張亞立 勞逸民 潘云鋼 李雯筠

(中國建筑設(shè)計研究院有限公司,北京)

1 工程概況

中信技術(shù)研發(fā)基地位于北京市順義新城第13街區(qū),順成大街與坤安路交匯處的東南側(cè),總占地面積56 798.9 m2,總建筑面積178 975 m2,包括生產(chǎn)運營樓41 000 m2(建筑功能為生產(chǎn)機房及配套設(shè)施),研發(fā)辦公樓137 975 m2(建筑功能為辦公、會議、宿舍等),效果圖見圖1。

圖1 中信技術(shù)研發(fā)基地項目效果圖

生產(chǎn)運營樓數(shù)據(jù)機房冬季產(chǎn)生大量余熱,完全可滿足冬季研發(fā)辦公樓供熱需求,該項目充分利用余熱作為研發(fā)辦公樓低品位熱源。研發(fā)辦公樓采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng),將空氣顯熱與散濕量完全分開處理,并充分利用較高能效比的高溫水[1]作為空調(diào)冷源。

2 生產(chǎn)運營樓冷熱源及空調(diào)設(shè)計

1) 冷源設(shè)計。

生產(chǎn)運營樓總冷負荷為23 080 kW,空調(diào)冷熱負荷計算見表1。集中冷源為水冷冷水機組和風冷冷水機組,冷源按一用一備模式設(shè)置。其中,風冷冷水機組為雙冷源模塊的備用冷源,水冷和風冷冷源均提供供/回水溫度為12 ℃/18 ℃的冷水為機房末端精密空調(diào)機組供冷。水冷系統(tǒng)和風冷系統(tǒng)均分為南、北2個系統(tǒng)設(shè)置,水冷冷水機組每個系統(tǒng)設(shè)3臺3 868 kW(1 100 rt)的變頻離心式冷水機組,位于地下1層制冷站,為主用冷源。冷水一級泵、二級泵為變頻水泵,板式換熱器與冷水機組一一對應(yīng)設(shè)置,冷卻塔并聯(lián)運行,部分負載工況下,可以獲得較低的冷卻水出水溫度,可延長自然制冷模式工作時長。風冷冷水機組每個系統(tǒng)設(shè)6臺1 934 kW(550 rt)帶自然冷卻的風冷螺桿式機組,位于生產(chǎn)運營樓屋頂,為雙冷源模塊提供備用冷源。室外設(shè)置蓄冷罐,蓄冷罐容積可滿足系統(tǒng)滿負荷連續(xù)運行15 min,蓄冷罐計算有效容積為1 100 m3。為保證系統(tǒng)在線維護管路的可靠性,管路設(shè)計為雙母管+末端環(huán)路設(shè)計。

表1 生產(chǎn)運營樓空調(diào)冷熱負荷 kW

冬季生產(chǎn)運營樓的余熱為研發(fā)辦公樓提供低品位熱源,研發(fā)辦公樓空調(diào)熱負荷為5 013 kW,設(shè)2臺板式換熱器,單臺換熱量為3 260 kW,板式換熱器一次水為機房冷水,供/回水溫度為18 ℃/12 ℃,二次水供/回水溫度為15 ℃/10 ℃。

冬季數(shù)據(jù)機房空調(diào)冷負荷僅為室內(nèi)冷負荷,且研發(fā)辦公樓和數(shù)據(jù)機房已經(jīng)啟動供暖,冷卻塔自然冷卻負荷有所降低,僅為部分負荷運行,其供水溫度趨近度小于設(shè)計工況。冬季剩余部分散熱量采用冷卻塔自然冷卻系統(tǒng),根據(jù)冷卻塔特性曲線(流量比為70%)[2],當室外濕球溫度低于9.0 ℃、冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于17.0 ℃時,冷卻水經(jīng)板式換冷器冷卻冷水回水,冷水回水經(jīng)板式換冷器部分冷卻后進入冷水機組蒸發(fā)器,提供12.0 ℃的冷水。當室外濕球溫度低于6.0 ℃、冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于10.5 ℃時,可以完全由冷卻塔免費供冷提供制冷量,冷水經(jīng)板式換冷器與冷卻水換熱,可提供12.0 ℃的冷水,此時冷水機組關(guān)閉。冷源系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 冷源系統(tǒng)原理圖

2) 熱源設(shè)計。

生產(chǎn)運營樓不設(shè)熱源,機房值班室、屋面水泵房等房間熱負荷由房間內(nèi)的水環(huán)熱泵機組承擔,利用供/回水溫度為12 ℃/18 ℃的冷水作為水環(huán)熱泵的低品位熱源,提供供/回水溫度為45 ℃/40 ℃的空調(diào)熱水。新風機組自帶水環(huán)熱泵模塊,同上所述,利用余熱水作為水環(huán)熱泵的低品位熱源。

3) 空調(diào)設(shè)計。

數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)采用1 000 mm的高架空地板下送風,IT機柜按冷熱通道布置,熱通道封閉。熱排風經(jīng)由熱通道頂部設(shè)置的回風口進入吊頂靜壓箱,回至精密空調(diào)機組,冷熱通道處送/回風溫度為23 ℃/36 ℃,保證數(shù)據(jù)機房在18～31 ℃溫度下穩(wěn)定運行。為了保證機房正壓要求和人員新風量要求,設(shè)置新風系統(tǒng),新風量按數(shù)據(jù)機房0.8 h-1的換氣次數(shù)設(shè)計,冬夏季采用室內(nèi)露點溫度送風,控制室內(nèi)濕度。主機房采用專用濕膜加濕器(放置在空調(diào)機房內(nèi)),在冬季及過渡季進行加濕,保證室內(nèi)濕度。

4) 數(shù)據(jù)機房能耗分析。

電能利用效率(PUE)=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗[3];數(shù)據(jù)中心總能耗=IT設(shè)備能耗+供配電系統(tǒng)能耗+空調(diào)系統(tǒng)能耗+其他能耗;PUE=1+供配電能耗因子+空調(diào)系統(tǒng)能耗因子+其他能耗因子。

生產(chǎn)運營樓IT設(shè)備滿負荷時,總裝機設(shè)備功率為18 000 kW。因為該項目采用余熱回收,舒適性空調(diào)供暖運行時間按1 200 h考慮,設(shè)計工況下PUE為1.358,其中全年空調(diào)能耗因子為0.252,供配電系統(tǒng)能耗因子為0.090,照明等其他能耗因子為0.016。由于在部分負荷下冷水機組制冷綜合部分負荷性能系數(shù)(IPLV)高于設(shè)計工況,冷水泵、冷卻塔風機變頻運行,實際耗功率小于額定功率,實際運行時PUE為1.260。

3 研發(fā)辦公樓冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1) 冷熱源設(shè)計。

研發(fā)辦公樓總冷負荷為5 494.7 kW,其中高溫冷水負荷為2 387.9 kW,常溫冷水負荷為3 106.8 kW;總熱負荷為5 013 kW。該樓采用溫濕度獨立控制系統(tǒng),由2臺1 230 kW(350 rt)水冷變頻離心式高溫冷水機組(供/回水溫度為16 ℃/21 ℃)負擔室內(nèi)顯熱負荷與部分新風負荷。設(shè)置3臺水源熱泵機組(夏季運行2臺,冬季運行3臺),單臺制冷量為1 656 kW,單臺制熱量為1 730 kW,夏季負擔新風負荷、部分室內(nèi)負荷與全部濕負荷,夏季供/回水溫度為7 ℃/12 ℃;冬季負擔全部空調(diào)熱負荷,供/回水溫度為50 ℃/45 ℃。熱泵機組冬季利用生產(chǎn)運營樓冷水回水作為低品位熱源,冷水回水經(jīng)板式換熱器換熱后供/回水溫度為15 ℃/10 ℃,經(jīng)熱泵機組換熱后可提供供/回水溫度為50 ℃/45 ℃的空調(diào)熱水;夏季熱泵機組供冷,提供供/回水溫度為7 ℃/12 ℃的空調(diào)冷水,熱泵機組冷凝器接冷卻塔散熱,冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃。

考慮系統(tǒng)初投資和運行費用的影響,水源熱泵機組在夏季采用開式冷卻塔提供冷卻水,由于水源熱泵機組在冬夏季需要轉(zhuǎn)換,開式冷卻水系統(tǒng)容易產(chǎn)生污垢,在冬夏季轉(zhuǎn)換時污垢會進入空調(diào)水系統(tǒng)影響運行,因此夏季供冷季結(jié)束后必須對水源熱泵機組冷凝器及冷卻水系統(tǒng)的管道進行徹底清洗和維護。

數(shù)據(jù)中心機柜按照市場實際需求分階段安裝,初期機柜安裝數(shù)量較少,初期階段冬季無法滿足研發(fā)辦公樓供熱需求,因此研發(fā)辦公樓設(shè)備用熱源為市政熱源,設(shè)2臺板式換熱器,單臺換熱量為3 260 kW。

冬季及過渡季采用冷卻塔免費供冷的自然制冷方式為內(nèi)區(qū)空調(diào)提供冷水,根據(jù)冷卻塔特性曲線(流量比為50%)[2],常溫冷水系統(tǒng)側(cè)冬季由冷卻塔提供供/回水溫度為7 ℃/10 ℃的冷卻水(當室外濕球溫度為5 ℃時),通過板式換熱器與供/回水溫度為8 ℃/13 ℃的冷水進行換熱,供冬季內(nèi)區(qū)使用。高溫冷水系統(tǒng)側(cè)冬季由冷卻塔提供供/回水溫度為15 ℃/18 ℃的冷卻水(當室外濕球溫度為13 ℃時),經(jīng)板式換熱器換熱得到供/回水溫度為16 ℃/21 ℃的冷水,供冬季內(nèi)區(qū)使用。室外冷卻水管及冬季使用的冷卻塔采取防凍措施,且冷卻塔風機變頻運行。

2) 空調(diào)設(shè)計。

研發(fā)辦公樓采用風機盤管加新風系統(tǒng),風機盤管與新風機組冷熱水系統(tǒng)均為四管制,開敞式辦公區(qū)室內(nèi)風機盤管系統(tǒng)采用高溫冷水(供/回水溫度為16 ℃/21 ℃)供冷,會議室、討論室等人員密集場所的風機盤管采用常溫冷水(供/回水溫度為7 ℃/12 ℃)供冷。新風機組采用雙盤管冷源熱回收新風機組(帶排風再熱)。

為滿足室內(nèi)人員除濕要求,人均新風量應(yīng)為34.4 m3/h,考慮到除濕的可靠性,附加1.1倍安全系數(shù),人均新風量取38.0 m3/h。

為避免送風溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度引起結(jié)露,采用室內(nèi)排風系統(tǒng)對新風送風進行再熱,保證新風出風溫度(16.4 ℃)高于室內(nèi)露點溫度。雙盤管冷源溫濕度獨立控制系統(tǒng)熱回收新風機組(排風再熱)原理圖見圖3[4],新風側(cè)處理過程為粗效過濾器—中效過濾器—板式熱回收器—預(yù)冷高溫盤管—深冷常溫盤管—室內(nèi)再熱排風熱管—高壓噴霧加濕器—送風機。排風側(cè)處理過程為粗效過濾器—室內(nèi)再熱排風熱管—板式熱回收器—排風機。

1.粗效過濾器;2.中效過濾器;3.板式熱回收器;4.預(yù)冷高溫盤管;5.深冷常溫盤管;6.室內(nèi)再熱排風熱管;7.高壓噴霧加濕器;8.送風機;9.排風粗效過濾器;10.排風空段;11.排風機。

4 結(jié)束語

本文論述了中信技術(shù)研發(fā)基地生產(chǎn)運營樓和研發(fā)辦公樓冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。為提高園區(qū)能源綜合利用率,研發(fā)辦公樓利用生產(chǎn)運營樓數(shù)據(jù)機房余熱作為空調(diào)熱源。研發(fā)辦公樓采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng),充分利用高溫水能效比高的特點,新風系統(tǒng)采用雙盤管冷源。為防止新風送風結(jié)露,利用室內(nèi)排風對新風送風進行再熱。生產(chǎn)運營樓采用風冷冷水機組和水冷冷水機組作為冷源,不單獨設(shè)熱源,房間熱負荷由水環(huán)熱泵機組承擔。數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)采用高架空地板下送風,新風系統(tǒng)新風量按換氣次數(shù)為0.8 h-1設(shè)計,冬夏季采用室內(nèi)露點溫度送風,控制室內(nèi)濕度。生產(chǎn)運營樓數(shù)據(jù)機房實際運行工況下PUE為1.260。本工程于2020年投入使用,經(jīng)過2年的運行,空調(diào)系統(tǒng)各項指標均滿足設(shè)計要求。