1、前言
由中國建筑節(jié)能協(xié)會暖通空調(diào)分會牽頭組織，全國工程勘察設(shè)計大師徐偉先生擔任主編的《中國高效空調(diào)制冷機房發(fā)展研究報告》（以下簡稱報告）一書通過總結(jié)目前中國高效空調(diào)制冷機房在規(guī)劃、設(shè)計、施工、調(diào)試、運維等各個不同階段的專業(yè)闡述，詳細分析了高效空調(diào)制冷機房的實施途徑，是對高效空調(diào)制冷機房發(fā)展過程中權(quán)威的闡述。
正如江億院士所說：“合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土；千里之行，始于足下”，深信隨著綠色節(jié)能理念和政策的深入貫徹，在各方的努力下，高效空調(diào)制冷機房行業(yè)必將蓬勃發(fā)展，以創(chuàng)新為基石走向構(gòu)筑空調(diào)制冷機房高效節(jié)能之路。
2、冷卻水系統(tǒng)的兩個溫差
全面精細化實現(xiàn)高效制冷機房設(shè)計，歸納于對五大循環(huán)系統(tǒng)的深入研判后的能效提升，它們分別是：1）室內(nèi)水風循環(huán)；2）冷水循環(huán)；3）制冷循環(huán)；4）冷卻水循環(huán)；5）冷卻塔水風換熱循環(huán)，如下圖所示。其中與冷卻水系統(tǒng)節(jié)能直接相關(guān)的循環(huán)有冷卻水循環(huán)和冷卻塔風水換熱循環(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，是為兩個溫差。
《報告》P61-63 頁闡述的內(nèi)容總結(jié)下來就是，全年較好地提升制冷機房的能效須三管齊下：1）在滿足室內(nèi)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，通過冷水機組變頻、水泵變頻適應負荷降低的需求，達到部分負荷時節(jié)能的目的。
冷卻水的兩個溫差之一是指冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)溫差，是 37℃-32℃還是 35℃-30℃，還是 40℃-32℃，還是其他；冷卻水的另一個溫差即逼近度，《報告》P83 頁提到，冷卻塔風機變頻將被調(diào)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(shè)定溫度即等于濕球溫度加 2.5℃，冷卻水供水溫度設(shè)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(jié)省能耗有利。
2.1、冷卻水大溫差
過去很長的一段時間內(nèi)冷水系統(tǒng)大溫差的設(shè)計及其理論為暖通設(shè)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，同時提高冷水回水溫度為代表（姑且叫第一類大溫差）如典型溫差為 7℃即 6-13℃循環(huán)溫度，末端采用吊裝空調(diào)箱的大型購物中心項目，如筆者親身經(jīng)歷的合肥萬科廣場購物中心項目，見文獻[2]。這類大溫差的本質(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℃）下選型同時選擇能效比高的冷水泵，在滿足計算制冷量和規(guī)范的主機制冷量前提下，主機能耗的增加的數(shù)值小于水泵能耗的下降的數(shù)值，使得冷水循環(huán)側(cè)的主機和水泵的綜合能效最小。近年來出現(xiàn)的冷水側(cè)大溫差即中溫冷水機組的大溫差（姑且叫第二類大溫差），即通過改進末端空調(diào)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，只要空調(diào)機組出風干球溫度控制在≤14℃以下，系統(tǒng)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(tǒng)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]提到的五邑大學教學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，是配合了改進的末端（需要采用全新的中溫末端設(shè)備，從換熱能力、出風溫度、風側(cè)壓降、水側(cè)壓降等四個維度進行全面優(yōu)化）及輔助電風扇的采用，能達到所需要的溫濕度要求。因此第二個階段的冷水大溫差是提高供水溫度，同時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(diào)系統(tǒng)制冷機房某項目能效可達到 6.85。
3、冷卻水系統(tǒng)高能效優(yōu)化技術(shù)
冷卻水系統(tǒng)的高效率運營涉及到方方面面，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降低冷卻塔的出水溫度似乎別無他法，只能在設(shè)計過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；在過渡季節(jié)，室外濕球溫度較低時，如為 17℃時，采用變頻離心機或或磁懸浮離心機的項目，通過減少主機臺數(shù)，若干臺主機可以獲得滿意的高效率，但此時供冷需求下降較多，全年節(jié)能量占比較??；當然不同系統(tǒng)、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(qū)夜間對土壤源熱泵提供了優(yōu)惠的電價政策，為了地埋管側(cè)冷熱平衡可在夜間運行輔助冷卻塔，這兩個情況下，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(tǒng)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，采用保溫層及保護層，可有效降低暴露在陽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(tǒng)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 頁所寫總結(jié)并延申如下：1）盡可能和主機廠家協(xié)商采用冷凝器阻力較低的主機，如通過優(yōu)化殼管式換熱器設(shè)計，使得冷凝器阻力≤4.0mH2O；2）大溫差導致流量減少進一步降低了主機冷凝器側(cè)的局部阻力；3）優(yōu)化主機房和冷卻塔位置與管路走向，降低冷卻水管道長度；4）通過控制管道管徑大小控制管內(nèi)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(nèi)；5）水泵和主機連接采用 135 度彎頭代替 90 度彎頭，減少常規(guī)設(shè)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，如過濾器采用直角過濾器或藍式過濾器阻力僅為 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(tǒng)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、冷卻塔風機的節(jié)能途徑
《報告》對 P75 頁寫道：當冷水機組只有一臺運行時，群控系統(tǒng)將啟用冷卻塔節(jié)能運行程序，增加實際布水的冷卻塔臺數(shù)，而不開冷卻塔風機，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機的控制策略的前提是：確保冷卻塔出水溫度處于滿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機該如何運行。
文獻八[8]給出了冷卻塔風機最優(yōu)運行時需要考慮的 4 個因素：1）風機與變頻器電耗；2）冷卻塔效率；3）冷機 COP；4）運行策略的可行性等。根據(jù)某實測數(shù)據(jù)，2 臺風機以 f=36HZ 運行，與 3 臺風機分別以 25HZ和 30HZ 運行來對比運行數(shù)據(jù)，3 臺風機以 25HZ 運行，對比 2 臺風機以 36HZ 運行，節(jié)省了風機與變頻器能耗 33%；在確保風機和變頻器能耗相同的情況下，3 臺風機以 30HZ 運行，冷卻塔效率提高 9%，冷機 COP 也有所提高；另根據(jù)某實測數(shù)據(jù)，當 3 臺冷卻塔風機以 25HZ 運行，對比一臺風機工頻運行，雖然風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機工頻運行在冷卻塔效率和冷機 COP 數(shù)據(jù)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方面是從冷卻塔水系統(tǒng)入手：從前很多項目冷卻塔多臺運行時，存在塔之間供水能力不均勻和部分填料缺水現(xiàn)象，導致冷卻水水溫偏高，增加主機的能耗等痛點現(xiàn)象需要解決，提升既定冷卻塔效率，主要有以下兩個解決方案。
一是解決多臺冷卻塔并聯(lián)運行時水力分布均勻性問題。在空調(diào)水系統(tǒng)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(jié)構(gòu)噴嘴、塔體水力分布形式。開式冷卻塔上方集水盤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壓影響每個下水孔下水能力不同，極端存在部分部分下水孔沒法下水，未能充分利用填料板的換熱能力。很多冷卻塔廠家已經(jīng)根據(jù)上方集水盤形狀、供水支管出口壓力，調(diào)整布水孔布置方式，可采用不對稱型布孔方式，保證每個孔下水量相對均勻，增加水與空氣的換熱等方式，進一步提高填料層和水接觸面積，提升冷卻水系統(tǒng)降溫潛力。
4、高效機房對冷卻水系統(tǒng)節(jié)能的控制
《報告》對 P75 頁寫道：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(jù)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，與冷卻塔風機能耗增加之間的冷卻塔
供水溫度平衡點。
《報告》對 P129 頁寫道：采用冷卻水供回水溫差結(jié)合設(shè)定值來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(tǒng)設(shè)定值，則 PID 調(diào)節(jié)升高所有冷卻塔風機頻率以維持冷卻水供水溫度。
4.1、高效機房冷卻水系統(tǒng)多途徑節(jié)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(shè)計中發(fā)揮重要作用：優(yōu)化管線布置、節(jié)省機房空間、優(yōu)化管線設(shè)計、降低系統(tǒng)阻力、集成設(shè)備性能數(shù)據(jù)、統(tǒng)籌設(shè)備優(yōu)化選型、提高設(shè)備、管線與附件的集成度，提高施工安裝效率。
通過餅圖、柱狀圖、曲線圖等方式對機房總能耗、總制冷量、COP 曲線、SCOP 曲線、機房日常能耗趨勢、能耗-溫度關(guān)系。各個機組能耗統(tǒng)計對比、各臺冷卻塔、冷水泵、冷卻水泵能耗數(shù)據(jù)，不同主機運行臺數(shù)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。
通過能源控制、能源統(tǒng)計、能源消費分析。重點能耗設(shè)備管理等多種手段，以達到降低制冷系統(tǒng)運營成本的目的。
5、結(jié)語
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，必須保持學習狀態(tài)，不學習就要被淘汰。須適應新事物的發(fā)展、改變傳統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計理念、學習新的設(shè)計手段。針對高效冷凍機房新技術(shù)中冷卻水系統(tǒng)的節(jié)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(tǒng)的大溫差，其節(jié)能原理類似于文中提到了第一類冷水系統(tǒng)的大溫差，因此在設(shè)計中
盡可能地采用雙向大溫差系統(tǒng)，具體的溫差數(shù)據(jù)根據(jù)整體高效機房所需達到的節(jié)能標準確定；
2、考慮到任何時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(jié)能性，并兼顧 2022 年連續(xù)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(tǒng)集成商一道研究打破 37℃-32℃設(shè)計常規(guī)，經(jīng)濟合理地加大冷卻塔散熱設(shè)計；
3、在建筑方案設(shè)計中，將冷卻水系統(tǒng)設(shè)計前置，優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)管路設(shè)計，降低冷卻水系統(tǒng)輸送能耗；
4、深入學習和研究冷卻水系統(tǒng)節(jié)能途徑，理解和領(lǐng)悟冷卻水系統(tǒng)節(jié)能途徑及如何驗證其節(jié)能的方法，為更好設(shè)計冷卻水系統(tǒng)硬件提供思路。
參考文獻
1、徐偉 中國高效空調(diào)制冷機房發(fā)展研究報告 [M] 北京：中國建筑工業(yè)出版社 2022 年 9 月
2、撒世忠 某大型購物中心暖通空調(diào)設(shè)計探討 [J]. 江蘇建筑 2018 年增刊 119-140
3、簡亞婷 陳剛 賈沛等 南京某商業(yè)項目高效制冷機房設(shè)計 [J]. 暖通空調(diào) 2022 年 52（4）：47-51
4、清華大學建筑節(jié)能研究中心著 中國建筑節(jié)能年底發(fā)展研究報告 [M]北京：中國建筑工業(yè)出版社 2022 年 3 月
5、陸瓊文 劉漂 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計溫差節(jié)能分析 [J]. 暖通空調(diào) 2022 年 52（4）13-17
6、鮑梁 撒世忠 謝擁軍 冷卻塔在土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的選型探討 [J]. 江蘇建筑 2019 年第五期 110-113
7、撒世忠 某大型住宅科技系統(tǒng)空調(diào)設(shè)計探討 [J]. 暖通空調(diào) 2021 年 51 卷 S2 期刊 372-377
8、劉加根 嚴玢 余瓊冷卻塔風機運行節(jié)能之模式與策略的分析 [J]. 建筑科學 2009 年第 25 卷第二期 35-38
