《冷卻水空調系統(tǒng)安全與節(jié)能運行研究》課件

1、2012年11月26日項目名稱：冷卻水空調系統(tǒng)安全與節(jié)能運行研究2012年11月26日項目名稱：冷卻水空調系統(tǒng)安全與節(jié)能運行一. 課題目標實現(xiàn)情況目 錄二、主要研究成果（整合后）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絡規(guī)模的不斷擴容，特別是通信機房單位面積設備功耗的不斷增加，傳統(tǒng)的單元式恒溫恒濕空調系統(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的相關問題，通信運營商開始引入冷卻水空調或冷凍水空調（合稱水冷空調，特點是都有水系統(tǒng)）；但實際的運行表明，運營商對水冷空調的水系統(tǒng)管道路由備份及切換、安全配置等方

2、面缺少經驗積累。同時空調水系統(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。因素通風不良環(huán)境溫度高建筑設計冷凝器臟影響空調報警（高壓）能耗增加設備老化快服務成本高1.1 研究背景及意義通信網絡規(guī)模的不斷擴容，特別是通信機房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

3、冷卻水空調系統(tǒng)所有設備可監(jiān)可控，將閉式冷卻水空調系統(tǒng)安全可靠地應用于通信機房，并降低通信機房PUE。3、有效解決風冷型機房空調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冷型室外機的解決方案。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1.3 主要研究內容一、主要研究內容：1、現(xiàn)狀調查。主要包括現(xiàn)有問題的整理，并參考通信電源標準，提出設計、維護應該達到的標準；研究相關國家和國際標準，吸收已有先進經驗。2、研究供水可靠性方案。從安全角度，對冷卻水空調的水源、路由、冷卻塔、水泵、殼管式冷凝器、水路切換裝置等關鍵點提出技術要求。3、研究風冷空調增設冷卻

4、水系統(tǒng)的方案及一種基于雙冷源空調改造的軟件控制系統(tǒng)。4、研究節(jié)能方案。從節(jié)能角度，對冷卻水空調的冷卻塔、水泵運作模式提出技術要求。5、研究冷卻水空調集中智能控制系統(tǒng)技術與安裝要求。1.3 主要研究內容一、主要研究內容：1.3 主要研究內容二、項目難點及解決方案：1、冷卻水空調節(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)應協(xié)助廠家，開展PLC程序編制。初步計劃為：冷卻水空調系統(tǒng)每臺閉式冷卻塔對應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，對各設備進行集

5、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、水冷技術應用的難點是如何在后期改造中添加的設備與機房空調實現(xiàn)“一體化運行”，保證空調設備良好運行。 解決辦法:開發(fā)出一種基于雙冷源空調改造的軟件控制系統(tǒng)。1.3 主要研究內容二、項目難點及解決方案：1.3 主要研究內容三、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系統(tǒng)，因此結合該項目對不同裝機量下的空調動態(tài)負荷進行模擬計算，綜合分析冷卻水空調系統(tǒng)動態(tài)運行節(jié)能

6、技術，尋找提高空調系統(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，對冷卻水空調系統(tǒng)采用最優(yōu)化的控制手段，對冷卻水系統(tǒng)設備進行集中監(jiān)控和管理，使各子系統(tǒng)設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、寧波鄞州生產中心與杭州灣項目有意向引入冷凍水空調系統(tǒng)，因此結合兩個項目的設計研討、廠家技術交流，獲得空調水系統(tǒng)在安全性、節(jié)能型上的相關資訊，整理出電信級的空調水系統(tǒng)技術方案。3、結合水冷機房空調在河南地區(qū)風冷機房空調的改造應用，總結出冷卻系統(tǒng)中冷卻塔、閥門、冷凝器及循環(huán)泵等關鍵部件的技術要求。 1.3 主要研

7、究內容三、總體研究思路：1.4 主要技術方案和關鍵技術1、水路的雙源雙路優(yōu)化方案。實現(xiàn)水路由的冗余備份，便于設施的維護更換。2、冷卻水空調循環(huán)泵及冷卻塔風機的變頻配置方案3、冷卻塔風機、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。建立冷卻水空調集中監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)所有關鍵點可監(jiān)可控。4、風冷空調增設水冷卻系統(tǒng)的改造模型。5、一種基于雙冷源空調改造的軟件控制系統(tǒng)。6、新型器件、冷媒的探索。1.4 主要技術方案和關鍵技術1、水路的雙源雙路優(yōu)化方案。實1.5 目標完成情況總結本課題完成的目標主要包括：1、結合實際工程，分析了額定工況下不同裝機容量下的通信機房空調冷卻水系統(tǒng)的設備全年能耗趨

8、勢和不同工況下滿裝機容量下空調設備的能耗數據。通過數據分析，得到額定工況下通信機房空調的主要能耗是恒溫恒濕空調設備產生的，在這一點的基礎上分析了不同工況下滿裝機容量下空調設備的能耗，得到冷卻卻塔供水溫度保持在21度的時候，空調系統(tǒng)的設備總能耗最小，在21度-27度，空調系統(tǒng)的設備總能耗上升保持在8%以內。2、結合實際工程對冷卻水空調系統(tǒng)所采用的集中控制系統(tǒng)進行分析，通過對比空調系統(tǒng)在不同運行模式下的總的功耗，得出合理的冷卻水空調系統(tǒng)集中控制模式。3、結合了單元式空調、冷卻水型空調、冷凍水型空調的特點，給出了7種典型的空調配比方案。4、根據水管的特點，給出了經典常用的冷卻水、冷凍水、水源、內機的

9、雙路由方案。 5、運用水冷技術較好地解決了通信樞紐樓因風冷空調室外機過于集中而產生的高壓報警的問題，大大提高了空調運行的可靠性。 1.5 目標完成情況總結本課題完成的目標主要包括：1、結合1.3 目標完成情況總結項目研究產出產出成果承擔單位研究成果：包括研究報告、形成的軟硬件平臺輸出報告冷卻水空調系統(tǒng)節(jié)能與集中監(jiān)控研究空調水系統(tǒng)雙源與雙路由安全研究運用水冷技術解決樞紐樓風冷空調室外機集中散熱的技術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)技術運用到新建通信樞紐樓中作為現(xiàn)有節(jié)能技術進行推廣2、擬將運用水冷技術解決樞紐樓風冷空調室外機集中散熱的技術作為

10、現(xiàn)有節(jié)能技術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、在浙江進行相關測試并形成試驗報告2、在鄭州進行相關測試并形成試驗報告浙江公司河南公司1.3 目標完成情況總結項目研究產出產出成果承擔單位研究成果項目對企業(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）指標名稱項目應用前指標現(xiàn)狀值：PAVc項目應用1年后指標預期值：PAVe1此項目帶來的指標變動量：PAV空調系統(tǒng)耗電量7920萬度7470萬度- 450萬度監(jiān)控完整度809010空調水系統(tǒng)可靠性缺少統(tǒng)計雙源雙路由安全性達到通信電源

11、供電水平企業(yè)特征指標網絡及生產類（EAV-PS）指標名稱項目應用前指標現(xiàn)狀值（EAVc）項目應用1年后指標預期值（EAVe）此項目應用帶來的指標變動量（EAV）空調電耗7920萬度7470萬度450萬度企業(yè)特征指標市場及財務類（EAV-MF）指標名稱項目應用前指標現(xiàn)狀值（EAVc）項目應用1年后指標預期值（EAVe）此項目應用帶來的指標變動量（EAV）電費7920萬元7470萬元450萬元企業(yè)績效指標（EPV）指標名稱項目應用前指標現(xiàn)狀值：EAVc項目應用1年后指標預期值：EAVe此項目應用帶來的指標變動量：EAV營運收入營運支出電費7920萬元7470萬元450萬元資本開支項目對企業(yè)績效貢獻

12、的量化路徑圖1.4 項目企業(yè)績效貢獻和特征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期數值表項目特征指標（PAV）的名稱：空調系統(tǒng)每年節(jié)電監(jiān)控完整度空調水系統(tǒng)可靠性項目應用前指標現(xiàn)狀值：PAVc450萬度80%缺少統(tǒng)計項目應用1年后指標預期值：PAVe1450萬度90%提高項目應用2年后指標預期值：PAVe2450萬度95%提高項目應用3年后指標預期值：PAVe3450萬度100%提高項目應用4年后指標預期值：PAVe4450萬度100%提高項目應用5年后指標預期值：PAVe5450萬度100%提高項目應用6年后指標預期值：PAVe6450萬度100%提高項目應用7年后指標預期值：

13、PAVe7450萬度100%提高項目應用8年后指標預期值：PAVe8450萬度100%提高項目應用9年后指標預期值：PAVe9450萬度100%提高項目應用10年后指標預期值：PAVe10450萬度100%提高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期數值一. 課題目標實現(xiàn)情況目 錄二、主要研究成果（整合后）一. 課題目標實現(xiàn)情況目 錄二、主要研究成果（整合后）2.1 水冷空調的特點研究1、各類空調系統(tǒng)的特點：單元式風冷空調冷卻水型空調系統(tǒng)冷凍水型空調系統(tǒng)能效比低中高快速啟動好好差內機噪音高高低（主機高）外機噪音高低低冗余性好差差2.1 水冷空調的特點研究1、各類空調系統(tǒng)的特點：

14、單元式風冷2.2 水冷空調的配比方案1、冗余性再分析 通信機房的空調，冗余性一般做到N+X（X=1N），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。因此從各類空調的特點來看，單元式風冷空調之間相互關聯(lián)少，體積小，相互之間的備份容易實現(xiàn)。而冷卻水空調，其冷卻水為總管形式，一旦水管失效，內機將全部失效，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、水冷空調的容量配比要求當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：方案號單元式空調冷卻水空調1冷卻水空調2冷凍水空調1冷凍水空調2總配置冷量特點

15、比較優(yōu)選1#1.0Q+q 1.0Q+q能效比E，啟動A,防水A2#0.5Q0.5Q0.5Q1.8Q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C4#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為單臺單元式空調冷量。2.2 水冷空調的配比方案1、冗余性再分析方案號單元式空調冷2.3 空調水系統(tǒng)管道路由方案 1、冷卻水空調系統(tǒng)：任

16、一冷卻水設施故障，都可以保證用戶管路有冷卻水供應；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。但區(qū)域性殼管式冷凝器，在無其它形式空調備份下，應在該區(qū)域考慮雙管供應。圖2.1 水系統(tǒng)管道路由示意圖一2.3 空調水系統(tǒng)管道路由方案 1、冷卻水空調系統(tǒng)：任2.3 空調水系統(tǒng)管道路由方案 2、冷凍水空調系統(tǒng)：任一冷凍水設施故障，都可以保證用戶管路有冷凍水供應；用戶一般是盤管型內機。 區(qū)域性盤管型內機，在無其它形式空調備份下，應在該區(qū)域考慮雙管供應。圖2.2 水系統(tǒng)管道路由示意圖二2.3 空調水系統(tǒng)管道路由方案 2、冷凍水空調系統(tǒng)：任一冷凍2.4 水系統(tǒng)的補水水源供給方案 市政進水一般只有

17、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路由蓄水池或應急加水供應。 補水用的蓄水池最好單獨設置。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2.4 水系統(tǒng)的補水水源供給方案 市政進水一般只有1路2.5 空調負荷計算結果 根據設計中的圍護結構、燈光、人員、不同裝機設備功率參數，模擬出的機房動態(tài)空調負荷如下圖。圖2.4 10%-50%裝機設備時全年逐時空調負荷值 圖2.5 60%-100%裝機設備時全年逐時空調負荷值2.5 空調負荷計算結果 根據設計中的圍護結構、燈光、人員2.6 不同裝機容量下

18、的冷卻水空調系統(tǒng)分析1、水泵的能耗不同裝機設備容量下的空調負荷是不一樣的，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2.6 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析1、水泵的能耗圖22.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析2、冷卻塔風機能耗圖2.7 10%-50%裝機設備時全年逐時冷卻塔風機能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析2、冷卻塔風機能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.8 60%-100%裝機設備時全年逐時冷卻塔風機能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.8 602.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.9 10%-50%裝機設

19、備時全年逐時恒溫恒濕空調能耗3、恒溫恒濕空調的能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.9 102.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.10 60%-100%裝機設備時全年逐時恒溫恒濕空調能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.10 602.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析由圖可知，在不同裝機容量下，恒溫恒濕空調能耗占據了系統(tǒng)總能耗的大部分，冷卻塔的能耗份額最小。因此在適當增加冷卻塔能耗的情況下，最大限度的減少恒溫恒濕空調的能耗，是系統(tǒng)的節(jié)能降耗的關鍵點。4、不同裝機量下空調設備能耗分析圖2.11 裝機設備時空調設備總能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系

20、統(tǒng)分析由圖可知，在不同裝2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(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。根據計算得到，冷卻塔供水溫度保持在21度的時候，空調系統(tǒng)的設備總能耗最小，在21度-27度，空調系統(tǒng)的設備總能耗上升保持在8%以內。5、 不同設定溫度下的冷卻水空調系統(tǒng)分析圖2.12 不同工況下下的空調設備能耗2.7 不同裝機容量下的冷卻水空調系統(tǒng)分析由上圖可知，在冷卻2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8.1自動控制系統(tǒng)組成1、閉式

21、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）風機保證冷卻水進水溫度最低，提高水冷空調機組的效率。圖2.13 冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度關系圖2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8.1自動控制系統(tǒng)組2.8 冷卻水空調系統(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增大到設定的供回水溫差。反之則控制水泵增速運行，使T減小到設定的供回水溫差。2）壓差

22、控制法 壓差控制法從控制空調系統(tǒng)供回水壓力差角度來考慮的。當負荷變化時，用戶側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節(jié)。2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2、冷卻循環(huán)水泵的集中控2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)3、冷卻水空調機組的控制 根據機房內溫度通過專用空調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，下圖是由機房內溫度控制二通電動閥的啟或閉，當室內溫度高/低于設定值時，通過信號線控制電動二通閥開啟度的大小，從而調節(jié)流經殼管冷凝器水量而改變空調機組的供冷量。圖2.14 機房專用空調及水

23、冷殼管冷凝器控制示意圖2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)3、冷卻水空調機組的控制2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8 冷卻水空調系統(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置要求1）室外冷卻水供水總管直管段上設置流量計裝置，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置一只溫度傳感器和壓力傳感器，具體要求為于室內供、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

24、最末端之間設置一套壓差傳感器裝置。2.8 冷卻水空調系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)2.8.2、冷卻塔、水泵2.9 冷卻水空調系統(tǒng)應用分析1、冷卻水泵控制方案： 通過變頻控制系統(tǒng)，由變頻器來調節(jié)冷卻水循環(huán)泵的轉速，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，它要求空調系統(tǒng)中空調末端裝置的回水管上必須設有能隨空調負荷變化而調節(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。圖2.15 壓差閉環(huán)控制方框圖2.9 冷卻水空調系統(tǒng)應用分析1、冷卻水泵控制方案：圖2.12.9 冷卻水空調系統(tǒng)應用分析圖2.16 冷卻水控制系統(tǒng)示意圖2