗數據，不同主機運行臺數和運行比率下的能耗驗證、冷卻塔不同運行方式下能耗的對比分析驗證。
通過(guò)能源控制、能源統計、能源消費分析。重點(diǎn)能耗設備管理等多種手段，以達到降低制冷系統運營(yíng)成本的目的。
5、結語(yǔ)
讀《報告》感慨暖通行業(yè)新技術(shù)、新材料、新工藝、新理念、新策略等層出不窮。作為一名暖通行業(yè)工程師，必須保持學(xué)習狀態(tài)，不學(xué)習就要被淘汰。須適應新事物的發(fā)展、改變傳統的設計方法、設計理念、學(xué)習新的設計手段。針對高效冷凍機房新技術(shù)中冷卻水系統的節能研讀《報告》后有如下技術(shù)層面的感悟：
1、采用冷卻水系統的大溫差，其節能原理類(lèi)似于文中提到了第一類(lèi)冷水系統的大溫差，因此在設計中
盡可能地采用雙向大溫差系統，具體的溫差數據根據整體高效機房所需達到的節能標準確定；
2、考慮到任何時(shí)段降低冷卻水供水溫度，對降低主機能耗有利，順應 2℃-3℃逼近度理念，須評判 16℃-30℃全工況下的冷卻水的節能性，并兼顧 2022 年連續高溫天氣下，濕球溫度很高情況下如何保持制冷機房高效運行等因素，和業(yè)主及系統集成商一道研究打破 37℃-32℃設計常規，經(jīng)濟合理地加大冷卻塔散熱設計；
3、在建筑方案設計中，將冷卻水系統設計前置，優(yōu)化冷卻水系統管路設計，降低冷卻水系統輸送能耗；
4、深入學(xué)習和研究冷卻水系統節能途徑，理解和領(lǐng)悟冷卻水系統節能途徑及如何驗證其節能的方法，為更好設計冷卻水系統硬件提供思路。
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