节能技术在沙河科研中心园区供冷供热系统中的应用研究

节能技术在沙河科研中心园区供冷供热系统中的应用研究

任超

（中国石化集团百川经济贸易有限公司，100728）

摘要：本文以沙河科研中心为例，详细介绍了节能技术在园区供冷供热系统中的应用。重点分析了冷却塔供冷、蓄冷（蓄热）技术、制冷机热回收的合理性和经济性。在冬季使用冷却塔免费为数据中心供冷，经济效益显著，节能效果明显，经济回收周期为0.43年。充分发挥园区能源中心冷热源多元化优势，对比三种方案，在常规电制冷和燃气热水锅炉作为冷热源的基础上，增加蓄能水池蓄冷的经济回收周期为5.98年；增加数据中心制冷机组热回收和蓄能水池夏季蓄冷冬季蓄热的经济回收周期为0.71年。由此，综合运用节能技术能极大地降低园区整体能源消耗，减少碳排放，是先进合理的，是未来绿色园区的发展趋势。

关键词：冷却塔供冷；蓄冷蓄热；热回收；节能

1  引言

随着社会经济的发展，建筑、工业和交通能耗成为我国能源消耗的主要方面。据统计表明，2019年全国建筑运行阶段能耗10.3亿标准煤当量，占全国能源消耗总量的比重约为21.2%。随着人民生活水平的提高，对室内环境的冷热舒适性要求愈发突显，建筑能耗也日趋增长，建筑的暖通空调能耗约占50%。因此，为实现“十四五”公共机构节约能源资源工作规划中2025年公共机构单位建筑面积能耗下降5%的目标，在暖通空调系统应用节能措施尤为必要。本文以某科研中心园区供冷供热系统为例，围绕冬季冷却塔供冷、水蓄冷（蓄热）和制冷机组热回收等节能技术，为建筑供冷供热系统节能改造提供可参考指导，助力绿色低碳目标的实现。

2 供冷节能技术

2.1 冷却塔供冷

冷却塔供冷，是指在常规制冷机组系统的基础上，增加供冷板换等设备和管路，在夏季，电制冷机组正常运转。在过渡季和冬季，当室外湿球温度下降到某一设定值时，打开旁通阀，停止冷水机组运行，转为用冷却塔的循环冷却水直接或间接地向空调系统供冷，提供建筑物所需要的冷负荷。

为了增加稳定性，避免循环水质污染造成的结垢和堵塞等问题，一般选用冷却塔间接供冷系统（如图1所示）。冷却水循环和冷冻水循环是相互独立的。在过渡季和冬季，这两个循环之间依靠供冷板换来完成换热。

图1 冷却塔供冷系统

2.2蓄冷技术

蓄冷空调系统，是利用夜间电网低谷时段电力，运转制冷机制冷，将电力通过介质以冷量的形式储存在蓄冷池中，在白天用电顶峰时释放该冷量提供冷气空调，从而缓解白天空调系统用电与顶峰电力的矛盾。目前较为流行的蓄冷方式有两种，即水蓄冷、冰蓄冷。

表1  水蓄冷系统与冰蓄冷系统的性能比较

注：1）为参考基准。

相关研究表明，只要场地、空间条件许可，水蓄冷系统作为一种较为经济的储存大冷量的方式，运行费用随着水蓄冷池容积的增加而减少，当容积大于760m3时，水蓄冷系统是非常经济的，全寿命周期总费用要优于其他蓄冷方式。园区区域冷量需求大，适于采用水蓄冷方式。

2.3制冷机组热回收技术

常规冷水机组冷却水的热量要经由冷却塔与大气热交换散热，对酒店、医院等需要24小时供应生活热水的用热场所，如能采用热回收技术充分利用余热，将大大提升能源使用效率。下面，介绍一下制冷机组热回收的技术原理。

常规制冷机组是由四部分组成：压缩机、冷凝器、蒸发器与膨胀阀。热回收技术是通过在压缩机与冷凝器之间增加一个环节——热回收器，起到热量转移、回收、再利用。如图2所示，压缩机做功，将制冷剂由低温低压气体压缩成为高温高压气体，气体进入冷水机组的热回收器中，通过热交换将热量释放给循环水，循环水吸收热量后温度升高，相应的制冷剂经热交换后降温，再通过冷凝器，冷凝为中温高压液体，经过膨胀阀节流降压后，成为低温低压的液态制冷剂（气液混合），再在蒸发器吸热蒸发，成为低温低压的气态制冷剂，再次进入压缩机，完成一个具有热回收功能的制冷循环。典型的应用是利用热回收装置加热循环水，以制取热水。循环水泵不间断地从蓄热水池中将常温水送入热回收器中循环加热，使热水温度逐步升高，最终达到要求水温，从而维持蓄热水池中的热水温度在一定范围。

图2  具有热回收功能的制冷循环原理图

3 项目概况

中国石化沙河科研中心园区总建设用地面积146584.453m2，其中东区93239.937 m2，西区53344.516 m2。东区新建8栋：1#科研楼、1~6#实验楼、2#科研楼（二期建设）；西区新建6栋：4#科研楼、能源中心、数据中心、后勤管理楼、3#科研楼（二期建设）、110KV变电站。2#科研楼、3#科研楼、110kv变电站不在一期建设范围内。东西区总建筑面积约40万平米。整个园区总建筑面积约为120万平米。

1#科研楼冷源系统，夏季空调冷源负荷为12989kw，空调冷源采用电制冷离心式冷水机组、水蓄冷系统联合供给。选用3台1000RT离心式冷水机组，其中2台为双工况离心机（蓄冷工况供回水温度为4/11℃，直供工况供回水温度为6/13℃）。

蓄能水池容积为7400m3，分为2个。设计最大小时释冷量为7437kw，设置2台板式换热器，单台可满足70%的设计负荷。释能冷源侧循环泵、用户侧循环泵均按2用1备设计，2台并联运行可100%满足设计负荷。水泵变频运行。用户侧冷冻水系统分组设置二级变频循环泵。

数据中心机房区按《电子信息系统机房设计规范GB50174-2008》的A级机房标准设计，全年供冷，夏季冷负荷19133kw，冬季冷负荷13296kw，采用冷冻水型机房空调，供回水温度为12/18℃。数据中心一期建设目标，机柜达到800个。之后按照10%的年增长率，在十年至十五年内达到满负荷2700个机柜。数据中心一期建设冷源设备6台，其中2台1200RT常规离心制冷机，2台1200RT全热回收离心制冷机组，2台600RT常规离心制冷机（用于数据中心建设初期低负荷运行工况）。每台制冷机一对一设置冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及免费供冷板式换热器，全热回收机组还需一对一设置热回收热水泵。并配置蓄冷罐为机房提供应急供冷，以保证市电断电后15分钟冷冻水用量。系统冬季在保证数据中心供冷安全的前提下，由冷却塔免费供冷补足。其他季节在保证数据中心供冷安全的前提下，开启600RT制冷机，不足冷量由1200RT制冷机补充，开启的优先顺序为先选择常规制冷机、后选择全热回收制冷机。冷冻水系统采用二级泵系统，一级泵与冷水机组一对一设置，工频运行；二级泵并联变频运行。为保障数据中心供冷，冷冻水干管设置成环形。

4 冷却塔供冷的应用及经济性分析

4.1 冷却塔供冷在园区数据中心的应用

能源中心在地下二层、三层制冷机组旁设置供冷板换，在冬季可由冷却塔、免费供冷板式换热器等设施，替代制冷机组，间接地将室外自然冷源带入数据中心，为机柜降温散热。当室外大气湿球温度小于7℃开启，室外大气湿球温度大于7℃关停。目前投用机柜数约为280台，仅采用1台1200RT制冷机即可满足供冷需求，因此冬季可停用该制冷机，开启对应的1台冷却塔及水泵，采用供冷板换提供冷源。

4.2 冷却塔供冷系统节约的运行费用

目前，单台冷却塔已运行免费供冷两个冬季，减少能耗主要是1台制冷机组的耗电量。数据中心采用1200RT离心制冷机组主要参数如下：

表2 1200RT离心制冷机组主要参数

由上表可知，该制冷机组的用电量为613KW，按照2020-2021年、2021-2022年实际运行综合分析：自11月7日开始至次年4月8日止，两个冬季运行时长7344小时，参考北京市非居民峰谷分时电价时段和电价表，按照目前园区高峰低谷电价计算如下：

表3 北京市非居民峰谷分时电价时段和电价表

按照上表综合分析计算，目前累计节约费用约为346.37万元。年度节约费用约为173.18万元。

4.3 冷却塔供冷系统增加的初期投资

冷却塔间接供冷系统，需增加板式换热器、冷却塔供回水管线及管线上的压力、温度监测点和电动阀。增加的费用如下表所示。

4.4 冷却塔供冷系统初期投资的经济回收期

室外大气湿球温度不大于7℃，冬季累计供冷时数为7344小时。通过对冷却塔供冷系统的节能分析，利用简便的技术经济学【2】静态评价法计算初期投资的经济回收期为0.43年。经分析认为，在园区数据中心应用冷却塔供冷技术，充分利用了自然冷源，在冬季实现节能低碳运行，经济效益明显，取得较好效果。

5 蓄冷（蓄热）和制冷机组热回收的应用和经济性分析

蓄能水池容积为7400m3，设置2台板式换热器，释能侧循环泵、用户侧循环泵均按2用1备设计，2台并联运行可100%满足设计负荷。水泵变频运行。

夏季采用1000RT双工况离心机制冷机组，利用低谷时段电价蓄冷，蓄冷后形成水蓄冷为主+电制冷补充的联合供冷系统，为1#科研楼供给冷源。

冬季热回收分为两部分：第一部分冬季低温采暖，设计工况为供回水温度为52/37℃，其中37℃加热至45℃部分由热回收负责，从45℃加热至52℃由燃气热水锅炉负责。采用1200RT高压制冷机组热回收后将热量储蓄在蓄能水池中，作为低温采暖一次热源。第二部分住宅区常年生活热水热源，由600RT常规冷水机组与水源热泵机组联合运行回收后，将热量储蓄在1600m3生活热水水池，作为生活热水热源，配套板式换热机组一次侧二次侧热交换使用。蓄热后形成热回收为主+锅炉辅助或备用的联合系统为园区冬季低温采暖和住宅区常年生活热水提供热源。

按照设计，数据中心达到一期建设规划时，将有800个机柜满负荷运行。届时将开启1台1200RT常规制冷机、2台600RT常规制冷机和2台1200RT全热回收离心制冷机组。据此按照系统配置不同估算，并进行技术经济性分析。我们把系统分为三个方案。方案一：电制冷+燃气热水锅炉。方案二：电制冷+燃气热水锅炉+水蓄冷。方案三：电制冷+燃气热水锅炉+数据中心制冷机组热回收+水蓄冷蓄热。

5.1方案一：电制冷+燃气热水锅炉

5.2方案二：电制冷+燃气热水锅炉+水蓄冷

5.3 方案三：电制冷+燃气热水锅炉+数据中心制冷机组热回收+水蓄冷蓄热

三种方案中，方案三电制冷+燃气热水锅炉+数据中心制冷机组热回收+水蓄冷蓄热的初期投资费用比方案一常规系统高338万元，比方案二电制冷+燃气热水锅炉+水蓄冷方案高130万元；方案三年运行费用最少，比方案一常规系统低473.75万元，比方案二电制冷+燃气热水锅炉+水蓄冷运行方式低439万元。与常规能源供给方式相比，按照初期投资的回收年限计算，方案三电制冷+燃气热水锅炉+数据中心制冷机组热回收+水蓄冷蓄热系统需要0.71年，方案二电制冷+燃气热水锅炉+水蓄冷运行方式需要5.98年。当然，计算的前提是假设数据中心满负荷运行。

6 结论

目前，沙河科研中心园区数据中心和能源中心一期项目已建成，已正式运行。在冬季已经实现冷却塔免费为数据中心供冷，经济和节能效益显著，经济回收周期为0.43年。未来园区将充分发挥能源中心冷热源组合多元化优势，对比三种方案，在常规电制冷和燃气热水锅炉作为冷热源的基础上，增加蓄能水池蓄冷的经济回收周期为5.98年；增加数据中心制冷机组热回收和蓄能水池夏季蓄冷冬季蓄热的经济回收周期为0.71年。由此，综合运用节能技术能极大地降低园区整体电力和燃气能源消耗，助力碳达峰和碳中和目标的实现，是先进合理的，是未来绿色园区的发展趋势。

参考文献

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