集成式冷水机站在厂房节能改造中的应用*
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摘要 介绍了集成式冷水机站的优点及其在无锡某电子企业计算机硬盘驱动架装配厂房洁净空调系统改造项目中的应用。结果表明:采用集成式冷水机站替代原有的制冷机组后，系统COP明显提高；每年可减少55%的运行费用，项目初投资回收期为2.5 a。
关键词 集成式冷水机站 洁净空调 节能改造 运行费 初投资
0 引言
随着我国城市建设的不断推进，建筑能耗逐渐增大，建筑节能日益成为人们关注的焦点。而随着我国工业自动化程度的不断提高，工业空调节能也越来越受到人们的重视[1-2]。在大型建筑及工厂中，风冷式冷水(热泵)机组以及水冷式冷水机组得到广泛应用。通常风冷机组的寿命为10～15 a，水冷机组的寿命为15～20 a。随着使用年数的增加，受机械磨损及换热器结垢的影响，机组制冷量和效率逐渐衰减，其中，风冷机组还易受到肋片损坏以及灰尘阻塞的影响，效率衰减更快，机组能效更低。根据相关调查统计得知，运行超过10 a的风冷机组效率普遍衰减50%以上，水冷机组效率衰减30%以上。因此，为了提高工业建筑空调系统的性能，在其使用周期内经常会进行几次节能改造[3]。而在工业厂房空调系统的节能改造中，需要考虑机房施工难度、施工周期、系统管路连接等多种因素，因此需要较为完整的方案设计和施工管理，难度较大。
本文介绍一种新型空调制冷设备——集成式冷水机站在工业厂房空调节能改造中的应用，并对实施后的效果进行实测，为相关改造提供参考。
1 集成式冷水机站介绍
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① 集成式冷水机站 ② 蒸发式冷凝器 ③ 螺杆式压缩机 ④ 降膜式蒸发器 ⑤ 冷水泵 ⑥ 节能优化控制系统 ⑦ 冷却水泵
图1 集成式冷水机站设备集成示意
集制冷、水力输送和优化控制于一体的集成式冷水机站(简称ICS)如图1所示，是将压缩机组、换热器组、水力模块和电气控制系统在工厂内装配集成并完成系统调试的整体设备。集成式冷水机站具有如下特点:无需另外配置水泵和冷却塔，可以取代传统的由冷水机组、水泵、冷却塔、管道系统和电控系统组成的传统制冷系统，节省机房用地面积和基础建设投资；所有设备和连接管道都在工厂内预制于整体结构中，统一测试合格后出厂，质量可靠；具有户外型防雨外壳，内部零件全部符合IP55电气防水标准，可在室外地面或屋顶直接安装，减少了管道施工量和现场调试时间，施工费用少，无环境干扰，现场仅需连接进出水管道及总供电线路即可投入使用，各组件设备电源由机站内自行分配完成。
采用业内领先的水喷淋式冷却和降膜式蒸发器2项高效传热技术，配合独有的节能优化控制技术(综合调节压缩机能级、水泵频率和风机频率，部分负荷下无性能衰减，综合部分负荷性能系数IPLV远高于传统的冷水机房)，显著降低了压缩机、水泵和风机的总功耗，整体性能系数(COP)高达5.0，远高于传统的风冷型和水冷型冷水机房系统的COP，可以为用户节省30%以上的电费支出。
采用工业触控计算机人性化操作界面，内置节能优化算法使系统运行于最佳效率点，基于网络通讯协议，互联网实时监控运行数据，采用云服务平台，计算机、手机可随时随地远程登录，并可通过短信或微信实现报警信息自动推送；除了传统单制冷功能，集成式冷水机站还具有其他功能，如热泵制热、低温出水，多种选配功能，如自由冷却功能模式，可在冬季低温季节免费制取冷量，冷凝热回收功能，在制冷的同时制取生活热水；集成式冷水机站可应用于宾馆、饭店、商业大厦、办公建筑等场所的空调和印刷、纺织、化工、石油等工矿企业的工艺过程冷却，在既有项目改造中，可以针对项目的特点进行主机替换，保证系统高能效运行，特别适用于工矿企业的新建和改造项目。
2 集成式冷水机站应用于工程项目分析
2.1 工程概况
某电子企业精密零部件(无锡)有限公司位于无锡国家高新技术产业开发区，是该企业集团公司在无锡投资设立的一家全资子公司，属新加坡独资企业,主要生产计算机硬盘驱动架。
公司拥有2个计算机硬盘驱动架装配厂房，分别由5级(原100级)的洁净车间和7级(原10000级)的洁净车间组成，总面积为3 160 m2，其中5级洁净车间的面积为640 m2。净化车间的温湿度全年要求分别为:(18～26)℃±1 ℃，(40%～60%)±5%。厂房内需要供冷的洁净车间为:东(Ⅰ期)5级洁净车间；东(Ⅰ期)7级2层洁净车间；西(Ⅱ期)5级洁净车间；东(Ⅰ期)7级1层洁净车间；西(Ⅱ期)7级洁净车间。
根据原来的需求计算，夏季设计日尖峰冷负荷为3 546 kW，冬季尖峰冷负荷为1 410 kW。原空调系统采用风冷式冷水机组为洁净车间空调区域供冷，同时选用空气源热泵机组为办公区域供冷、供热，夏季冷水机组制冷量不足时使用空气源热泵机组辅助制冷。负荷校验得知，原设计装机容量偏大。
原空调系统分别于2005年和2007年投入使用，制冷机组长时间运行后效率衰减严重，车间温度无法满足正常生产要求，并且每年耗电量巨大，在夏季运行时还经常发生故障，维修费用较高。因此，业主迫切希望更换主机，对系统进行改造。
2.2 工程改造前情况及实测分析
改造前的空调系统如图2所示。系统由3台734 kW的风冷式冷水机组、3台683 kW的空气源热泵机组以及6台冷水泵组成，水泵为定频水泵。具体参数见表1，2。根据业主提供的信息，在夏季6—9月，总共开5～6个机头用于制冷，在过渡季3，4，5，10，11月，总共开4～5个机头用于制冷，在冬季1,2,12月，总共开2～3个机头用于制冷。
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图2 改造前的空调系统原理图
表1 原空调系统冷水机组参数
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表2 原空调系统冷水泵参数
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为了准确了解原有冷水机组的运行状态，调取了2014年8月15日1#风冷式冷水机组和2#空气源热泵机组的现场测量数据进行分析，实测时室外温度为37.2 ℃，室外相对湿度为78.6%。原空调系统冷水机组实测性能指标见表3。
表3 原空调系统冷水机组实测性能指标
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因机组控制柜无显示压缩机输入功率的功能，故根据实测电流和电压计算其输入功率。原空调系统机组衰减率见表4。
根据测试结果可知，风冷式冷水机组和空气源热泵机组的冷水出水温度分别达到了10 ℃和11 ℃，温度过高，原因是机组冷凝器换热效果差，造成冷凝压力高，系统制冷量减少，使水温无法达到7 ℃，造成了夏季净化车间的湿度偏高，空调效果差。制冷机组效率下降后，夏季高温季节6台机组全载运行，能耗过大，供回水温差过小，出水温度过高，系统制冷效率下降，所以机组的冷量衰减明显。由表4可知，机组衰减率分别为46%和66%。经勘测了解和分析得知，经过长达10 a的运行，机组风冷肋片已经遭到很大程度的堵塞和破坏，风冷冷凝器散热效果差，冷凝压力较高，在夏季高温天气运行时，机组很容易出现高温报警或者开机困难等现象，且故障率较高，维修成本大。
表4 原空调系统机组衰减率
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2.3 改造方案
该工程为厂房洁净室工程，其末端系统为洁净系统，空调系统设计较为复杂，而且节能改造时企业仍维持生产，无法进行全面的空调系统整改，故只能根据需要对部分管路进行重新设计和调整，改造工程主要以更换性能严重衰减的空调主机为主。
从业主需求来看，厂房制冷需求量大，而仅仅在冬季才需要部分供热，且制热量相对较小，所以根据满足夏季高温季节尖峰时刻制冷需求选择机组。另外，厂区所有的空调机房面积狭小，无法进行改造扩建，新增机组只能露天放置在室外。
根据以上情况，方案设计考虑风冷式冷水机组以及同样可室外放置的高效集成式冷水机站。
一般地，风冷机组具有以下特点:
1) 系统效率较低，目前市场上高效型风冷冷水机组COP一般也不超过3.5(不包括冷水泵功耗)。
2) 采用风冷冷凝器与空气进行换热，冷凝温度较高，一般达到45 ℃以上，压缩机功耗大，容易受环境影响，肋片使用寿命短，效率衰减快。
3) 系统冷水泵需额外配置，机组与水泵独立控制，无法优化运行控制。
采用集成式冷水机站，相比于风冷式冷水机组，具有如下优势:
1) 采用蒸发式冷凝器，管外喷淋水蒸发冷却，降低了冷凝温度，最低可降至35 ℃以下，明显降低压缩机能耗。
2) 采用降膜式蒸发器，提高了蒸发温度，相同工况下增大制冷量的同时减少了压缩机功耗。采用强化传热技术，最大程度提高蒸发温度，可提高至6 ℃以上。
3) 机站一体化设计，包含压缩机、水泵及风机。系统优化控制压缩机无级调节，配合水泵及风机变频运行，确保在不同工况及负荷下系统都运行在最佳能效点，最大程度降低功耗，机站总COP远大于3.5。
4) 可接入互联网，随时随地远程监控设备运行状况。
通过与业主充分交流和实施正式招标程序，最终业主评估后决定将原系统的4台风冷机组(其中1台为空气源热泵机组)用2台单冷型高效集成式冷水机站替代，单台制冷量为1 120 kW，用于厂区洁净室工艺性空调的全年供冷；保留2台空气源热泵机组，用作夏季制冷补充以及冬季办公区域舒适性供热。并对整个空调系统管道作相应的改造，增加分、集水器为各个空调车间供、回水，有助于部分负荷下机组的运行控制，达到节能设计的目的，同时在外部设置自由冷却设备，保证在低温季节可免费制冷，更大程度降低能耗。改造方案空调系统原理图见图3。
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图3 改造后的空调系统原理图
系统运行控制过程为:空调供、回水系统中，1#，2#空气源热泵机组所在的系统夏季供冷、冬季供暖，满足厂区的办公舒适性需求，兼作冷水机组系统夏季供冷的补充；1#，2#冷水机站所在的系统常年供冷，满足厂区工艺性需求。集中空调系统冬、夏季运行通过阀门进行切换:夏季运行时，阀门V1,V2关闭，阀门V3,V4开启，阀门V5，V6，V7，V8开启，空气源热泵机组和集成式冷水机站联合向厂区供冷，阀门V9,V10关闭，切断蒸发冷却回路；冬季运行时，阀门V1,V2开启，阀门V3,V4关闭，舒适性空调进行供热，工艺性空调进行供冷，2个回路分别工作；阀门V5，V6，V7，V8关闭，集成式冷水机站与供热回路切断，阀门V9,V10打开，板式换热器回路投入系统使用，优先使用自由冷却功能，由蒸发式冷凝器和冷却塔作为自然冷却设备，由室外环境冷却工艺冷水(根据板式换热器的出水温度进行判定，当蒸发自由冷却量不够时，开启集成式冷水机站进行补充)。
2.4 节能分析
业主2013年空调主机年耗电量为2 258 974 kW·h，按无锡工业用电平均价格0.78元/(kW·h)计算，其年制冷费用约为176.2万元。现场实测的风冷机组制冷COP为1.74，1.06，考虑测试误差以及机组运行情况的不同，为了保证计算的可靠性，取机组COP为1.90进行保守估算，得到风冷机组的全年综合部分负荷性能系数IPLV约为2.1，主机全年制冷量=2 258 974 kW·h×2.1=4 743 845 kW·h。
采用高效集成式冷水机站(制冷量1 120 kW；蒸发器进/出口温度12 ℃/7 ℃；总功率221 kW；设计环境湿球温度28 ℃)代替原风冷冷水(热泵)机组，考虑到机组全年制冷负荷变化以及外界环境因素影响、机组不在标准设计参数下运行等因素，取冷水机站年运行平均COP为4.7保守计算，则年耗电量为4 743 845 kW·h÷4.7=1 009 328 kW·h，年电费为1 009 328 kW·h×0.78元/(kW·h)=78.7万元。该系统改造成本约254万元，2.5 a左右即可以收回成本。
2.5 工程实施
2015年5月17日开始施工，2015年8月15日完成改造,同年8月25日正式验收，交付业主使用。具体改造措施如下:
1) 拆除3台旧的风冷式冷水机组(单台制冷量为734 kW)及1台空气源热泵机组(单台制冷量为683 kW)及其对应的4台冷水泵。考虑到原设计装机容量较大，用2台集成式冷水机站(单台制冷量为1 090 kW)代替，如果在夏季尖峰时段系统冷量不够，则由留下的空气源热泵机组补充制冷，系统耗电量降低。机组无需机房，布置在旧风冷机组拆除后的空地上。
2) 对拆除的4台冷水机组原有基础以及部分冷水管路进行改造。原有制冷系统管路为1台风冷式冷水机组对应1路净化空调供水(共4路供水)，机组间互为备用，机组运行为手动切换。现添加1组集、分水器，由分、集水器向末端供、回水。2台集成式冷水机站制取冷水，输送到分、集水器。2台旧的空气源热泵机组管路分两部分:一部分连接到分、集水器，作为夏季供冷管路；另一部分直接接入厂房，作为冬季舒适性空调供热管路。