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(dān)任主編的《中國高效空調(diào)制冷機(jī)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(jī)房在規(guī)劃、設(shè)計、施工、調(diào)試、運(yùn)維等各個不同階段的專業(yè)闡述，詳細(xì)分析了高效空調(diào)制冷機(jī)房的實施途徑，是對高效空調(diào)制冷機(jī)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(jī)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(jī)房高效節(jié)能之路。
2、冷卻水系統(tǒng)的兩個溫差
全面精細(xì)化實現(xiàn)高效制冷機(jī)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(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(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(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(jī)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(jī)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(fù)荷需求降低時，通過冷水機(jī)組變頻、水泵變頻適應(yīng)負(fù)荷降低的需求，達(dá)到部分負(fù)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(fēng)機(jī)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(dāng)然，我們知道冷卻水供水溫度降低 1℃，主機(jī)能耗將降低約 3%，對主機(jī)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(xiàn)[2]。這類大溫差的本質(zhì)是：在主機(jī)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(jī)制冷量前提下，主機(jī)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(jī)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(jī)組的大溫差（姑且叫第二類大溫差），即通過改進(jìn)末端空調(diào)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，只要空調(diào)機(jī)組出風(fēng)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(xiàn)三[3]中南京三山街大型購物中心高效制冷機(jī)房的大溫差供回水溫度為 10℃-16℃；文獻(xiàn)四[4]提到的五邑大學(xué)教學(xué)樓高效制冷機(jī)房的供回水溫度為 10℃-18℃，當(dāng)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(shè)備，從換熱能力、出風(fēng)溫度、風(fēng)側(cè)壓降、水側(cè)壓降等四個維度進(jìn)行全面優(yōu)化）及輔助電風(fēng)扇的采用，能達(dá)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(jī)房某項目能效可達(dá)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(yùn)營涉及到方方面面，如冷卻塔自身的品質(zhì)（如電機(jī)效率、布水的均勻性措施等）、不同類型主機(jī)的品質(zhì)（如磁懸浮離心機(jī)、變頻冷水機(jī)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(jī)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(jī)或或磁懸浮離心機(jī)的項目，通過減少主機(jī)臺數(shù)，若干臺主機(jī)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)能量占比較小；當(dāng)然不同系統(tǒng)、運(yùn)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(xiàn)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(yùn)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(yùn)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(hù)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(yáng)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(yáng)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(jī)廠家協(xié)商采用冷凝器阻力較低的主機(jī)，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(dǎo)致流量減少進(jìn)一步降低了主機(jī)冷凝器側(cè)的局部阻力；3）優(yōu)化主機(jī)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(jī)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?biāo)畯濐^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(lán)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(yáng)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(yáng)程，使得冷卻水泵的能耗大大降低。
3.3、冷卻塔風(fēng)機(jī)的節(jié)能途徑
《報告》對 P75 頁寫道：當(dāng)冷水機(jī)組只有一臺運(yùn)行時，群控系統(tǒng)將啟用冷卻塔節(jié)能運(yùn)行程序，增加實際布水的冷卻塔臺數(shù)，而不開冷卻塔風(fēng)機(jī)，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(dāng)冷卻塔全部通水，且其出水溫度已經(jīng)提升高到 30℃，恢復(fù)到一機(jī)對一塔模式。筆者認(rèn)為，文中所提到的冷卻塔風(fēng)機(jī)的控制策略的前提是：確保冷卻塔出水溫度處于滿足主機(jī)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(jī)該如何運(yùn)行。
文獻(xiàn)八[8]給出了冷卻塔風(fēng)機(jī)最優(yōu)運(yùn)行時需要考慮的 4 個因素：1）風(fēng)機(jī)與變頻器電耗；2）冷卻塔效率；3）冷機(jī) COP；4）運(yùn)行策略的可行性等。根據(jù)某實測數(shù)據(jù)，2 臺風(fēng)機(jī)以 f=36HZ 運(yùn)行，與 3 臺風(fēng)機(jī)分別以 25HZ和 30HZ 運(yùn)行來對比運(yùn)行數(shù)據(jù)，3 臺風(fēng)機(jī)以 25HZ 運(yùn)行，對比 2 臺風(fēng)機(jī)以 36HZ 運(yùn)行，節(jié)省了風(fēng)機(jī)與變頻器能耗 33%；在確保風(fēng)機(jī)和變頻器能耗相同的情況下，3 臺風(fēng)機(jī)以 30HZ 運(yùn)行，冷卻塔效率提高 9%，冷機(jī) COP 也有所提高；另根據(jù)某實測數(shù)據(jù)，當(dāng) 3 臺冷卻塔風(fēng)機(jī)以 25HZ 運(yùn)行，對比一臺風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，雖然風(fēng)機(jī)與變頻器能耗相同，但前者三臺冷卻塔均在運(yùn)行比后者一臺冷卻塔風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行在冷卻塔效率和冷機(jī) 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(yùn)行低能耗運(yùn)行。
以上分析冷卻塔運(yùn)行方式采用相同型號、寬頻、低能耗等運(yùn)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(yùn)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(dǎo)致冷卻水水溫偏高，增加主機(jī)的能耗等痛點(diǎn)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(yùn)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(jìn)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(jī)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(jī)的冷凝溫度始終處于較低值，從而提高制冷主機(jī)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(jī)組電耗，與冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗增加之間的冷卻塔
供水溫度平衡點(diǎn)。
《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(fēng)機(jī)頻率以維持冷卻水供水溫度。
4.1、高效機(jī)房冷卻水系統(tǒng)多途徑節(jié)能運(yùn)行的驗證
建筑信息化模型（BIM）技術(shù)在高效制冷機(jī)房設(shè)計中發(fā)揮重要作用：優(yōu)化管線布置、節(jié)省機(jī)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(jī)房總能耗、總制冷量、COP 曲線、SCOP 曲線、機(jī)房日常能耗趨勢、能耗-溫度關(guān)系。各個機(jī)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(jī)運(yùn)行臺數(shù)和運(yùn)行比率下的能耗驗證、冷卻塔不同運(yùn)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(fèi)分析。重點(diǎn)能耗設(shè)備管理等多種手段，以達(dá)到降低制冷系統(tǒng)運(yùn)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(xué)習(xí)狀態(tài)，不學(xué)習(xí)就要被淘汰。須適應(yīng)新事物的發(fā)展、改變傳統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計理念、學(xué)習(xí)新的設(shè)計手段。針對高效冷凍機(jī)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(jī)房所需達(dá)到的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)確定；
2、考慮到任何時段降低冷卻水供水溫度，對降低主機(jī)能耗有利，順應(yīng) 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(jī)房高效運(yùn)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(jì)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(xué)習(xí)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。
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