解密高效机房系统

本刊编辑部

2020年9月3日—5日，“第二届绿色高效机房系统建设与运维论坛”在烟台召开。本次论坛由中国建筑科学研究院、暖通空调产业技术创新联盟主办，海尔中央空调、美的中央空调协办，并得到了天加、荏原、克莱门特、顿汉布什、翱途等厂家的大力支持。来自国家机关事务管理局、住房和城乡建设部、行业协会、科研院所、高等学校、设备厂商以及运维企业等300余人参加了会议。本次会议就行业发展趋势、高效机房设计、设备优化选型和自动化控制策略等议题进行了深入探讨，分享了国内最新技术、成功案例和实践经验。

综述

2019年6月，国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、国管局等7部门联合印发了《绿色高效制冷行动方案》。方案中明确指出，“到2022年，家用空调、多联机等制冷产品的市场能效水平提升30%以上，绿色高效制冷产品市场占有率提高20%，年节电约1 000亿 kWh ;到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平提升25%以上，绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上，年节电4 000亿 kWh 左右”。同时，方案也明确了“重点支持中央空调节能改造”“更新淘汰低效设备”“实施数据中心制冷系统能效提升工程”等主要任务。随着这一方案的出台，“高效空调机房”成为行业的热议话题。“高效”一般是针对制冷机房的能效比EER而言的，是对制冷机房实际运行情况的耗能评价。EER值是机房总制冷量与制冷机房总耗电量的比值，即EER=总冷量/（冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔）耗电量（以水冷式冷水机组为例）。EER的数值越高，制冷机房就越高效。美国 ASHRAE研究报告中指出，高效的制冷机房系统能效比应高于5.0，能效比低于3.5时，制冷机房系统就需要改进。

然而目前在制冷行业内，国内的制冷机房实测能效比EER大多在3.5以下。导致机房能效比偏低的主要原因有以下几点：第一，系统运行过程中，部分负荷状态下运行时间占比很大;第二，不同设备类型在不同负荷工况条件下的最佳运行效率差异较大，这容易导致制冷机房的冷却系统的运行逻辑发生混乱;第三，水泵扬程选择过大导致水泵运行时能耗增加;第四，设备基本由人工控制，存在维护不及时、长期带病运行的情况。

实现整个空调机房高效持续运行，降低空调系统的能耗，实际上是一项精细化设计及智能化运维的系统工作，包含节能产品的选择、机房系统优化和节能运维3个关键部分。高能效机房将中央空调的机房设备，包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、管道阀门、控制系统等设备，进行系统性、智能性、集成性优化设计，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，确保整个制冷机房整体运行后效率始终处于最高水平。

为此，建设高能效机房系统具体包含以下几个方面：第一，制冷机房中应使用具有高能效比的主机、水泵、冷却塔等设备。第二，控制策略要能够保证整个机房系统长期处于高效率区运行。第三，尽量减少系统的阻力（包括局部阻力和沿程阻力），保证从主机到水泵等的管路最短。第四，制冷机房采用智能控制技术，实现机房系统无人值守和自动运行。

高能效机房系统的价值更多地体现在设备优化选型、系统优化设计、暖通空调设备与机房控制系统整合、设备安装与工程管理、全系统整体调试等方面。设计、选型、产品、安装、运维、监测等各个环节需要密切配合，才能确保最终的系统能效比符合高效机房的能效标准。

总之，推进制冷行业绿色高效发展，降低制冷机房的能耗，提升制冷机房的综合能效，是落 实《绿色高效制冷行动方案》、推进生态文明建设、 扩大绿色消费、推动制冷产业转型升级高质量发 展的有效举措。

观点

提升制冷机房能效对建筑节能意义重大——CAHVAC副理事长、中国建筑科学研究院环能院副院长、国家空调设备质量监督检验中心主任路宾

国家发展改革委、工业和信息化部、国管局等7部门联合印发的《绿色高效制冷行动方案》为制冷空调行业的能效提升提出了明确的目标。其明确指出，到2030年，制冷总体能效水平提升25%以上，绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上。同时，党的“十九大”报告提出，要重点支持中央空调节能改造，支持在公共重点领域更新、淘汰低能效设备。这些政策的出台使高效制冷机房建设受到了行业的广泛关注。目前，行业内一般将能效比EER大于5.0的机房称作高效制冷机房。制冷机房系统能效比低于3.5时，则需要加以改造。以空调能耗占建筑总能耗的50%，制冷机房占空调能耗的70%来估算，制冷机房系统能效比从3.0提升到5.0时，建筑能耗就能降低15%。因此，提升制冷机房能效对推动绿色建筑发展具有重大的意义。

提升制冷机房能效是系统性工程—— 国家机关事务管理局公共机构节能管理司副处长李道正

目前，國内制冷机房系统仍然存在以下几个主要问题：第一，从冷源来看，制冷机组设计选型不合理，造成冷源容量配置过大，机组长期处于低负荷运行状态，加上制冷机组超年限运行，且对其调试、保养不到位，因此机组实际运行能效性能不达标。第二，从输配系统来看，设备选型过大，水泵性能与管网不匹配，造成水泵长期在20%～50%低负荷状态下运行。设计阶段各系统划分不合理，造成运行阶段空调水系统水力平衡失调。第三，从末端系统来看，智能控制系统使用率较低，多数中央空调系统未设置智能控制装置，分体空调未设置有效启停控制及集中温控装置，系统运维信息化、智能化水平相对偏低。此外，

制冷机房系统还存在其他一系列问题。诸如，制冷机房的设计方案过于通用化;机房项目招采和施工质量较低;工人岗前培训不到位，管理考核水平不一，从而出现工人上岗后对自控调试不精准、自控系统不会用等现象。要想实现制冷机房的高效运行，不仅要更换更加高效的机组、水泵等设备，还要全面统筹机房系统设计、安装、运维等全过程。

建设高效绿色机房需要科学运维—— CAHVAC副理事长、山东省土木建筑学会暖通空调专委会主任委员、山东省建筑设计研究院有限公司总工于晓明

随着国家经济的发展，城市化发展水平不断提高。建筑能耗占社会总能耗的比重达到了25%～30%，其中大型公共建筑中的中央空调系统能耗占建筑能耗的40%～60%，中央空调制冷机房能耗在中央空调系统中的总能耗占比最大达到60%。因此，建设高效绿色节能机房，降低制冷机房的系统能耗成为当前行业面临的首要任务。

制冷机房要实现高效、绿色、节能运行，除了要建设高效、绿色、节能机房外，还需要做到对现有制冷机房的科学运维。但是目前，大多数制冷机房在设计、施工、运维等方面存在诸多的问题。在设计方面，一方面，整个制冷机组和循环水泵的选型偏大导致整个设备系统的运行能耗增大;另一方面，设计人员不能合理选择制冷机房空调系统，特别是未能根据建筑的负荷特性来选择系统制冷设备。在施工方面，项目单位采购性能系数及COP不达标的机组，选用性能参数不符合设计要求的材料，这些都影响了机房的高效运行。此外，制冷机房在建设过程中存在施工安装不到位以及偷工减料的现象。在运维方面，平台运维管理能力较差，系统运维的信息化和智能化水平低等因素导致机房运行能耗及费用居高不下，这些问题都亟待解决。

技术热点与应用

BIM信息化的全过程

未来建设制冷机房可以通过BIM信息化和物理设备的交互使用，形成建筑物理实体和建筑虚拟实体相结合的空间逻辑体系。通过逆向信息和正向信息的比对分析，建立信息数据库，在BIM技术基础上搭建三维可视化、可应用平台，通过BIM技术，实现全产业信息互通，促进不同产业间的高效协作。

一体化能源站

智慧高效集成能源站是在传统冷热源系统技术和工程建设的基础上，对核心技术不断加以创新和应用，以智慧管控为核心，开展二次深化设计和三维仿真，通过工厂预制、模块运输、现场拼接，实现能源站的一体化设计、建造、运行管控等过程。

一体化能源站通过节能及智能控制、硬件设备集成、一体化设计和一体化装配等方面实现。其中，节能及智能控制运用基于数据驱动的全动态控制算法和自适应无人值守控制系统，不仅实现了能源站冷热源系统的可靠、稳定、高效运行，而且可以保证能源站在无人值守的情况下全自动运行。通过采用冷热源模块化设计技术和预制式生产模式，可以集成硬件设备，减少设备的占地面积和施工人员的现场安装时间。硬件设备集成方式的运用可使冷热源系统的建设更加快捷。

地铁站智能高效空调系统

地铁站空调系统中值得关注的是智能运维和系统亚健康提醒功能。空调系统的亚健康状态提醒功能依托控制系统及智能云平台，根据历史数据设置预警阈值，在非正常运行状态下，可以实现冷却塔清洗、皮带轮维护、冷凝器清洗、空气质量检测预警等提醒功能，通过对设备、阀门、通信、系统运行的动态调整，实现地铁站空调系统智能高效运行。

制冷机房设计

在设计阶段，设计人员往往会忽略机房整体能效COP的设计，然而机房能效COP设计对系统后期运行效果具有决定性作用。因此，在条件允许的情况下，设计人员通过BIM建模，对机房系统负荷进行模拟分析，并在全负荷区间下对主机、辅机等设备进行选型，以确保水力分配，减小压损，使设计更加合理。

装配式制冷机房设计

装配式制冷机房设计需要收集管道及构件的数据资料，建立自动化布线系统，实现智能装配和数据互通的目标。机房是由整体撬装和部分连接构件组合而成，所有模块在生产车间进行组装，试压后包装发货至施工现场。装配式制冷机房建设在项目实践中实现了三大技术上的突破：一是设备及管件精加工与现场装配的精度匹配;二是缩短了人工现场定位连接工作时间;三是加快了施工进度，保障了施工工艺品质。

相关国家政策标准

一、方案及指南

?2019年6月，国家发展改革委、工业和信息化部、国管局等7部门联合印发了《绿色高效制冷行动方案》，明确了到2022年和到2030年能效提升的目标和主要任务。

?《公共建筑节能信息服务平台建设指南》征求意见稿。

?《公共机构空调系统节能改造工程指南》。

?《公共机构绿色数据中心先进适用解决方案》。

?《中央国家机关数据中心机房节能改造技术导则》。

二、政策及制度

?“十三五”期间，住房城乡建设部办公厅关于印发《省级公共建筑能耗监测平台验收和运行管理暂行办法》的通知（建办科〔2016〕18号）;住房城乡建设部办公厅、银监会办公厅关于深化公共建筑能效提升重点城市建设有关工作的通知（建办科函〔2017〕409号）。

?“十二五”时期，财政部、住房城乡建设部关于进一步推进公共建筑节能工作的通知（财建〔2011〕207号）;住房城乡建设部、教育部关于印发《节约型校园节能监管体系建设示范项目验收管理办法（试行）》的通知（建科〔2014〕85号）。

?“十一五”时期，关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见（建科〔2007〕245号）。

三、标准及规范

?《高效空调制冷机房评价标准》在编。

?《高效制冷机房系统应用技术规程评价标准》在编。

?《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB 21455—2019）。

?《绿色建筑评价标准》（GB 50378—2019）。

?《中国建筑节能年度发展研究报告2018》。

?《冷水机组能效限定值及能效等级》（GB 19577—2015）。

?《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）。

?《城市轨道交通车站制冷系统能效检测与评价标准》。

?《轨道交通车站高效空调系统技术标准》。

?《城市轨道交通车站高效制冷系统机房设计标准》。

?《城市轨道交通车站高效制冷系统机房施工标准》。

?《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB 12021.3—2010）。

创新产品

海尔E+物联网新冷媒磁悬浮中央空调

相比于传统磁悬浮空调，海尔E+物联网新冷媒磁悬浮中央空调使用的新型R1234ze环保冷媒，不仅能够做到不破坏臭氧层且不可燃，而且能够极大地降低温室效应。在性能方面，海尔E+物联网新冷媒磁悬浮中央空调在实现环保功能的同时，能够达到远超行业水平的静音效果。该产品还配备成套的物联网技术，让系统在具有高环保性和静音性的同时，也更加智能化。以海尔磁悬浮中央空调为例，其利用5G技术优势，能够将机组能耗数据与维护提醒等信息迅速传输到E+云服务平台进行高速云计算，秒速输出设备运行报告与维护方案等，从而更精准快速地实现设备自主控制。

美的司南系列磁悬浮变频离心式冷水机组

美的司南系列磁悬浮变频离心式冷水机组搭载了美的自主研发的磁悬浮离心压缩机、大功率变频器，并传承了美的家族式的水平对置叶轮结构、航天气动设计等直驱离心机的核心技术，与上一代使用国外技术的磁悬浮变频离心机组相比，整机COP提升4%，IPLV提升7%。该机组具备无油高效、稳定可靠、宽域运行、低噪环保、节省费用等优点，可广泛应用于机场、轨道交通、酒店、商业新建或改造等多种建筑领域。

天加全直流磁悬浮冷水机组

作为中国首台将全直流技术与磁悬浮技术相结合的冷水机组产品，天加的全直流磁悬浮冷水机组可直接接入直流电源，避免了交流/直流电源转换所带来的能源损失，制冷效率可提升近15 %。该机组使用磁悬浮轴承，将轴承置于智能磁场中，使运动部件完全悬空，压缩机实现无摩擦运行，极大地降低了噪声。与传统机组相比，全直流磁悬浮冷水机组具有更高的COP和IPLV值 ，能够高效、稳定运行，同时还降低了维保成本。

克莱门特磁悬浮变频离心式冷水机组

相较于传统冷水机组，克莱门特磁悬浮变频离心式冷水机组采用世界先进的磁悬浮和高效变频离心机技术，可实现无油运行，全生命周期内性能几乎无衰减，在保证高能效的同时，其还具有寿命长、噪声低、振动小、运行维护费用少等优势，能够为客户创造可观的经济效益。

荏原一体化高效机房系统

荏原一体化高效机房系统采用BIM设计，通过工厂预制化，集成低阻力过滤器的泵组模块、低压损管路模块以及水处理模块，缩短工期达50%以上。同时荏原还通过先进的智能化控制系统与能量分析系统对机房系统实行全过程、全方位的能效管理，全面助力我国绿色高效智慧化机房的建设。

顿汉布什热回收/冰蓄冷离心机

顿汉布什结合项目的实际需求在传统离心机的基础上，采用热回收技术，对冷凝器排出的热量进行回收再利用，可以得到35～45 ℃的回收热水。顿汉布什将冰蓄冷技术运用到空调系统中，极大地提高了能源的综合利用率。

翱途模块化集成板式换热器

翱途针对不同制冷机房对“冷”系统的差异化需求，将板式换热器、循环泵、排气除污装置、定压补水装置、温度计、压力表及传感器、管路和阀门等设备集为一体，灵活运用到机房中，使机房运行更加高效、节能。

案例分析

东方电子集团有限公司

项目简介：项目共12层，建筑面积达60 000 m2，空调使用面积为52 000 m2，制冷机房位于负一层。

选用方案：项目采用海尔物联高效磁悬浮+物联高效控制系统+系统优化等整体方案，并对原先的制冷机房系统进行了重新配置。方案选用高效水泵、大温差冷塔等产品，应用物联分布控制、AI自适应、最佳冷却水控制等技术，对系统管路、管件进行优化，从而实现制冷机房自联网、自运行、自节能的功能。

节能效果：机房COP由原来的2.87提升至5.93，節电51.6%。

腾讯青浦云计算中心103扩容机房

项目简介：腾讯青浦云计算中心位于上海青浦经济技术开发区。该项目机房共设82台定制机柜，客户要求全年PUE（电源使用效率）在1.2以下。

选用方案：海尔中央空调为其定制了2台250 RT磁悬浮中央空调，该产品压比可调，无油运行不需回油，全工况下均可实现22 ℃的高温出水，自然冷源与机械制冷自动切换，其CLF<0.1。

节能效果 ：经过夏季测试，系统综合PUE为1.18。其中一体式集成高效机房的平均COP>10。通过云服务平台，该产品实现了人来即开、人走即停的无人值守功能，大大减少了企业在人力、物力方面的投入。

广州地铁天河公园站

项目简介：广州地铁天河公园站是广州地铁11号线、广州地铁13号线和广州地铁21号线的换乘车站。该站于2019年启用，总建筑面积达8万 m2，设计客流量为18万人/ h。

选用方案：该项目采用3台500 RT+1台250 RT的美的变频直驱离心机组。

节能效果：目前机房在制冷季的平均COP为6.0。

广州地铁苏元站

项目简介：广州地铁苏元站是广州21号线的第9个车站。

选用方案：该站采用了美的中央空调2台250 RT变频直驱高效离心机组、3台冷冻水泵、3台冷却水泵和2台冷却塔。其中，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机均采用变频调节技术。

节能效果：空调冷源系统全年能效系数为6.48，达到广州地铁对于机房能效>5.0的要求;NPLV提升35.40%，主机运行费用降低35%，投资回收期小于3年。

北京五棵松冰上运动中心

项目简介：北京五棵松冰上运动中心位于北京市海淀区复兴路69号五棵松文化体育中心内，是全球最大的超低能耗体育建筑。

选用方案：项目采用3台克莱门特水冷高效磁悬浮变频离心机组，总冷量达3 600 kW。

节能效果 ：在满负荷运行状态下，机组的COP可达5.87，IPLV值可达10.41。

济宁市文化中心能源站

项目简介：该项目包含图书馆、高地公园、群艺馆、美术馆、博物馆、酒店等多类功能建筑，总面积达22.48万 m2。

选用方案：项目采用地源热泵系统作为冬季热源，地源热泵系统+冷却塔调峰作为夏季冷源。能源管控系统采用能源系统运行无人值守控制技术。

节能效果：系统COP达到5.2以上。