关于公共建筑高效机房建设方案的探索

摘 要：为降低公共建筑能耗，本文提出高效制冷机房建设思路。本文通过分析现有制冷机房典型问题，提出从方案设计、图纸设计、设备招采、施工、调试、验收、运维等全流程精细化的高效机房建设方案。

关键词：高效机房;制冷机房典型问题;全流程

1 背景介绍

中央空调为公共建筑提供冷热舒适环境的同时，也成为能源消耗大户。以广东省公共建筑为例，中央空调能耗占建筑总能耗的30%-60%，而空调能耗中60%-90%是制冷机房（冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔）能耗[1]。

清华大学研究报告显示，广东省公共建筑平均制冷机房能效为2.5-3.5，部分建筑能效低于1.5[2]。国家发展改革委等七部委2019年联合下发《绿色高效制冷行动方案》，明确要求到2030年大型公共建筑制冷能效提升30%。而根据美国ASHRAE标准、广东省标准等要求，制冷机房能效>5.0为高效机房，如常规制冷机房能效3.0提升至高效机房能效5.0，制冷机房能效提升66.7%，公共建筑能效可提升12%-36%。

如何建设高效机房？在满足现有空调系统冷热功能的同时，通过优化暖通空调选型、优化水系统阻力、优化末端选型、优化控制系统等措施，从方案设计、图纸设计、设备招采、施工、调试、验收、运维等全流程进行精细化把关。

2 现有制冷机房典型问题

2.1 大马拉小车

受室外环境温度、人流量、新风量等影响，制冷机房长期处于部分负荷，制冷主机能效较低。以武汉市为例，夏季空调室外计算干湿球温度为35.2/28.4℃，笔者统计了2018-2019年武汉市室外气温，平均每年超过35.2℃约30天，多数时间制冷机房处于部分负荷。同时，因武汉市极端最高温度为39.3℃，为应对极端高温天气，同时考虑机组备用，设计时通常放大制冷机房冷量配置，进一步加剧部分负荷。

2.2 人为经验控制

不同主机的最佳运行效率点不同：变频离心机最佳效率点为40%-70%，定频离心机最佳效率点为80%-100%。

不同主机对冷却水温适应性不同：当冷冻水供回水温度7/12℃时，磁悬浮离心机冷却水进水温度可低至10℃、变频离心机可低至15℃、定频离心机需保证20℃以上。

不同主机对冷却水温敏感度不同：不同冷却水进水温度时，磁悬浮离心机能效差异较大，而定频离心机波动相对较小。

当多种类型主机组合使用时，运维人员很难找到最佳节能运行方案。

2.3 附属设备能耗大

在附属设备选型时，通常会放大水泵扬程选型，造成实际运行中流量过大，系统小温差运行，尤其采用定频水泵系统时，会造成水泵长期超流运行，电机寿命减少。

传统的一次泵变流量设计中，仅仅针对冷冻水泵进行变频控制，而冷却水泵、冷却塔采用定频系统。以江苏某项目为例，定频冷却水系统的供回水温差长期处于1.5-3.0℃之间，如温差由2.5℃升至5.0℃，水流量降低50%，水泵功率可降低87.5%。

2.4 维护不及时

制冷机房通常采用开式冷却塔，冷水机组运行一段时间后冷凝器管内壁积累大量水垢、污垢、生物污泥等，使冷凝器的传热效率降低。通常采用人工清洗，如清洗不及时会造成机组冷凝温度持续上升。

2.5 设计时无明确能效要求

设计时一般参考《公共建筑节能设计标准》，仅对SCOP有明确要求，对制冷机房无明确设计要求。笔者调研了17个项目，设计制冷机房能效范围为3.13-4.59，制冷机房平均能效为3.99。

3 高效机房建设方案

3.1 全年负荷设计

传统单状态点负荷设计升级为全年逐时负荷计算，通过负荷模拟软件，模拟8760h暖通空调负荷变化，详细模拟环境温度、人流量、新风量、灯光发热等造成的负荷变化，通过逐时负荷计算，结合建筑开启时间，核算全年不同负荷段分布占比、最大负荷率和最小负荷率。

3.2 优化冷水机组选型

通过全年负荷模拟，进行不同冷水机组选型，通过高效运行策略模拟计算不同主机方案的能效对比，最终确定主机冷量和台数。

在冷水机组选型时，优先选择低阻力换热器的变频冷水机组，传统换热器阻力约60kPa-100kPa，高效机房系统用冷水机组换热器阻力宜为20kPa-50kPa。同时，冷水机组或冷水系统宜配置冷凝器自清洗装置。

3.3 优化系统方案

根据建筑功能分区，选择合适的水系统方案：一次泵变频方案、一次泵定流量+二次泵变频量方案、全变频方案。在高效机房系统中，优先采用全变频系统，即，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔均变频控制。公共建筑以满足舒适性为主，为降低水系统阻力，可采用大温差（8℃）系统，冷冻水供回水温度采用7/15℃，并重新匹配末端选型。

3.4 优化系统阻力

系统中相同时间或者具有相同规律的区域按照同一管网设计，尽量减少多个管网之间的相互影响。选择低阻力零部件可降低系统阻力：传统Y型过滤器阻力约3m，而篮式过滤器阻力约0.3m;蝶式止回阀阻力约2m，而静音型止回阀阻力约0.3m。避免直角弯头，改为钝角135℃弯头，降低局部阻力。采用水泵和主机直联方案也可降低管路阻力损失。通过水系统仿真模拟，可得出不同负荷下的管网阻力损失，获取水泵扬程、流量、压差等基础信息。

3.5 优化水泵选型

通过采用低阻力冷水机组、大温差系统、水阻优化后，重新匹配水泵的选型。与常规制冷机房相比，冷冻水泵扬程通常可由30m-40m降低至22m-28m，冷却水泵扬程通常可由22m-30m降低至16m-26m。当冷冻水侧供回水采用8℃温差時，冷冻水泵流量可降低37.5%。因此，综合流量与扬程因素，水泵额定功率可降低50%以上。

3.6 优化冷却塔选型

冷凝温度每降低1℃，冷水机组能效可提升2%-3%。降低冷却塔供回水温度，可大大提升主机能效。在传统制冷机房设计时，冷却塔通常按照湿球温度28℃、冷却塔供回水32/37℃选型。而高效机房冷却塔选型湿球温度按照当时湿球温度计算，冷却塔逼近度由4℃调整为3℃，在此基础上进行冷却塔选型。

3.7 精细化能效模拟

根据制冷机房选型参数，重新进行制冷机房能效模拟。根据模拟能效确定是否进行需求进一步优化系统。

3.8 优化传感器选型

为了满足精细化控制需求，需要测定供回水温度、耗电量、水流量等基础数据。不同精度的传感器会造成测量误差的叠加，形成能效误差的“木桶效应”。为减小测量误差，需采用高精度测量设备。

3.9 BIM建模模拟

制冷机房管线复杂，传感器布置众多，采用制冷机房BIM技术，三维可视化与精确定位，可提前发现大量潜在问题，避免施工中出现碰管、碰线、无处安装等问题。

3.10 智能化机房控制系统

为了实现冷水机组、水泵、冷却塔的综合能效最高，需要采用智能化控制，深度解析设备特性，自动调整运行策略。

3.11 精细化调试和运维

采用全年全负荷调试运维，确保全工况达到设计预期。

4、结束语

高效机房能效较传统机房能效提升50%以上，设计、施工、运维等投资费用均有上升，需要全流程参与和把关，保障项目全年制冷机房系统实现高能效运行。

参考文献：

[1]广东省住房和城乡建设厅.集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准：DBJ/T 15-129-2017[S].北京：中国城市出版社，2017.

[2]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

作者简介：

谷广普，男，汉，1988年6月生，本科，工程师，就职于青岛海尔空调电子有限公司。