辽宁大厦空调制冷站设计探讨

简介： 通过对三种冷源方案的技术经济分析比较，该空调制冷站确定选用了三台蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组，空调冷冻水系统采用一次环路闭式机械循环水系统。对该空调制冷站和其他设备用房实行计算机统一控制，在中央控制室的微机中设有温度控制和压差控制等程序，根据设定的参数启闭冷水机组等设备或调节控制阀门。本文通过设计实例着重讨论了如何选择空调制冷站的冷源以及主要设备、水系统的控制方式，并根据工程的运行情况总结出了设计经验及教训。

1工程概况

辽宁大厦位于沈阳市皇姑区，为辽宁省政府重点工程，总建筑面积55000m2，已建成使用多年。此次对大厦及其辅助设施进行总体改造，增设集中空调系统，并在外部动力区内设置动力站，总建筑面积2100m2。空调制冷站设在动力站的二层，为大厦及辅助建筑提供空调冷源。

空调制冷站的总装机制冷量为4959kW，单位建筑面积冷负荷指标为90W/m2。制冷站的主要设备和技术参数如下：

SCC-51型蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组，三台

名义制冷量：1653KW

冷冻水进出口温度：供水7.0℃/ 回水12.0℃

冷冻水流量：285m3/h

冷却水流量：470m3/h（冷却水进出口温度：32.0℃/ 37.6℃）

蒸汽耗量：2160kg/h（蒸汽压力：0.6MPa）

电功率容量：19.7KVA

冷冻水循环泵:ISW200-400(I)B型单级离心水泵，四台，三用一备。

流量：346 m3/h 扬程：37.4m 电机功率：55kW

冷却水循环泵:ISW250-315A型单级离心水泵，四台，三用一备。

流量：500m3/h 扬程：28m 电机功率：55kW

冷却水塔:CTA-420UFWL角型横流式冷却塔，三台。

冷却水量：470 m3/h 电机功率：3*3.7Kw

空调制冷站总用电量为422kW。主机及冷却塔均采用合资公司产品。冷却塔设置在动力站的二层屋面上。工程于2002年5月建成并投入运行。

2冷源的选择

公共建筑制冷系统的能耗在建筑总能耗中占有很大的比例，而且随着经济的发展这一比例正以较大的幅度逐年上升。科学、合理地选择集中空调系统的冷、热源，对于节约能源、保护环境、保障空调系统能够经济、安全、高效地运行有着重要意义。因此，在设计之初，应根据建筑物的用途、所需空调制冷量的大小及冷水温度的高低，以及电源、水源、气象条件、地理位置等情况，通过技术经济比较确定。

该空调制冷站和辽宁大厦新扩建的燃煤蒸汽锅炉房比邻，二者之间仅隔有一道沉降缝。该锅炉房不仅要为辽宁大厦及其附属设施提供采暖、生产、生活热水等热能，而且，它还将作为区域集中供热中心，为附近的省老干部活动中心、凤凰饭店，以及友谊花园等大片地区提供热能。锅炉房总装机容量为28MW，其中大部分为冬季采暖热负荷，近期夏季总热负荷只有6.3MW。夏季只需起动一台锅炉，仍不能满负荷运行，造成大部分设备和人员的闲置。蒸汽汽源稳定而可靠，凝结水也可以被完全回收利用，因此，以蒸汽为能源的热力型冷水机组便成了冷源的首选。

然而从能源利用角度来说，热力机组不如电力机组有优势。衡量制冷机制冷效率高低的一个重要指标是制冷机在规定工况下单位轴功率的制冷量ke（即通常所说的性能系数COP）。不同型式的冷水机组的COP也不同，以电力为驱动能源的压缩式制冷机的COP较高，例如螺杆式冷水机组的COP约为4.50~5.56，离心式冷水机组约为4.76~5.90，而以蒸汽为能源的热力型吸收式冷水机组的COP较低，直燃型溴化锂吸收式冷水机组COP为1.0~1.33，蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组的COP则只有1.0~1.23。因此，仍然需要通过技术经济比较来最终确定冷源的形式。

根据用户需要7~12℃的冷水，以及其他条件，考虑了下面几种冷源方案：

方案1：蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组。主要设备如上所述。

方案2：压缩式冷水机组。以某离心式冷水机组为例，主要设备如下：

①离心式冷水机组，三台

名义制冷量：1650kW

冷冻水进出口温度：供水7.0℃/ 回水12.0℃

冷冻水流量：285m3/h

冷却水流量：350m3/h（冷却水进出口温度：32℃/ 37℃）

总电功率：312kW

②冷冻水循环泵:同方案1。

③冷却水循环泵:ISW250-315(I)A型单级离心水泵，四台，三用一备。

流量：374m3/h 扬程：28m 电机功率：45kW

④冷却水塔:CTA-265UFWL角型横流式冷却塔，三台。

电机功率：2*3.7kW

方案3：直燃型溴化锂吸收式冷水机组。已有锅炉房作为热源，再上直燃机组将重复设置，加大投资没有必要。

下面 对方案1、2做技术经济分析。当初设计时沈阳市商业用电电价为均一价0.749元/kWh（5月1日至9月30日）。锅炉房产生1吨0.6MPa蒸汽的运行成本按45元计算（包括能源消耗、设备折旧及人工费等）。夏季每天供冷时间为20h/d，每年供冷按100天计算，则每年总供冷时间为2000h。供冷期间冷源平均出力按设计容量的2/3计算。主机平均使用寿命按23年计算，其他设备平均使用寿命按20年计算。各方案的设备费及能源消耗费用等计算结果见表1。表1中未列出整个制冷系统的运行费用，是因为二者在维护管理、人工费等方面相差不大，而在能源消耗方面差别很大。因为二者耗水量几乎相同，水价也比较低廉，能源费中未包含水费。

表1投资及运行费

由 表1可以看出，二者的设备费及折旧费用相差不大，但是方案2的主要设备总电功率高达1258kW，尽管已经取消了电力增容费，但是拟建在该动力站地下室的10kV变电所的容量就会不敷使用，必须再次扩容，所需投资费用很大。如果将这部分费用计算在内的话，方案2的初投资将大大高于方案1。在运行费用方面，方案1的年消耗能源费只有方案2 的65%左右，每个制冷季可比方案2节省40多万元。从计算结果来看，无论是初投资还是运行成本，方案1都大大少于方案2。当然，产生这样大的差别有一个重要原因是自有锅炉房，不增加初投资，蒸汽的成本也比较低。

另外，溴化锂水溶液无毒，对臭氧层无破坏作用。而且，溴化锂吸收式冷水机组操作方便，制冷量调节范围大，可实现20%~100%无级调节，有利于部分负荷时的运行调节；吸收式冷水机组无压缩机，运转部件少，噪声低，振动小。因而最终确定采用蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组作为大厦的冷源。该冷水机组由微机控制，可实现全自动操作运行，在起动后10分钟内转入全负荷运转状态。而且由于冷水系统容量大，负荷比较稳定，机组在部分负荷状态下调节性强，因此选择三台同一机型、容量相同的冷水机组，便于运行管理和维护检修，也不会出现频繁启停的现象。

3水系统形式选择

水系统形式与管路复杂程度、投资运行费用以及对运行管理水平的要求密切相关。为简化管路，节约投资，冷冻水系统采用一次环路闭式机械循环水系统（见图1），并由微机控制补水泵补水定压。冷冻水系统补水采用处理后的软化水，经常温过滤式除氧器除氧后，由补水泵补入系统。冷却水系统补水采用自来水，并在管路中配置一台全程电子水处理仪。

国产水泵的故障率较高，为保证满足建设单位提出的空调制冷系统随时能够满负荷运行的要求，冷冻水循环泵和冷却水循环泵均设有一台备用水泵。当任何一台水泵出现故障时，备用泵应能够立刻投入到系统运行之中去，所以冷冻水泵、冷却水泵与冷水机组、冷却塔都不能一一对应设置，而只能将它们并联设置，在其进、出口设有并联集管，并增大了集管的管径，以降低集管内的水流速，可在一定程度上起到均压作用，保证各个设备均匀出力。但是水泵并联连接会导致一定程度的流量损失，设计中加大了单台水泵的流量。

这种单级泵定流量系统其水泵功率不能随冷负荷按比例减少，但是系统结构简单，管路布置方便，对运行管理水平要求不高，水泵维护检修工作量小，适应于目前国内运行管理水平普遍不高的情况。

为防止水管路堵塞，每台水泵前均设有一个水过滤器，即使因检修、排污过滤器而使一台水泵停运，也不会耽误整个系统的运行。

4自动控制设计

在机房控制室内设有微型计算机，对该空调制冷站及热交换站等设备用房实行统一控制。也就是说，将多个自动控制程序纳入该微机中，根据设定的参数启闭设备或调节阀门。

4.1冷水机组制冷量及其它有关控制，采用设备自带数字微积分比例PID电脑控制，实行全自动操作。

4.1.1自动安全保护控制。冷却水温度太低时，冷凝压力就低，使发生器反应过程加剧，发生器的溶液可能溅入冷凝器，污染冷剂水。冷却水温度太高时，会使产冷量下降，蒸发温度升高及冷剂水温度过高。该机组备有对应于19~34℃冷却水自动安全保护控制系统和溶液浓度安全控制系统，可及时停机，安全保护运转更加可靠。

4.1.2自动防结晶保护控制。溴化锂水溶液浓度过高或温度过低时，溶液会结晶。由微机控制自动测出运转状态下的溶液浓度，自动关小或关闭设在蒸汽入口处的调节阀，调整使用的蒸汽量，以达到调整溶液浓度的目的，从而控制和防止运转过程中溶液结晶的发生。

4.1.3冷水机组与冷冻水泵、冷却水泵连锁控制。为防止冷冻水结冰，开启主机之前先开启冷冻水泵和冷却水泵；当向主机发出停机信号时，冷冻水泵将继续运行15分钟。

4.2为防止进入主机的冷却水温过低，根据冷却水的温度控制冷却塔的风扇启动与停止。在每个冷却塔的出水管道上设有一个感温包，在中央控制室微机中设有温度控制程序（见图1）。当冷却塔出水温度t<22℃时，由微机控制关闭该冷却塔的风扇，这时，冷却塔出水温度会逐渐升高，如果升至t=25℃时，再次打开该冷却塔的风扇。这样设计既能使冷却水温保持相对恒定，保证冷水机组稳定运行，又可以在室外气温较低的情况下节约用电，降低冷却塔的噪声。

4.3虽然机房侧的冷水系统为定流量系统，但是因空调房间温度控制需要，节省能耗，在用户侧的风机盘管等用冷设备的冷水进水管上装设了电动二通调节阀进行水量调节。由于大厦内不同功能的房间很多，负荷变化会比较大，因而水系统的总水量变化也会比较大。为配合用户的冷水系统作变流量调节，在机房内的冷冻水供、回水总管之间设有旁通管道（见图1），在旁通管上设有一个稳压调节阀（双通道电动阀门，设计流量：310m3/h）,在控制室微 机中设有压差控制程序。

在设计工况时，制冷系统满负荷运行，负荷侧调节阀全部开启，机房内的旁通阀全部关闭，此时旁通阀前压力P1=3.2×105Pa，旁通阀后压力P2=6.6×105Pa，供、回水总管压差⊿P=3.4×105Pa。随着冷负荷的减少，用户处的二通阀部分关闭，冷水系统阻力逐渐增大，从而使⊿P增大，通过设在供、回水总管上的压力测点将压力数值的变化传送给微机，压差控制程序起动，使旁通阀的电动执行机构动作，逐渐打开旁通阀，部分冷水经旁通阀返回冷水机组。当⊿P达到一定数值，台数控制程序发出信号，冷水机组和冷冻水泵将被停掉一台，并关闭该冷水机组的蒸汽控制阀。反之，当用户负荷逐渐增大时，⊿P降低，由微机的控制程序控制旁通阀的开度逐渐减小，当⊿P降至一定数值时，恢复一台冷冻水泵和冷水机组的工作，同时打开该冷水机组的蒸汽控制阀。

这样设计可以使冷水机组和冷冻水泵的运行台数与冷负荷自动匹配，并且大幅度节省水泵的耗电量。

4.4补水泵采用变频调速装置。由微机根据冷冻循环水泵入口处的压力控制补水泵变频运转，进行连续补水定压。

5设计体会

制冷站建成后，经全面调试达到设计要求，现已经过二个夏季的使用，系统运行正常，自控装置工作有效、可靠，运转开支也比较低，用户非常满意。但是因为该工程周期很短，设计时间紧，工作量大，边设计边施工，使该工程也存在一些遗憾之处。

5.1建设单位为节约投资及运行费用，坚持要求大厦空调系统只在夏季供冷，冬季不投入运行，冬季采暖仍然只采用散热器形式，热源由锅炉房产生的蒸汽经采暖换热站提供。所以该制冷站只为空调系统提供冷水，不提供热水。冬季室内温度虽然可以达到要求，但会使室内空气干燥，而且无法得到有组织新风，其空气品质无法得到保证，建筑档次有所降低。而实际上只需再增设一台换热器，并将冷冻水管路作一些调整即可使空调系统供暖，或者只提供热风也可。初投资和运行费用不会增加很多。因此，在设计方案阶段，设计者应和建设单位互相多沟通意见，让业主充分理解设计意图，共同推出一个最佳方案。

5.2锅炉房水处理设备制取的软化水，作为锅炉的补充水，进入锅炉房的软化水箱，但该水箱同时作为动力站的蒸汽凝结水箱，水箱内水温很高，如果用作空调系统的补充水，会大大增加系统冷负荷，空调系统的补水水温越低越好。考虑到上述的原因和运行管理的方便，在动力站内又设有一套水处理设备，该设备制取的软化水，作为采暖系统（只在冬季运行）和空调系统（只在夏季运行）的补充水。

而实际上夏季蒸汽需求量较小，锅炉房水处理设备低负荷运行，仍可以为空调系统提供软化水，但是不能使用锅炉房的软化水箱，只需要另设一台空调补水箱即可；采暖系统的补水水温越高越有利，完全可以利用锅炉房的软化水箱和水处理设备；这样可以节约投资及运行费用，只是在运行管理方面需要锅炉房和动力站通力合作。

5.3由于建筑空间有限，制冷站和生活热水换热站等同处一室，中间没有隔墙，楼下还有使用大量蒸汽设备的洗衣房，造成夏季机房室温较高，对于空调系统的运行有一定影响。因此，不同使用功能的设备还是应该分室设置，并且加大机房的通风换气量，以保证机组能够在一个良好的环境下运转。

6结束语

6.1综上所述，在选择系统冷（热）源时，每个方案都不可能尽善尽美，实际工作中不仅应根据工程需要及环境资源条件等作出定性分析，还必须以具体数据对不同的方案进行量化分析，既要考虑眼前的投资利益，更要考虑长远利益，才能使整个工程设计更科学、更经济。

6.2对于大型的空调制冷站，应尽量提高其自动化水平，提高管理档次。该制冷站就是采用了微电脑控制技术，集成了空调制冷、采暖、生活热水等多个系统，用户可在控制室控制和监测机房内所有设备及运行参数，达到了机组节能、运行可靠、管理简便的目的，是本地区正常工作的为数不多的智能化控制系统之一。该系统还可以与其他楼宇控制系统相连，形成楼宇控制网络，与互联网相连可以实现远程控制，既能优化机组运行，又可提高操作管理水平，实现机房的网络管理。

参考文献

1、电子工业部第十设计院.空气调节设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1995

2、陆耀庆.实用供暖空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1993