暖通高效制冷机房与低碳设计探讨

周 鹏

［同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092］

0 引言

实现2030年前“碳达峰”和2060年前“碳中和”目标是我国贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求，是统筹国内国际两个大局做出的重大战略决策，对我国推进生态文明建设和提升国际影响力具有深远意义。

建筑领域是碳排放的重点领域之一，建筑运行能耗是建筑领域碳排放的主体，在“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标背景下，减少建筑运行能耗碳排放是行业发展的必然方向。而暖通空调系统在建筑运行能耗中的占比较高，通常达40%～50%[1-2]。而系统冷热源主机侧，特别是制冷冷源侧的制冷机房系统，是建筑的耗能大户。

1 计算模型

本文以某一高层办公建筑为计算模型，该办公建筑位于上海市，属夏热冬冷地区，总建筑面积38 325 m2，地上9 层，高40.5 m。建筑模型和室内设计参数分别如图1、表1所示。

图1 建筑模型

表1 室内设计参数

根据PKPM2022 版最新绿建节能系列碳排放计算软件计算得出空调夏季冷负荷为3868 kW。

2 碳排放计算

按照《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）第4.1.4 条，建筑运行阶段碳排放量应根据各系统不同类型能源消耗量和不同类型能源的碳排放因子确定，建筑运行阶段单位建筑面积的总碳排放量（CM）按式（1）计算[3]。

式中：CM——建筑运行阶段单位建筑面积碳排放量，kg CO2/m2；Ei——建筑第i 类能源年消耗量，（kW·h）/a；EFi——第i 类能源的碳排放因子，t CO2e/（kW·h）；Cp——建筑绿地碳汇系统年减碳量，kg CO2/a；y——建筑设计寿命，a；A——建筑面积，m2。

电网碳排放因子采用计算软件中推荐使用的2022年上海电力排放因子EF=4.2×10-4t CO2e/（kW·h）。

对于高效制冷机房，制冷季平均能效是其定性评价的主要技术指标。参照美国采暖、制冷和空调工程师协会中针对装配离心式冷水机组的制冷机房系统能效评级和新加坡绿色建筑标准，业内基本达成共识，制冷机房制冷季平均能效达到并超过5.0，即认为其达到高效制冷机房标准[4]。

制冷机房能效比（EERCP）的计算公式如式（2）所示[4-5]。

式中：EERCP——制冷机房能效比；EERr——制冷系统能效比，系统制冷量与制冷系统（包括冷水机组、冷却水泵及冷却塔等）能耗之比；COP——制冷机组运行效率性能系数；WTFcw——冷却水输送系数；WTFchw——冷冻水输送系数。

从式（2）可以看出，与制冷机房能效比相关的参数包括制冷机组运行效率性能系数COP，冷却水输送系数WTFcw和冷冻水输送系数WTFchw，均与制冷机房能效比呈正比关系，因此对于高效制冷机房系统，必然须提高冷水机组制冷运行能效和提高循环系统冷冻水泵、冷却水泵的输送能效。从减小碳排放量角度而言，制冷机房相关设备各自能效参数提升对减少碳排放的贡献程度，是高效制冷机房低碳化具体设计中，措施选择的重要考虑因素，可用于决定是采取部分措施还是综合措施进行具体项目的减碳设计，所以希望能有量化数据作为参考。

3 制冷机房设备配置及分级

根据本文某一办公建筑计算模型的空调负荷计算结果，设置的空调系统冷源拟采用两台离心式水冷冷水机组，单台制冷量2000 kW；两台冷冻水循环泵，单台流量350 m3/h；两台冷却水循环泵，单台流量400 m3/h；冷却塔流量和冷却水泵流量相同。

本文对照高效制冷机房不同能效比分级等级[6]所对应的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵的不同性能参数，进行碳排放值计算、比较分析，以探讨高效制冷机房中影响系统能效比的主要因子对碳排放值的影响权重。不同能效比分级等级对应的主要设备性能参数如表2所示。

表2 不同能效比分级等级对应的主要设备性能参数

本文利用PKPM2022 版最新绿建节能系列碳排放计算软件进行建模和碳排放计算，冷源主机的性能系数取值采用《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中的规范限值作为三级系统能效比所对应的基准计算值。根据三级系统能效比所对应的参数，得出空调制冷年碳排放值，将其作为比较研究的基准值。

4 主机侧碳排放比较

经计算，冷水机组按三级系统能效比对应参数基准冷源设备配置的冷源侧空调年能耗碳排放量为244.18 t。若其他设备维持三级系统能效比基准配置，则冷水机组按二级系统能效比对应参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为236.52 t，按一级系统能效比对应参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为229.85 t。

从单独主机侧不同分级对应冷水机组COP 参数的碳排放计算结果比较来看，以三级系统能效比对应参数的空调制冷年碳排放值作为基准值，冷水机组COP 值在规范规定值基础上提高6.00%时，碳排放计算值减少3.14%；冷水机组COP 值提高12.00%时，碳排放计算值减少5.87%。

5 冷冻水泵侧碳排放比较

单以冷冻水泵作为比较对象，其他设备维持基准配置，冷冻水泵按二级系统能效比对应扬程参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为237.49 t，按一级系统能效比对应扬程参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为231.92 t。

从单独冷冻水泵侧不同分级扬程参数设备所对应的碳排放计算结果比较来看，以三级系统能效比对应参数的碳排放值作为基准值，冷冻水泵扬程降低至31.0 m 时，碳排放计算值减少2.74%；冷冻水泵扬程降至27.0 m 时，碳排放计算值减少5.02%。

6 冷却水泵侧碳排放比较

单以冷却水泵作为比较对象，其他设备维持基准配置，冷却水泵按二级系统能效比对应扬程参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为236.93 t，按一级系统能效比对应参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为232.40 t。

从单独冷却水泵侧不同分级扬程参数设备所对应的碳排放计算结果比较来看，以三级系统能效比对应参数的碳排放值作为基准值，冷却水泵扬程降低至24.0 m 时，碳排放计算值减少2.97%；冷却水泵扬程降至21.5 m 时，碳排放计算值减少4.82%。

7 冷却塔侧碳排放比较

在制冷机房系统的主要耗能设备组成中，冷却塔自身耗能较小，本文也单以冷却塔作为比较对象，其他设备维持基准配置，冷却塔按二级系统能效比对应能效参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为242.67 t；按一级系统能效比对应能效参数计算的冷源侧空调年能耗碳排放量为241.66 t。

从单独冷却塔侧不同分级系统能效比所对应的碳排放计算结果比较来看，以三级系统能效比对应参数的碳排放值作为基准值，冷却塔能效比降至0.032 kW/（m3/h）时，碳排放计算值减少0.62%；冷却塔能效比降至0.030 kW/（m3/h）时，碳排放计算值减少1.03%。

8 综合配置碳排放比较

若将水冷冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔均按二级系统能效比的性能参数进行综合配置计算，得出空调年能耗碳排放量结果为221.02 t；均按一级系统能效比的性能参数进行配置计算的空调年能耗碳排放量为203.49 t。

从相应年碳排放量的比较来看，若制冷机房相关设备均按二级系统能效比的性能参数进行配置，年碳排放量比三级系统能效比对应参数的基准值降低9.48%；若均按一级系统能效比对应的性能参数进行配置，年碳排放量降低16.66%。

9 分析

通过以上量化计算数据可以分析得出以下结论。

（1）制冷机房系统中，冷却塔由于自身能耗量较小，权重低，冷却塔本身的性能优化并非系统减碳措施的重点。但因为系统实际运行中，冷却水水温对冷水机组COP 值的影响明显，合理控制并适时降低冷却水温是冷却塔侧减碳运行的重点。

（2）冷水机组、冷冻水泵和冷却水泵不同分级系统能效比对应的相关参数对目前软件计算降低碳排量的影响度差异不大，其中冷水机组COP 值分别提升6.00%和12.00%，影响度略高，是制冷机房系统减碳贡献的排头兵，因此设计中应尽量采用高COP 值的机组。

（3）从软件计算减碳程度数值可以看出，水泵侧输送能耗的影响度明显，因此冷却水系统和冷冻水系统的优化及水泵扬程的控制也应是减碳措施的重点之一。水泵扬程的设置与主机蒸发器、冷凝器阻力，末端、冷却塔阻力及管线阻力相关。除选用低阻设备外，管线方面需要更精细化的设计，设置更优的管路路由，避免过多的翻转。具体设计中可借助流体输配管网仿真软件，定量分析不同降阻措施对降低输配能耗的效果，减少局部阻力，降低水泵扬程。

（4）对冷却水系统和冷冻水系统进行比较可知，一般工程项目中，冷却水系统管路更简单，管道工程量较少，因此减碳设计中，除优化局部阻力外，适当增加冷却水管径，减小流速，降低管道比摩阻，可列为机房系统减碳的主要措施之一。

（5）制冷机房系统中各单项设备性能参数的提升对减少碳排放量的影响有限，对于有较高低碳目标的项目，建议采取综合性措施，多维度提升各系统相关设备的性能参数，以较大幅度地减少项目运行能耗碳排放量。

10 结语

本文以上海地区某办公建筑为模型，利用PKPM2022 版最新绿建节能系列碳排放计算软件进行建模及碳排放计算，对高效制冷机房系统按系统能效比分级不同等级相关设备（冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔）参数，并将参数输入软件进行碳排放量化比较并分析，希望在“双碳”背景下能有助于高效制冷机房系统低碳化设计的方向性策略的选择与制定。