《冷卻水空調(diào)系統(tǒng)安全與節(jié)能運行研究》培訓(xùn)講學(xué)

2012年11月26日項目名稱：冷卻水空調(diào)系統(tǒng)安全與節(jié)能運行研究一.

課題目標實現(xiàn)情況目錄二、主要研究成果（整合后）1.1研究背景及意義通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴容，特別是通信機房單位面積設(shè)備功耗的不斷增加，傳統(tǒng)的單元式恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)運行出現(xiàn)的夏季制冷量衰減、高壓告警頻繁、能耗高，噪音擾民現(xiàn)象越來越嚴重。為了解決單元式空調(diào)的相關(guān)問題，通信運營商開始引入冷卻水空調(diào)或冷凍水空調(diào)（合稱水冷空調(diào)，特點是都有水系統(tǒng)）；但實際的運行表明，運營商對水冷空調(diào)的水系統(tǒng)管道路由備份及切換、安全配置等方面缺少經(jīng)驗積累。同時空調(diào)水系統(tǒng)存在水管進機房的隱患，于是在上塘機樓引入冷卻水空調(diào)系統(tǒng)。但隨著系統(tǒng)的安裝和運行，暴露出一些問題，集中體現(xiàn)為水管路由備份不足，系統(tǒng)監(jiān)控信息不全，安全性差；自動化程度低，不利于節(jié)能運行。因素通風(fēng)不良環(huán)境溫度高建筑設(shè)計冷凝器臟影響空調(diào)報警（高壓）能耗增加設(shè)備老化快服務(wù)成本高1.2課題研究目標1、提高閉式冷卻水系統(tǒng)的供水可靠性，從水源、管路、末端切換等角度實施優(yōu)化，使水系統(tǒng)達到電源專業(yè)的雙源雙路由等級。2、優(yōu)化閉式冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)，通過創(chuàng)新式的混合式控制模式（實現(xiàn)一點集中監(jiān)控，集控故障時亦可分控）使冷卻水空調(diào)系統(tǒng)所有設(shè)備可監(jiān)可控，將閉式冷卻水空調(diào)系統(tǒng)安全可靠地應(yīng)用于通信機房，并降低通信機房PUE。3、有效解決風(fēng)冷型機房空調(diào)在大型樞紐樓安裝較為集中式散熱問題，利用水冷系統(tǒng)解決部分因建筑原因無法安裝風(fēng)冷型室外機的解決方案。1.3主要研究內(nèi)容二、項目難點及解決方案：1、冷卻水空調(diào)節(jié)能型集中控制系統(tǒng)的專業(yè)需求個性化強。通信行業(yè)對電源監(jiān)控、節(jié)能的研究深入，要實現(xiàn)閉式冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能化集中監(jiān)控，需要介入的單位多。解決辦法:暖通、弱電、電源等各專業(yè)應(yīng)協(xié)助廠家，開展PLC程序編制。初步計劃為：冷卻水空調(diào)系統(tǒng)每臺閉式冷卻塔對應(yīng)配置一套獨立的變頻配電柜，控制柜按冷卻塔、冷卻水循環(huán)泵一對一配置，對各設(shè)備進行集中控制和分控。2、水路與電路存在差異，要使水路達到電路的雙電源雙路由等級，實現(xiàn)上存在不確定性，特別是部分器件沒有現(xiàn)成品。

解決辦法:（1）聯(lián)合電源、暖通、給排水等專業(yè)，發(fā)揮設(shè)計院的優(yōu)勢；（2）對非現(xiàn)成品進行發(fā)明創(chuàng)造。3、水冷技術(shù)應(yīng)用的難點是如何在后期改造中添加的設(shè)備與機房空調(diào)實現(xiàn)“一體化運行”，保證空調(diào)設(shè)備良好運行。

解決辦法:開發(fā)出一種基于雙冷源空調(diào)改造的軟件控制系統(tǒng)。1.3主要研究內(nèi)容三、總體研究思路：

1、浙江移動石橋通信樞紐樓已運用了冷卻水空調(diào)系統(tǒng)，因此結(jié)合該項目對不同裝機量下的空調(diào)動態(tài)負荷進行模擬計算，綜合分析冷卻水空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)運行節(jié)能技術(shù)，尋找提高空調(diào)系統(tǒng)運行策略的方法，在系統(tǒng)節(jié)能研究中做有益的嘗試。同時，對冷卻水空調(diào)系統(tǒng)采用最優(yōu)化的控制手段，對冷卻水系統(tǒng)設(shè)備進行集中監(jiān)控和管理，使各子系統(tǒng)設(shè)備始終處于有條不紊、協(xié)同一致和高效、有序的狀態(tài)下運行，降低各系統(tǒng)運行費用，盡量節(jié)省能耗和日常管理的各項費用，保證系統(tǒng)充分運行。2、寧波鄞州生產(chǎn)中心與杭州灣項目有意向引入冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，因此結(jié)合兩個項目的設(shè)計研討、廠家技術(shù)交流，獲得空調(diào)水系統(tǒng)在安全性、節(jié)能型上的相關(guān)資訊，整理出電信級的空調(diào)水系統(tǒng)技術(shù)方案。3、結(jié)合水冷機房空調(diào)在河南地區(qū)風(fēng)冷機房空調(diào)的改造應(yīng)用，總結(jié)出冷卻系統(tǒng)中冷卻塔、閥門、冷凝器及循環(huán)泵等關(guān)鍵部件的技術(shù)要求。1.4主要技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)1、水路的雙源雙路優(yōu)化方案。實現(xiàn)水路由的冗余備份，便于設(shè)施的維護更換。2、冷卻水空調(diào)循環(huán)泵及冷卻塔風(fēng)機的變頻配置方案3、冷卻塔風(fēng)機、冷卻水外循環(huán)泵的控制邏輯模型，主要實現(xiàn)最大程度的節(jié)能運行。建立冷卻水空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)所有關(guān)鍵點可監(jiān)可控。4、風(fēng)冷空調(diào)增設(shè)水冷卻系統(tǒng)的改造模型。5、一種基于雙冷源空調(diào)改造的軟件控制系統(tǒng)。6、新型器件、冷媒的探索。1.5目標完成情況總結(jié)本課題完成的目標主要包括：

1、結(jié)合實際工程，分析了額定工況下不同裝機容量下的通信機房空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備全年能耗趨勢和不同工況下滿裝機容量下空調(diào)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析，得到額定工況下通信機房空調(diào)的主要能耗是恒溫恒濕空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的，在這一點的基礎(chǔ)上分析了不同工況下滿裝機容量下空調(diào)設(shè)備的能耗，得到冷卻卻塔供水溫度保持在21度的時候，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備總能耗最小，在21度-27度，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備總能耗上升保持在8%以內(nèi)。

2、結(jié)合實際工程對冷卻水空調(diào)系統(tǒng)所采用的集中控制系統(tǒng)進行分析，通過對比空調(diào)系統(tǒng)在不同運行模式下的總的功耗，得出合理的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)集中控制模式。

3、結(jié)合了單元式空調(diào)、冷卻水型空調(diào)、冷凍水型空調(diào)的特點，給出了7種典型的空調(diào)配比方案。

4、根據(jù)水管的特點，給出了經(jīng)典常用的冷卻水、冷凍水、水源、內(nèi)機的雙路由方案。

5、運用水冷技術(shù)較好地解決了通信樞紐樓因風(fēng)冷空調(diào)室外機過于集中而產(chǎn)生的高壓報警的問題，大大提高了空調(diào)運行的可靠性。

1.3目標完成情況總結(jié)項目研究產(chǎn)出產(chǎn)出成果承擔(dān)單位研究成果：包括研究報告、形成的軟硬件平臺輸出報告《冷卻水空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與集中監(jiān)控研究》《空調(diào)水系統(tǒng)雙源與雙路由安全研究》《運用水冷技術(shù)解決樞紐樓風(fēng)冷空調(diào)室外機集中散熱的技術(shù)研究》浙江公司河南公司標準成果：形成的企業(yè)標準及標準化組織成果1、擬將運用冷卻集中控制系統(tǒng)技術(shù)運用到新建通信樞紐樓中作為現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)進行推廣2、擬將運用水冷技術(shù)解決樞紐樓風(fēng)冷空調(diào)室外機集中散熱的技術(shù)作為現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)進行推廣浙江公司河南公司專利成果：專利情況正在申請中浙江公司河南公司試驗成果：開展的相關(guān)試驗室及外場測試工作中形成的試驗報告1、在浙江進行相關(guān)測試并形成試驗報告2、在鄭州進行相關(guān)測試并形成試驗報告浙江公司河南公司項目對企業(yè)績效貢獻的量化路徑圖1.4項目企業(yè)績效貢獻和特征指標項目特征指標（PAV）指標名稱項目應(yīng)用前指標現(xiàn)狀值：PAVc項目應(yīng)用1年后指標預(yù)期值：PAVe1此項目帶來的指標變動量：ΔPAV空調(diào)系統(tǒng)耗電量7920萬度7470萬度-450萬度監(jiān)控完整度80％90％10％空調(diào)水系統(tǒng)可靠性缺少統(tǒng)計雙源雙路由安全性達到通信電源供電水平企業(yè)特征指標—網(wǎng)絡(luò)及生產(chǎn)類（EAV-PS）指標名稱項目應(yīng)用前指標現(xiàn)狀值（EAVc）項目應(yīng)用1年后指標預(yù)期值（EAVe）此項目應(yīng)用帶來的指標變動量（ΔEAV）空調(diào)電耗7920萬度7470萬度450萬度企業(yè)特征指標—市場及財務(wù)類（EAV-MF）指標名稱項目應(yīng)用前指標現(xiàn)狀值（EAVc）項目應(yīng)用1年后指標預(yù)期值（EAVe）此項目應(yīng)用帶來的指標變動量（ΔEAV）電費7920萬元7470萬元450萬元企業(yè)績效指標（EPV）指標名稱項目應(yīng)用前指標現(xiàn)狀值：EAVc項目應(yīng)用1年后指標預(yù)期值：EAVe此項目應(yīng)用帶來的指標變動量：ΔEAV營運收入營運支出電費7920萬元7470萬元450萬元資本開支1.4項目企業(yè)績效貢獻和特征指標項目特征指標的年度預(yù)期數(shù)值表項目特征指標（PAV）的名稱：空調(diào)系統(tǒng)每年節(jié)電監(jiān)控完整度空調(diào)水系統(tǒng)可靠性項目應(yīng)用前指標現(xiàn)狀值：PAVc450萬度80%缺少統(tǒng)計項目應(yīng)用1年后指標預(yù)期值：PAVe1450萬度90%提高項目應(yīng)用2年后指標預(yù)期值：PAVe2450萬度95%提高項目應(yīng)用3年后指標預(yù)期值：PAVe3450萬度100%提高項目應(yīng)用4年后指標預(yù)期值：PAVe4450萬度100%提高項目應(yīng)用5年后指標預(yù)期值：PAVe5450萬度100%提高項目應(yīng)用6年后指標預(yù)期值：PAVe6450萬度100%提高項目應(yīng)用7年后指標預(yù)期值：PAVe7450萬度100%提高項目應(yīng)用8年后指標預(yù)期值：PAVe8450萬度100%提高項目應(yīng)用9年后指標預(yù)期值：PAVe9450萬度100%提高項目應(yīng)用10年后指標預(yù)期值：PAVe10450萬度100%提高一.課題目標實現(xiàn)情況目錄二、主要研究成果（整合后）2.1水冷空調(diào)的特點研究1、各類空調(diào)系統(tǒng)的特點：單元式風(fēng)冷空調(diào)冷卻水型空調(diào)系統(tǒng)冷凍水型空調(diào)系統(tǒng)能效比低中高快速啟動好好差內(nèi)機噪音高高低（主機高）外機噪音高低低冗余性好差差2.2水冷空調(diào)的配比方案1、冗余性再分析通信機房的空調(diào)，冗余性一般做到N+X（X=1~N），即在有單元故障或有計劃維修條件下，不影響機房的制冷效果。因此從各類空調(diào)的特點來看，單元式風(fēng)冷空調(diào)之間相互關(guān)聯(lián)少，體積小，相互之間的備份容易實現(xiàn)。而冷卻水空調(diào)，其冷卻水為總管形式，一旦水管失效，內(nèi)機將全部失效，因此冷卻水管的冗余量X至少做到1。同樣道理，冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中既有冷卻水總管，又有冷凍水總管，其水管冗余量也至少做到1。2、水冷空調(diào)的容量配比要求當(dāng)一個機房的熱負荷為Q時，可容忍任一部件故障。一般有以下幾種方案：方案號單元式空調(diào)冷卻水空調(diào)1冷卻水空調(diào)2冷凍水空調(diào)1冷凍水空調(diào)2總配置冷量特點比較優(yōu)選1#1.0Q+q

1.0Q+q能效比E，啟動A,防水A2#0.5Q0.5Q0.5Q

1.8Q能效比D，啟動A,防水B3#0.5Q

0.5Q0.5Q1.5Q能效比B+，啟動D,防水C√4#0.5Q0.5Q

0.5Q1.5Q能效比C，啟動B,防水C5#1.0Q1.2Q2.0Q能效比C，啟動A,防水B,總配量大6#1.0Q1.0Q2.0Q能效比B，啟動C,防水D,總配量大7#1.0Q1.0Q2.0Q能效比A，啟動E,防水E,總配量大注：指標A到D排序為好到，q為單臺單元式空調(diào)冷量。2.3空調(diào)水系統(tǒng)管道路由方案

1、冷卻水空調(diào)系統(tǒng)：任一冷卻水設(shè)施故障，都可以保證用戶管路有冷卻水供應(yīng)；用戶可以是冷凍機、殼管式冷凝器。

一般冷凍機可以單管供應(yīng)。但區(qū)域性殼管式冷凝器，在無其它形式空調(diào)備份下，應(yīng)在該區(qū)域考慮雙管供應(yīng)。圖2.1水系統(tǒng)管道路由示意圖一2.3空調(diào)水系統(tǒng)管道路由方案

2、冷凍水空調(diào)系統(tǒng)：任一冷凍水設(shè)施故障，都可以保證用戶管路有冷凍水供應(yīng)；用戶一般是盤管型內(nèi)機。區(qū)域性盤管型內(nèi)機，在無其它形式空調(diào)備份下，應(yīng)在該區(qū)域考慮雙管供應(yīng)。圖2.2水系統(tǒng)管道路由示意圖二2.4水系統(tǒng)的補水水源供給方案市政進水一般只有1路，因此一般加蓄水池。補水系統(tǒng)也是雙回路方案。A路由蓄水池或市政水直供；B路由蓄水池或應(yīng)急加水供應(yīng)。

補水用的蓄水池最好單獨設(shè)置。在混用的條件下，出水口低于生活或消防的出水口，高低差應(yīng)能滿足最小需求水量。圖2.3水系統(tǒng)補水管道路由示意圖2.5空調(diào)負荷計算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計中的圍護結(jié)構(gòu)、燈光、人員、不同裝機設(shè)備功率參數(shù)，模擬出的機房動態(tài)空調(diào)負荷如下圖。圖2.410%-50%裝機設(shè)備時全年逐時空調(diào)負荷值圖2.560%-100%裝機設(shè)備時全年逐時空調(diào)負荷值2.6不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析1、水泵的能耗不同裝機設(shè)備容量下的空調(diào)負荷是不一樣的，故冷卻水泵的流量，能耗也是動態(tài)變化。圖2.6冷卻水泵運行能耗2.7不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析2、冷卻塔風(fēng)機能耗圖2.710%-50%裝機設(shè)備時全年逐時冷卻塔風(fēng)機能耗2.7不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析圖2.860%-100%裝機設(shè)備時全年逐時冷卻塔風(fēng)機能耗2.7不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析圖2.910%-50%裝機設(shè)備時全年逐時恒溫恒濕空調(diào)能耗3、恒溫恒濕空調(diào)的能耗2.7不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析圖2.1060%-100%裝機設(shè)備時全年逐時恒溫恒濕空調(diào)能耗2.7不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析由圖可知，在不同裝機容量下，恒溫恒濕空調(diào)能耗占據(jù)了系統(tǒng)總能耗的大部分，冷卻塔的能耗份額最小。因此在適當(dāng)增加冷卻塔能耗的情況下，最大限度的減少恒溫恒濕空調(diào)的能耗，是系統(tǒng)的節(jié)能降耗的關(guān)鍵點。4、不同裝機量下空調(diào)設(shè)備能耗分析圖2.11裝機設(shè)備時空調(diào)設(shè)備總能耗2.7不同裝機容量下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析由上圖可知，在冷卻水供水水溫較低的情況下，恒溫恒濕空調(diào)的能耗是降低，尤其是27度以上降低的較為顯著。同時，為了制取較低溫度的冷卻水，冷卻塔的能耗上升的較快，尤其是在24以下冷卻塔的能耗顯著上升。根據(jù)計算得到，冷卻塔供水溫度保持在21度的時候，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備總能耗最小，在21度-27度，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備總能耗上升保持在8%以內(nèi)。5、

不同設(shè)定溫度下的冷卻水空調(diào)系統(tǒng)分析圖2.12不同工況下下的空調(diào)設(shè)備能耗2.8冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8.1自動控制系統(tǒng)組成1、閉式冷卻塔的集中控制保持冷卻水進水溫度(ECDWT)最低、控制變速（VSD）風(fēng)機保證冷卻水進水溫度最低，提高水冷空調(diào)機組的效率。圖2.13冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度關(guān)系圖2.8冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2、冷卻循環(huán)水泵的集中控制

通常水泵變速控制方法主要分溫差控制法、壓差控制法。1）溫差控制法

溫差控制方法是當(dāng)系統(tǒng)中末端的冷卻負荷降低時，此時系統(tǒng)的干管回水的溫度就會低于設(shè)定值，供回水溫差變小，系統(tǒng)通過溫差控制裝置控制水泵減速運行，減少水流量，使△T增大到設(shè)定的供回水溫差。反之則控制水泵增速運行，使△T減小到設(shè)定的供回水溫差。2）壓差控制法

壓差控制法從控制空調(diào)系統(tǒng)供回水壓力差角度來考慮的。當(dāng)負荷變化時，用戶側(cè)供回水管道之間的供回水作用壓差會發(fā)生改變，因此通過分析供回水管道之間的供回水作用壓差的變化情況就可以控制水泵的變頻調(diào)節(jié)。2.8冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)3、冷卻水空調(diào)機組的控制根據(jù)機房內(nèi)溫度通過專用空調(diào)與殼管冷凝器之間連接的信號線來控制水冷殼管冷凝器回水管上電動兩通閥，下圖是由機房內(nèi)溫度控制二通電動閥的啟或閉，當(dāng)室內(nèi)溫度高/低于設(shè)定值時，通過信號線控制電動二通閥開啟度的大小，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)殼管冷凝器水量而改變空調(diào)機組的供冷量。圖2.14機房專用空調(diào)及水冷殼管冷凝器控制示意圖2.8冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8冷卻水空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8.2、冷卻塔、水泵控制要求1、控制信號采集點的設(shè)置要求1）室外冷卻水供水總管直管段上設(shè)置流量計裝置，具體要求為流量計前面不小于10倍管徑的直管段，流量計后面不小于5倍管徑的直管段。2）連接分水器和集水器供回水總管上各設(shè)置一只溫度傳感器和壓力傳感器，具體要求為于室內(nèi)供、回水總管長度大于1.5m的直管段上安裝。3）供水立管和回水立管最末端之間設(shè)置一套壓差傳感器裝置。2.9冷卻水空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用分析1、冷卻水泵控制方案：通過變頻控制系統(tǒng)，由變頻器來調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，即改變冷卻水泵的流量，從而保持最不利冷卻水供回水管之間的壓差恒定。每臺水泵配一只變頻配電柜，控制柜均獨立設(shè)置。壓差控制系統(tǒng)主要由壓差傳感器、變頻控制器、冷卻水泵及其管路等組成，它要求空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)末端裝置的回水管上必須設(shè)有能隨空調(diào)負荷變化而調(diào)節(jié)流量的二通閥，如電動閥、電磁閥等，其閉環(huán)控制方框圖如圖2.16所示。