自然冷源

自然冷源（精选4篇）

自然冷源 篇1

0 引言

中国是发展中国家,也是一个能源供应十分紧张的国家。2006年6月1日在由国务院发展研究中心产业部和世界银行共同主办的国际能源研讨会上,国务院发展研究中心产业部部长冯飞指出:中国石油国内产量最多在2亿t;到2020年,按最低方案预测,石油消耗总量将在4.5亿t,石油对外依存度达60%。国际市场不断高涨的油价对中国国民经济的影响大于发达国家,是他们的2.35倍。随着国民经济持续和快速发展,对能源的需求也快速增长,进一步加大了国内资源和环境压力。因此,如何提高能源的利用效率和开发新的替代能源是当今世界面临的紧要问题[1,2,3,4]。自然冷源即冬季寒冷空气、冰雪及冷水等作为能源的不同形式,是大自然赐予人类一笔取之不尽的巨大资源财富,对其进行科学、合理、有效的开发与利用意义十分重大而深远。

1 自然冷源利用的简史

人类自觉地利用自然冷源已有很长的历史。早在周代就设有“凌人”官职,专门掌管采冰、储冰和用冰之事;2000a前《诗经》的《国风·豳风·七月》中,也有“二之日凿冰冲冲,三之日纳于凌阴,四之其蚤(早)献羔祭韭”的诗句,描述了周人腊月采冰、正月存冰、二月用冰镇的羊羔肉和菲菜上供祭神的情形;春秋末期,在诸侯的宴席上就出现了冰镇米酒;《楚辞-招魂》称:“挫糟冻饮,酎清凉些”,意为把澧酒滤去糟渣,冷冻后在夏季饮用,清凉可口;到了唐代,市场上开始出现从事冻冰买卖业的商人;进入宋代冷饮进一步得到了发展,人们把果汁、牛奶、药菊和冰块等混合调制成冰冻的饮品用于消暑,名叫“冰酪”,类似于今天的刨冰;元代商人在冰中加蜜糖和珍珠粉,提高了冷饮的质量;清代的冷饮花样更为繁多,其中以“冰镇酸梅汤”最负盛名;到了晚清,贮冰用的冰窖已经扩展为3种,即官窖、府窖和民窖,用于供应不同层次群体的消费,据档案记载,仅畅春园冰窖工程采购原料就需白银2600余两,可见当时贮冰量已达到了相当的规模[5,6,7,8,9,10,11]。

进入近代,自然冷源的利用领域和范围得到了很大的扩展。我国对自然冷资源的传统应用包括冬季的食品及果蔬冷藏保鲜和建构筑物的室内温度调节等方面。如上个世纪电冰箱尚未普及之前,北方的居民夏季将肉鱼等易腐产品放置于井中,冬季放置于房屋背阴处,以延长保存时间。北方的冰雕是自然冷源利用与艺术展现的有机结合;利用自然冷源的滑冰场则提供了惬意的运动场所;冰雪大世界游乐场吸引了无数游客前去观光,推动了当地冰雪事业与经济的发展;自然冷源冷藏库的出现大大改善了居民的饮食结构,解决了北方居民冬季吃菜单调和夏季肉制食品易腐烂变质的问题。

2 自然冷源利用技术

自然冷源的利用尽管历史漫长,但运用现代科技对自然冷源进行有效的控制贮存利却是短短几十年的事情[12,13,14]。自然冷源蓄冷技术主要包括以下方面。

2.1 冷风蓄冷

2.1.1 冷风库

冷风蓄冷是利用冬季较低温度冷风对室内货物和墙体降温起到一定的蓄冷作用。早期各地兴建的果蔬冷风库都是基于这一原理进行果蔬的贮藏保鲜。放置果蔬的室内墙壁装有换气扇,秋冬季节白天关闭换气扇,晚间开启换气扇和房门构成进排气系统,室外的冷空气被引入室内。一部分冷风消耗于果蔬的降温和呼吸热,另一部分冷却室内墙壁进行蓄冷。这种方式非常适合购买力较低的广大农村用来进行果蔬等农副产品的贮藏保鲜。但直接利用冷风季节性特强,若天气转暖就难以持续进行下去。

2.1.2 山洞人防工程

人防工程一般处于山间地下或半地下状态,常年处于阴湿的恶劣环境,为了驱除湿气需要装置一定功率的除湿设备,消耗电力巨大。另外,战争期间安全性较差。充分利用冬季自然冷风和人防工程的换气结构进行冷凝除湿,可以有效地降低人防工程内部的相对湿度[15]。

2.2 水蓄冷

水蓄冷是利用3~5℃的低温水进行蓄冷,它靠控制蓄水量和蓄水温度来控制蓄冷量。蓄冷系统结构简单,且设计容易,与传统空调极为相似,运行可靠性好,对操作人员技术要求低,投资费用低,经济效益好,但由于水的蓄冷量低,且冷损耗大,防水保温麻烦,其应用受到了制约。

2.3 雪蓄冷

2.3.1 雪室

利用硬质材料搭建成屋架,冬季在屋顶上敷雪,形成雪室,里面用于果蔬等农产品的贮存保鲜。这种方法造价低,主要利用雪壁的隔热性能,可在一定程度上避免果蔬等农产品受到冻害。但春来温升,雪室难以久存,无法解决长期的贮藏问题,且规模也不能太大。

2.3.2 人工压雪制冰

直接存雪密度小,蓄冷量低,因此可以在水源贫乏地区冬季采集大量的雪,然后利用机械将其压成密度为0.82~0.92g/cm2的冰,存放在贮冰室内,到了夏季用来进行室内温度调节和食品保鲜。这种方法适合于多雪地区,配合城市除雪,可以节省一些制冷的冷源。但受气候和地域的影响显著,使用受到限制且也不能解决冬季农产品的冻害问题。

2.4 冰蓄冷

2.4.1 取冰贮存

经过对库内的贮藏量、贮冰量及各季节库内外热平衡等进行计算,设计成常年可以使用,并具有一定规模的贮藏设施。寒冬时节,从大海的流冰或冰封的河川、湖泊中采掘大量冰块,放在贮冰室中贮存备用。这种方法比原始的冰窖贮藏规模大,管理方便,但大规模采冰受冰源及冰质的限制,且费用高,劳动强度大,采冰作业较危险。

2.4.2 永久冻土蓄冷

在冬天借助热管技术利用自然冷源将地下窖或山洞式贮藏库周围的土层冻成一层很厚的“永久冻土”,即使春暖后期周围仍可维持低温状态。该方式简便节能,利用价值较高。但天气过于严寒时,冷库周围仍是零下数度的冻土,使贮藏室内温度也降至0℃以下,若进行果蔬等农产品贮藏保鲜,往往会引起冻害,而造成损失。

2.4.3 自然冰贮藏

在贮藏库的部分空间放置装满水的水箱,当室外温度降至冰点以下时,则有控制地引入室外冷空气将这些水冻结成自然冰。因为水在由液相变为固相时放出大量潜热,可防止果蔬免受冻害。当室外气温转暖时,则可以靠冬季在库内制成的冰继续维持库内所需要的低温、高湿条件。利用冰水相变过程中的潜热蓄冷,蓄冷密度高,蓄冷量可高达334.4kJ/kg。

3 自然冷源利用的新技术开发和应用

3.1 蓄冷方式

3.1.1 层积式制冰蓄冷系统

以加拿大的维格尼奥特和日本川田为代表的层积式制冰蓄冷系统。其蓄冷方式是先建成一座蓄冰池,冬季向池内注入一定深度的水,待一层冻结成冰后再注入水,并不断重复这一过程,直至池内水全部冻结成冰。

3.1.2 箱群式制冰系统

以日本的堂腰纯和中国的李里特为代表的箱群式制冰系统[16,17,18,19]。其蓄冷方式是将冷库分为两大部分:一部分作为货物贮存间;另一部分放置水槽作为冰(水)室。冬季利用风机强制通风,使贮冰室群箱中的水冻结成冰,在箱内水位完全冻结之前,由于凝结潜热的作用,可确保室内温度不会低于0℃,这对农产品的贮藏保鲜防止冻害极为有利。天暖时,开动风机,使贮存间通过冰室冷却至0℃左右。

3.1.3 热管式蓄冷系统

在冷库四周或铁路及房屋地基附近的土中布置热管,其中一端插入土中作为蒸发端,一端露出地面作为冷凝端,管内灌注有冷媒。利用冷媒蒸发端吸热和冷凝端放热的原理,将管的周围土层降温并形成冻土层。热管传热具有单向性,一旦气温高于地温,传热过程立即自动停止,热量不会逆向传回地下。以冻土作为冷源,只要冻土能连续多年的存在,库内温度就得以终年保持在0℃左右,这样就能够确保地基不会下沉[20,21,22,23,24]。

层积式制冰蓄冷方式设计简单,但操作繁琐,且限于冷资源丰富的高寒地区应用;箱群式制冰方式设计简单,操作方便,并适用冷资源并不太丰富的地区,但其基建投资成本较高;热管式蓄冷方式设计简单,效果好,但热管工作的稳定性和持久性尚存在一些问题。国内外科技工作者已对自然冷源蓄冷的应用前景和工程技术进行了探讨,但在传热学和相变物理学理论等方面还未进行深入研究,大规模制冰技术方面尚缺乏完善的理论体系[22]。很多高校和一些研究部门的专家学者们正在对此进行更深层次的研究,希望通过试验研究得出更好的方案。

3.2 国内外的工程利用实例

1972年10月,美国借助热管技术开始将自然冷源用于阿拉斯加州费尔班克斯空间地面遥测站工程中。该站的操作房自1967年建成后,低温逐年升高,桩基开始下沉,且速度加快,1971年墙体和天花板出现裂缝,地板开始变形,1972年在桩基两侧安装了氨热管后,土壤温度在冬季明显下降,并保持到夏季仍处于冻结状态,完全控制了建筑的沉降。前苏联学者20世纪70年代初在西伯利亚和平城的一栋9层建筑中第1次成功地将热管作为桩芯的混凝土桩,将高温冻土变成了永久冻土。Haley等人在加拿大国家铁路某区段借助热管技术利用自然冷源成功地抑制了铁路路基的沉降[23]。1986年,日本正式建成了世界上第1座热管换热式,且利用自然冷源实施制冷的实验冷藏库。1993年,日本神户制钢所建成了利用废冷降雪的人工滑雪场,一年四季可以滑雪[25]。日本新泻县汤之谷村的食品加工公司利用天然雪每年贮藏2000t胡萝卜,雪室可在一年中完全保持1~2℃的低温[26]。

我国青藏铁路建设过程中也大量采用了利用自然冷源的热管技术,解决了冻土带的铁路安全难题[22,27]。中国农业大学李里特等人在河北建成首座利用自然冷源进行果蔬贮藏保鲜冷库[12],使价位较低农产品的低成本贮藏保鲜得以成功。青岛农业大学王世清等人利用热管模组技术,实现了低纬度地区(北纬37°)利用冬季自然冷源制冰蓄冷的目标[23]。哈尔滨市人防办何振东利用热管技术将自然冷源引入人防工事,把工程改变为保鲜冷藏库[24]。1992年,黑龙江省嘉阴县做过冰雪的利用实验,结果表明,经年利用冻冰成为可能[26]。目前,北方一些乡村已经充分利用大自然这个天然的“冰柜”,走上了“冬季储冰,夏季销售”这条致富道路[28,29]。

自然冷源利用技术不仅是国际上冰雪及冻土研究方面的前沿课题,而且可以广泛地应用到仓贮、保鲜、散热、道路、建筑物基础处理、海水淡化和空调等多个领域。

4 自然冷源蓄冷利用的条件和前景展望

我国位于欧亚大陆的最南部,东北部1月份平均气温比纬圈平均偏低14~18℃,黄河流域偏低10~14℃。由于冬季气温低,气温年较差也以我国为同纬度最大,所以说我国是世界同纬度冬季最冷的国家[30]。0℃是水开始相变的转折点,小于此值开始冻结;反之开始融化。因此,日平均气温低于或高于0℃的日期是评价能否开发利用自然冷源最为重要的气候指标。我国年平均日最低气温≤0℃日数的分布区域如表1所示。

我国气温在0~10℃之间的地域广阔,延续时间较长,拥有相当丰富的自然冷源,且纬度越高,蕴藏量就越大。加之自然冷源蓄冷设施投资和管理费用不高,节能减排,绿色环保,更容易被人所接受。因此说,我国现阶段利用自然冷源的基本条件已经完全具备。以往由于技术水平和能源价格体制等因素的制约,才使这种潜在能源少有问津。但是,随着世界大多数国家面临能源短缺问题的凸现,自然冷源重新又得到人们的青睐[28,29]。

随着自然冷源利用和开发技术的进一步发展,冷能利用的领域会越来越广,也必将得到更加广泛和深入的研究与应用。自然冷资源是十分廉价的能源,且潜力巨大,一旦运用现代科学技术,有控制且高效地将冬季的冷源贮存起来,将为人类创造巨大的经济效益和社会效益,其应用前景必将十分灿烂辉煌。

自然冷源 篇2

【关键词】商场；中央空调冷源系统；运行能效优化；群体控制

一、引言

随着空调的普及，其能源消耗量大的问题也日益突出。在公共建筑中，中央空调更为常见，冷源系统作为中央空调系统消耗能源最大的部分，它并不能随着建筑内的动态进行自我调节，因此冷源系统的运行效率也普遍偏低，会造成能源的浪费。所以中央空调的节能问题成为了亟待解决的首要问题。解决冷源系统能耗大，提高其运行效率，进行能效优化对于商场这类大型公共建筑的运行成本的控制有积极的意义。

二、中央空调冷源系统

中央空调冷源系统是向建筑内制造冷空气的设备，现下冷水机组一般作为中央空调的的冷源系统，有很明显的几个缺点：1）冷水机组与空调系统同时运行，电网负荷的波峰和波谷之间的差距增大；2）冷水机组按照最高的冷负荷设计，而空调本身的冷负荷是波动的，所以当空调的冷负荷很低时，冷水机组的运行效率很低，浪费能源情况严重。可以使用蓄冷设备与空调的冷水机组一起使用，两个装置同时使用来作为空调的冷源系统。当夜间气温较低时，冷水机组在制冷的同时蓄冷设备将制得的冷量存贮，而当在需要开启空的白天，蓄冷设备可以将黑夜所存贮的冷量释放，在白天可以代替冷水机组的运行，这样可以降低资源的消耗，还可以规避白天的用电高峰期。中央空调系统的冷源系统可以采用以下几种设备配合方式：

1.普通的单独冷水机组

在当前的大部分公共建筑内的中央空调都采用的是这种冷源系統，它的缺点十分明显，已在前面讨论过就是浪费能源，而优势就是相比于其他新兴技术更加的成熟，更加节省空间。

2.冷量由蓄冷设备和冷水机组共同提供

该方式也是在前面讨论过的，其特点就是冷水机组避开用电高峰期，在夜间制冷，蓄冷设备存储冷量，在白天需要空调开启是，冷水机组和蓄冷设备一起供冷，但同时又以冷水机组为优先供冷的设备，蓄冷设备作为补充，超出冷水机组的冷量由蓄冷设备提供。这种方式一般用来降低冷水机组的负荷最大值，冷水机组相比于一般的冷水机组规模更小，从而节省该项工程在最初的投资。

3.冷量全部由蓄冷设备提供

这种方式相较于前一种更加彻底，冷水机组只在黑夜制冷，并由蓄冷设备存储所有的冷量，在白天空调运行时，蓄冷设备供冷而冷水机组不工作，该项方案是蓄冷设备的优先级更高，一般是在冷水机组制冷的消耗高于蓄冷设备的消耗，在电网处于波谷时用电可以在很大程度上节省能源的消耗，减少成本。

三、冷源系统可行的节能方案

当前，中央空调的冷源系统在节省能耗时一般采用的自动群控的控制方式，换句话说，就是利用特定的数字控制器和冷水机组进行信息交互，依据实际的当前负载以及其他等来控制冷水机组的运行与否，其他的一些辅助装置也有直接的数字控制器来一起控制。

1.根据负荷和供回水温差控制机组数量

当许多台冷水机组并联在一起同时运行时，最主要的节能方案就是要尽可能的使冷水机组保持满负荷量的状态运行，这就是对于冷水机组的数量控制，也是前面提到的群控的重点。

下面的图一是对冷水机组数量控制的方案。该方案的中心思路是使冷水机组的制冷量与用户所需的冷量相匹配。所以，想要采用这种方案，必须在使用前实际的测量出用户所需的冷量来确定所需的冷水机组的数量。

当前比较常用的控制机组数量的方法有：测量负荷法、测量负荷以及供水和回水的温差法、测量负荷和供冷水温度再设等。第二种方法（具体见图一）应该是最为合适的，它测量了负荷并了解到供回水之间的温度差，更能具体的体现出用户对中央空调冷量的需求，用它来作为控制机组数量的标准。图中的头机指的是每一天第一台启动的冷水机组，△t1、△t2和机组的负荷的确定可以由商场内的具体情况来进行适当的改动。值得一提的是，其中供回水温差指的是每个冷水机组的供回水温差，而并非是总水管的供回水温差，这样做的原因是其他并联的未启动的冷水机组并不会对公会水温度的测量产生误差，同时也能减少由冷水机组到总水管时水的能量损失，这样能让数据更加准确说明问题。

2.利用机组信号和反馈信号进行控制

图二所示的控制流程图中与一般的控制流程图的最大区别就是关闭电动蝶阀这一步骤放置在了停止水泵步骤之后。这样做的主要原因是在空调运行的实际过程中，先停止冷却水泵再关闭电动蝶阀，能起到保护电动蝶阀并且避免对管道造成很大压力的作用。在并联的多台冷水机组同时运行时，应按照顺序依据冷水出水温度依次对每台机组调整负荷冷水出水温度，其中的一台机组的冷水出水温度调试到合适值的时候，应给予该主机一个间歇停止工作的时间，若在该时段内负荷一直保持较小的状态，则不用再开启这台机组，同时可以通过机组的关闭信号，在有一段延迟后，控制关闭水泵等辅助设备以及关闭电动蝶阀。如果一台冷水机组由于设备问题而导致停止工作时，要考虑到的第一个问题就是设备可能因为低温超过允许值而导致停机，这种情况下，出于保护蒸发器的缘故，水泵不会停止工作，不是因为该问题而出现故障的话，配套的水泵等设备也会停工。与前面只控制机组数量的方案相比，该方案还考虑到水泵等设备，更加周到，不仅节省能源还能保护整体的系统。

四、具体案例分析

1.案例概述

医院建筑冷源选用与配置 篇3

一、大中型医院空调冷源配置一般原则

(一) 空调冷源分类

大、中型医院常用的空调冷源, 按制冷原理主要分为蒸汽压缩式制冷机和吸收式制冷机。蒸汽喷射式制冷机现已很少使用, 而蒸汽压缩制冷机有往复式 (俗称活塞式) 、螺杆式和离心式三种形式。吸收式制冷机常用溴化锂做吸收剂, 常称为溴化锂吸收式制冷机, 有蒸汽型、热水型和直燃型。按能量利用方式又分单冷型、热泵型、热回收型以及单冷与冰蓄冷双功能型。按冷凝器冷却方式还可分为风冷式和水冷式。

现在制冷机为了便于设计选用与运行管理方便, 常做出冷 (热) 水机组的形式, 如常用的水冷型离心式冷水机组、风冷型热泵机组等。

(二) 选用与配置的原则

第一, 一般来说, 电压缩式冷水机组的性能系数 (COP) 高于吸收式冷水机组, 如当地供电不紧张时, 从性能系数比较来考虑, 应优先选用压缩式冷水机组。大型医院建筑空调系统应以离心式冷水机组为主, 中型医院建筑空调系统应以螺杆式冷水机组为主。

第二, 考虑建筑全年空调负荷分布规律和制冷机部分负荷下的调节特性, 合理选择冷水机组的形式、台数和调节方式, 提高供冷系统在部分负荷下的运行效率, 以有效降低医院全年总能耗。

第三, 若当地供电紧张, 有热电站供热或有足够的冬季供暖锅炉, 特别是有废热、余热可以利用时, 应优先选用溴化锂吸收式冷水机组;当地供电紧张且夏季供应优惠价的天然气, 同时技术经济比较合理时可选用直燃式溴化锂吸收式冷水机组。

第四, 直燃式溴化锂吸收式冷水机组与蒸汽/热水型溴化锂吸收式冷水机组相比, 具有许多优点, 因此在同等条件下特别是有廉价天然气可以利用时, 应优先选用, 一般情况下宜选用冷热型机组。

第五, 选用风冷还是水冷的机组须因地制宜, 因工程而异。一般大型工程宜选用水冷机组, 小型工程或缺水地区宜选用风冷机组。

第六, 选择冷热源应考虑医院建筑负荷特点与科室同时使用系数, 冷水机组要有很好的部分负荷特性和多档负荷调节能力。冷水机组一般选用2~4台 (中小型医院选2台, 大型医院选3台, 超大型医院选4台) 。机组之间考虑互为备用和轮换运行的可能性, 从便于维护管理的角度, 宜选用同类型同规格的机组, 从节能角度, 可选用不同类型、不同容量机组组合的搭配方案。

第七, 当供电部门给以较大的峰谷差优惠政策, 且条件允许时可积极推广蓄冷空调和低温送风或大温差供水系统相结合的空调系统, 以平衡供电峰谷差而获利。

第八, 为保护大气臭氧层, 在选用冷源设备时, 应注意制冷机组所使用工质符合环保指标要求, 积极采用CFC和HCFC的替代制冷剂。

二、大中型医院空调冷水机组选用

在合理确定空调冷源形式与配置后, 医院业主往往会根据冷水机组样本上的性能系数 (COP) 高低来选用产品。冷水机组性能不仅仅体现性能系数, 还涉及到蒸发器侧和冷凝器侧的参数, 如水流量、进出水温以及阻力等。在样本上标出的性能系数 (COP) 是在国家标准工况下的检测值。国家标准工况是指冷冻出水7℃, 污垢系数0.172m2.℃/kw, 冷凝侧冷却水出水温度35℃, 冷却水回水温度30℃, 污垢系数0.044m2.℃/kw。由于各地医院地处气候条件不同以及运行工况不同, 冷机的实际性能系数与样本上的性能系数不同。

医院地处的气候条件往往影响冷机的冷却水进出温度, 而运行工况常常涉及冷冻水的进出温度。一般来说冷却水回水温度高于国标工况, 冷冻水出水温度低于国标工况, 则实际性能系数低于样本上的性能系数, 反之亦然。大致冷却水回水温度每上升1℃, 机组效率会下降约3%。大致冷冻水出水温度每提高1℃, 机组效率会上升约3%。有的厂商过分强调机组的部分负荷性能值 (IPLV) , 这是美国制冷协会 (ARI) 基于单台冷水机的以100%、75%、50%和25%的4个部分负荷效率的平均值的一种表示方法。但是医院配置的冷机实际往往是多台, 运行策略也不同, 部分负荷性能值 (IPLV) 可以体现单台运行, 难以正确反映多台运行。

三、大中型医院建筑冷源选用实例

上海市某医院新建门诊医技楼和病房大楼主要分为病房、门诊、急诊和医技4大部门。病房主楼地上15层, 建筑高度59.99m, 门诊医技楼9层, 建筑高度36.3m, 总建筑面积87100㎡, 地下部分32000㎡, 地上部分55100㎡。医院关键科室为洁净手术部、ICU、DSA、静脉配置中心、中心供应、门急诊手术, 对温湿度、洁净度和压力控制有一定要求, 其他区域为舒适性空调。

由于该医院地处上海, 上海地区的空调设计参数见表1。根据上述选用原则, 采用水冷式的电压缩式冷水机组。设计工况的冷机冷却水出水温度为37℃, 冷却水回水温度调节为32℃, 不同于国标工况, 在上海的冷机实际性能系数低于样本上的性能系数。由于医院建筑高峰负荷高, 考虑到离心式冷水机组的制冷量大, 制冷效率高, 能较为合理利用能源, 经常被大、中型医院建筑所采用, 但大、中型医院昼夜负荷差异大, 季节负荷差异也大, 全年有较大部分时间 (如夜间、周末或过渡季节) 处于较低负荷。如均配备大型离心式冷机有可能在较多时间处于低负荷下运转, 不仅运行效率降低, 还易发生喘振, 而螺杆式冷水机组的冷量衰减程度小, 运行平稳, 且在冷负荷较小的工况下, 运行效率较离心式冷机高, 小流量时也不会出现离心式冷机的喘振。因此大、中型医院大多采用多台大离心机加一台小螺杆机的配置, 显得较为经济、合理, 性价比也较高, 既保证运行效率又能避免喘振。

为此, 该医院建筑的主体空调冷源采用3台2812.8k W/h (800RT) 离心式冷机加1台1406.4k W/h (400RT) 螺杆冷机的配置, 冷冻出水温度7℃。这样的组合根据运行策略能提供14%、28%、42%、57%、71%、85%、100%这7种负荷搭配, 实现了负荷灵活调节的功能, 在低负荷时, 空调系统也能够正常开启。

通常性能系数 (COP) 高的冷水机组价格必然高, 其运行费用低, 反之亦然。医院业主如何在机组全寿命周期内综合考虑机组性价比, 选择较为合理的冷源配置方案, 以达到较佳的初投资和运行费用?以上述冷源配置中2812.8k W/h (800RT) 离心式冷机进行分析比较:

方案1选用性能系数COP=5.93 (高于国家二级能效等级) 的离心式冷机, 但在上海设计工况实际性能系数COP=5.6。方案2选用性能系数COP=6.42 (高于国家一级能效等级) 的离心式冷机, 但在上海设计工况实际性能系数COP=6.1。方案2的冷机比方案1贵1.7万。

使用计算软件计算该医院建筑的全年逐时负荷, 空调系统运行时间从每年5月至每年10月, 每天运行时间24小时。由全年逐时负荷计算供冷季冷源侧的全年运行能耗;然后根据冷源侧运行能耗与电力部门颁布的峰平谷电差价计算运行电费。比较各方案的技术性和经济性, 最终合理选用冷源机组。

经过计算可得出两个方案的能效 (图1) 与运行费用 (图2) 。如将两个方案的能耗与运行费用合在一起做比较, 可以看出方案2每年运行能耗较方案1节省4013.05k Wh (31.8%) , 方案2每年运行费用较方案1节省4230.16元 (5.5%) 。

以设备使用的全寿命预期为15年计算, 可见方案2的冷机的初投资较方案1多出的1.7万元, 4年即可收回。

对以上实例计算结果的分析比较, 对于冷水机组的价格和性能两个指标, 要经过技术经济比较, 才能确定性价比高的冷机。应推荐医院建筑选择COP较高的一级能效的设备, 一般来说从提高能效节省的电费可以在较短时间回收价格差。

四、结束语

医院建筑空调冷源方案, 各有优缺点, 在选择方案时, 不能只考虑冷机的性能 (样本上的COP) 与价格比, 还应全面评估所在地区气象条件, 能源的结构、政策、价格, 当地的环保规定等因素, 进行综合考虑, 特别要考虑医院建筑负荷特点, 才能选择最佳的冷热源组合方案, 以达到技术、经济与环境等综合最优化。通常, 应推荐医院建筑选择COP较高的一级能效的设备。

从一次能源使用的效率来看, 医院建筑冷源形式中水冷离心冷机和螺杆冷机的配置方案效率较高。风冷冷源易受当地室外温湿度的影响, 尤其在我国东南部, 一次能源利用率较低。直燃机直接利用一次能源 (燃气、燃油) 进行制冷, 节电不节能, 一次能源利用率最低, 且直燃机的冷却系统较其他冷水冷却系统更为庞大, 导致直燃机能耗偏大。

相比油、气等其他能源来说我国电价较低, 使得风冷冷源从年运行费用看还是较低;常规的水冷电动冷水机组在部分负荷性能较好, 运行费用也较低;直燃机的年运行费用较高。

目前我国常规的电动冷水机组在医院建筑占有一定的优势, 推荐使用, 在电力资源紧缺, 燃气或燃油充足的地区, 直燃型溴化锂吸收式冷热水机有其优势, 具有余热和废热的场合适合选用蒸汽型或热水型溴化锂吸收式机组。

参考文献

[1]魏建军.节点文献医院关键科室原有空调设施节能改造探讨[J].中国医院建筑与装备, 2008.5

自然冷源 篇4

据预测,到2016年中国数据中心市场规模将突破1000亿人民币[1]。就目前原始设备出口总量而言,中国及亚太已经远超世界其他区域。从全球视角而言,中国正在成为全球最大的数据中心市场。然而,在大型数据中心建设中仍存在着许多问题,值得深入探索并不断完善。

统计显示,数据中心的冷却用电占机房总功耗的40%左右。如何降低大型数据中心水冷系统的的运行能耗,从根本上降低PUE(评价数据中心能源效率的指标)成为亟待解决的课题。本文分别从制冷主机运行及控制策略、IDC机房空调的合理设计及系统轻载运行等方面进行了阐述,提出了一系列行之有效的数据中心空调冷源系统的经济运行模式。

正文

1 制冷主机运行及控制策略

空调冷水系统一般包括冷水机组、冷却塔、水泵等主要部件,大多数建筑物都是使用两台(或两台以上)的冷水机组供冷,冷水机组大部分时间内均在部分负荷下运行。优化制冷主机运行台数,同时对冷冻水、冷却水系统进行控制调节,能使冷水机组高效、可靠地运行。

1.1 制冷主机运行台数优化

1.1.1 离心式冷水机组部分负荷的能效比特点

离心式冷水机组在部分负荷下运行的条件不同,其部分负荷的能效比变化趋势不同,根据冷却水进水温度变化,冷水机组在部分负荷时的运行规律见表1[2]。

表1 冷却水进水温度对冷水机组部分负荷的能效比影响(参见右栏)

冷水机组是按照设计工况选择的,当冷却水进水温度低于设计工况时,冷水机组的满负荷制冷量可能会大于其设计冷量(额定冷量)。超额冷量一般是5%左右,它不仅受到“压缩机过电流保护”的限制,而且受到冷凝器与蒸发器的压差不宜过低的限制。另外,在冷水机组负荷相同的条件下,若冷却水进水温度降低,则冷水机组的COP会升高。

冷水机组在非设计工况下,仍可能满负荷运行。在多台冷水机组运行管理中,空调系统负荷逐步减少时,会关闭部分冷水机组,使剩余的冷水机组在较高负荷区域满负荷运行。因此在设计选型时适当增加冷水机组台数,在空调系统部分负荷时,减少冷水机组的运行台数是节能的措施之一。

1.1.2 多台离心式冷水机组并联运行规律

据统计只有15%左右的建筑物使用单台冷水机组供冷,而85%左右的建筑物使用两台(或以上)的冷水机组供冷。为了让每台冷水机组运行在高能效的较高负荷区域,冷水机组的群控方案应确保每台冷水机组绝大部分时间运行在50%以上负荷范围内,以达到既节约冷水机组运行费用,又节约与之相对应的水泵、冷却塔的运行时间及电费的目的。当建筑物中的冷水机组的数量越多时,每台机组接近满负荷运行的概率越大。

由于大部分建筑物都是使用两台(或两台以上)冷水机组供冷,并且冷水机组的群控方案基本保证每台冷水机组绝大部分时间运行在50%以上负荷范围内,因此在选择离心式冷水机组台数时,需注意:

1).离心式冷水机组的NPLV值不能真实反映多台冷水机组运行时的实际能耗情况,因此可采取比较离心式冷水机组的COP为主,比较其NPLV值为辅的方式,评估多台冷水机组运行时的实际能耗情况。

2).合理选择冷水机组的台数,综合考虑两方面因素。增加设计的冷水机组台数是节能运行的措施之一,在空调系统负荷减少时,可减少冷水机组的运行台数。但是需综合考虑由于冷水机组台数增加,导致冷水机组的单机制冷量减少,对于同一系列的机组而言,单机制冷量减小,其COP值也相对较小,对冷水机组的节能运行不利。

3).从实际出发选择冷水机组的台数和单机制冷量。一般工程以3~5台冷水机组为宜,基本上是多台同一冷量的冷水机组。这样既考虑离心式冷水机组在不同冷量范围的性价比和COP值,又考虑冷水机组、水泵、冷却塔的互为备用,还考虑冷水机组的群控系统的复杂程度及其成本。冷水机组台数过多,会相应增大冷水机房面积,因为每一台冷水机组都需要维修空间,并且水泵、冷却塔所需的空间也相应增大。

根据能效和设备性能,提供最优设备运行组合和优化每台冷水机组负荷分配,可根据日常运行数据,经专业软件提供智能控制算法以便最大限度的根据负载需求实现节能运行,合理控制冷水机组运行台数,实现系统高效节能地运行。为了让每台冷水机组运行在高能效的较高负荷区域,应确保每台冷水机组绝大部分时间运行在50%以上负荷范围内,以达到既节约冷水机组运行费用,又节约与之相对应的水泵、冷却塔的运行时间及电费的目的。

1.2 变工况节能冷却水系统

1.2.1 冷却水温度的优化点确定

冷水机组提供冷量的同时还产生热量,通过冷却塔散热。冷却水温度变化后,冷水机组能耗和冷却塔能耗的变化趋势却相反,见表2。

故把冷却塔能耗与冷水机组能耗相加,可以寻找冷却水温度的优化点,对应于总能耗曲线上的最低点。

1.2.2 冷却水温度优化点随运行工况变化而改变

冷却水温度的优化点取决于很多参数,如冷却负荷、空气的湿球温度或环境状态等。冷水机组和冷却塔的综合能耗最低点不是对应于恒定的冷却水温度点,如图1所示[2]。

假如在室外湿球温度18℃时,一台1550冷吨的离心式冷水机组满负荷的工作状态曲线如图1,它表明在此负荷、此湿球温度下,随着冷却水温度的不同,冷水机组和冷却塔的总能耗也随之不同。在此状态下的冷却水的优化温度为24℃,对应于总能耗曲线上的最低点。当随着负荷减少,室外湿球温度的下降,冷却水的优化温度也会随之发生变化。在冷水机组荷载达到1160冷吨时,湿球温度在14℃的条件下,冷却水的优化点移到了21℃。因此,不同的湿球温度,不同的冷水机组荷载会产生出不同的优化温度点。

冷水机组能耗与冷水机组的性能曲线有关,而冷却塔能耗与冷却塔的性能曲线有关,需采用智能化的控制系统将冷却塔运行控制与冷水机组运行控制紧密地结合。

1.2.3 变工况调节

冷却水温度主要由冷水机组和冷却塔性能曲线、空气湿球温度和环境状态以及冷却负荷这三个方面来确定的。

变工况冷却系统实质是把系统的发热量用最小的功耗带走,并为系统提供相对理想的冷却水温度,适应不同空气湿球温度及不同冷负荷工况变化,为系统综合COP做贡献。

由于空调系统大部分时段均运行于部分负荷下,冷却塔容量按照满负荷配置,同时配有备用冷却塔及自由冷却系统冷却塔(此部分塔在非自由冷却时段可与主机配备的塔体联合使用),这些设备配置就为变工况冷却系统的实施奠定了基本的物质基础。

在日常运行中,根据环境湿球温度、冷却水流量、进回水温度,控制风机运行状态与数量,为主机提供最佳冷却水温,做好相关数据的纪录与整理,从中归纳汇总找出内在的联系及规律,为主机运行提供最佳的冷却温度,优化冷却水系统运行方案。

同时应当明确增加冷却塔运行台数、降低冷却水出水温度,必然导致冷却塔蒸发损失、排污损失及飘逸损失的加大,不可避免的会增大冷却水系统的补水量,所以确定冷却水最佳冷却温度,需同时考虑补水量的影响。

1.3 适当提高空调供水温度的节能运行

适当提高制冷主机的蒸发温度及冷水的出水温度是提升制冷系统整体节能效果的一个有力措施。

随着冷水机组的出口冷水温度升高,冷水机组的制冷量逐渐增加,COP值逐渐增加,从4.4℃到9 . 5 ℃,冷水温度升高5.1℃,冷水机组的冷量增加了30.2%,COP值增加了7.9%。冷水温度的升高使冷水机组的蒸发压力和蒸发温度升高,从而改善主机的制冷性能,使得制冷量和COP值增加(见图2)。如空调负荷发生变化,可以通过调节离心式制冷机进口导叶或者调节转速,改变蒸气吸入量,以适应供冷量的要求。所以提高冷水供水温度不会引起供冷量偏大的问题。

下图显示了在不同的出水温度条件下,冷水机组的制冷量与用电功率的典型关系。

图3 冷水机组出水温度与制冷量和用电功率的关系(参见右栏)

不难看出,随着出水温度的提升,制冷量和用电功率都在增加,但制冷量的增幅更大。以上分析表明,根据气象条件和空调负荷的变化,确定合理的供水温度,这样既可提高制冷机组运行能效比,又可延长自由冷却使用时间。

确定冷水温度的运行参数,需根据数据机房空调负荷、室外气象参数、末端专用空调处理能力三方面的因素确定。

值得注意的是,冷水机组的出水温度也不可以不受限制的提高,且对于末端空调设备而言,当来自冷水机组的冷冻水供水温度提升时,其制冷量将随之下降,专用空调的运行台数必然会有所增加,其对应的功耗也会有一定程度的上升;当专用空调制冷量衰减过大,即会出现末端专用空调制冷总量无法满足数据机房所需冷负荷,那势必会导致数据机房环境温度升高。

2 IDC机房空调的合理设计

2.1 IDC机房的气流组织

合理的冷热通道分布,可以避免因局部热点,导致空调温度设定过低从而引起的高功耗。机架“背对背”、“面对面”布置是最基础的冷热通道布置(如图4),在此基础上,应进一步考虑封闭热通道(如图5)或冷通道(如图6),进而提高气流组织的效率,使空调运行在高效状态[3]。通过大量的CFD(计算流体动力学仿真模拟软件)模拟,以及现场实测,总结了大多数情况下,封闭冷通道效率更高,究其原因是由于冷通道可以使机柜得到更多的进风,可以有效冷却设备,降低主设备的出风温度,最终的结果就是可以提高空调回风温度的设定点,实现空调系统的节能。

图4机房冷热通道布置示意图

图5封闭热通道后的温度场

图6 封闭冷通道后的温度场(参见下页)

机柜内气流设计是引导空气最大限度改进冷却效果的关键因素,设计合理的机柜,其气流组织顺畅且无冷热气流掺混,高效地利用了空调提供的低温空气,提高了冷风的利用效率。无论是何种形式的机柜,都要合理设计机柜内部的气流组织。首先,应避免气流受阻,在机架中应留出冷风自由上升的通道,避免设备完全将下送的冷风阻挡;其次,应避免气流紊乱,造成冷热风混合,应在空位放置机架挡板(盲板),阻止热风回流。

2.2 IDC机房热通道温度的提高

适当提高末端专用空调回风温度以提高单台机组的运行效率,减少运行台数,降低末端专用空调的功耗。较高的回风温度,可以增加服务器的前后端温度差,这能在相同热负荷的情况下,减少风量,同时也可以减少风机风量和转速,风机的功耗它根据的转速比值是一个立方的关系,当风机转速降低一半的时候,它的功耗只相相当于原来的八分之一。

提高回风温度,可以随之提高供水温度,通过加大进出空调机组的温度差,提高单台专用空调的显冷量,消除潜热损失。

2.3 专用空调的智能群控管理

空调机房设有多套机房专用空调,如果不进行群控管理,就会出现如下两种情况:

1).即使空调冷却需求下降,仍保持多台机组的运行状态;

2).出现部分机组在制冷,部分机组在加热,或部分机组在加湿,部分机组在除湿的竞争运行状况。

在这种情况下,就需对多台空调进行群控管理,包括:

1). 能实现系统中主、备空调机之间的自动切换,系统中空调机应定时轮换作为备份机组,保证整个系统的可靠性;

2).判断机房总的冷量需求,根据冷却需求,判断开启的空调台数;

3).判断机房总的温度控制或湿度控制趋势,保持多台机组协同运行,避免出现制冷、制热同时出现,或加湿、除湿同时出现的情况。

3 轻载运行

数据中心通常发热量大,导致配置的水冷主机容量较大。但数据设备的启用是一个逐步发展的过程,其发热量必然随之由小到大逐步增加,起始负荷甚至是几十千瓦。所以数据机房水冷空调存在一个初始启动轻载运行的阶段,这个阶段虽然短暂,但却必不可少无法逾越,对这个过程必须做出充分考虑,才能满足数据中心的制冷需求。

3.1 风冷末端的配置

在空调系统初期冷负荷较低时,可通过配置末端风冷专用空调解决数据机房初期平滑带载问题;同时避免了水冷主机初期“大马拉小车”而产生的低效率、高能耗问题。

随着装机容量的提高,达到水冷主机的合适启动负荷,即可启用水冷主机,此时每个机房的风冷专用空调转为备用;随着冷负荷的逐步增加至满负荷时,一部分风冷专用空调可以转为主用,以弥补水冷空调冷量的不足,将不会影响水冷空调规模化节能效果。

3.2 蓄冷罐的运行

为保障数据机房制冷的连续性,空调系统均配置有支撑系统满负荷运行15~20分钟的蓄冷水量(贮存于蓄冷罐内)。当数据机房运行初期,数据设备发热量很低的轻载运行阶段,可充分使用蓄冷罐内蓄存的冷量,减少主机开启次数;即使在制冷主机可以开启运行的条件下,初期冷负荷较不稳定,也会导致主机频繁启动、影响主机寿命。由于蓄冷罐的存在,当低负荷不稳定运行时,会延长主机运行及停机时间,避免主机频繁启动。以冷负荷为422k W(主机冷量的10%)为例,蓄冷罐可维持系统运行320分钟(5小时20分),即主机的启停间隔为320分钟。

3.3 自由冷却的运行

冬季自由冷却技术是利用自然冷源实现空调系统节能的一项重要技术。在过渡季节和冬季,利用室外温度较低的空气温度进行降温,相对常规空调系统在相同气候条件下的运行能耗具有显著的经济性。对于需要全年供冷的数据中心机房,自由冷却技术的使用有很好的节能潜力。

自由冷却系统与制冷系统并联连接,配置相应的板式换热器、冷却塔、一次水侧循环泵及二次水侧循环泵。在不使用自由冷却系统的季节,冷却塔可与主机配备的冷却塔一并使用,以此降低冷却水温,进而提高主机COP值。

由于空调系统配有自由冷却系统,如轻载运行阶段处于过渡季节或冬季等室外温度较低时期,可独立运行自由冷却系统,通过冷却塔将内部少量热量排至室外,保证数据机房室内温湿度的要求。

4 总结

针对数据机房水冷空调系统的经济型运行策略主要有:

1).根据系统日常运行的情况,综合考虑环境湿球温度、冷却水流量,冷却塔运行台数及补水量等因素,总结出主机最佳的冷却水温度,优化系统运行。

2).根据室外气象条件、空调负荷的变化和末端专用空调的处理能力,确定冷水机组合理的供水温度,这样既可提高冷水机组运行能效比,又可延长自由冷却使用时间。

3).适当提高末端专用空调回风温度可以提高单台机组的运行效率,减少运行台数,降低末端专用空调的功耗,消除潜热损失。

4).机房建设应确保密封隔热性,机房内的冷热通道封闭和机柜内部设计合理的气流组织,提高冷量的有效利用率,降低数据机房的运行能耗,降低PUE值。

5).设置有效的群控管理系统,实现主、备机定时轮换,控制冷水机组运行台数确保主机在高负荷区域运行;实现末端专用空调的主、备机定时轮换、控制运行台数、保持多台机组协同运行。

6).在常规的制冷系统中,增设自由冷却系统。在冬季和过渡季节有效地利用自然冷源进行制冷。在不使用自由冷却系统的季节,冷却塔可与主机配备的冷却塔一并使用,提高主机COP值。

7).充分利用空调冷源系统配置的蓄冷罐、自由冷却系统及末端配置风冷专用空调实现轻载负荷下的经济运行。

摘要：空调冷源系统耗电在数据中心总用电量中占比接近一半。本文主要针对现有的数据中心空调冷源系统,通过对水冷系统经济运行模式的研究分析,提出了多种行之有效的节能运行策略,可显著地降低系统运行费用,同时为今后数据中心水冷系统的节能减排起到重要的示范作用。

关键词：数据中心,空调冷源系统,经济运行,节能

参考文献

[1]http://storage.chinabyte.com/337/12964337.shtml

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京:中国建筑工业出版社.2007