以结果为导向的高效机房建设机制探索

冒 勤

上海市长宁区城市更新和低碳项目管理中心

0 前言

在建筑总能耗中，公共建筑能耗占比较大，据相关统计，我国公共建筑总能耗（不含北方供暖）达到2.93亿tce，占建筑总能耗的31%［1］。在公共建筑能耗中，集中空调系统能耗约占公共建筑的能耗25%~60%［2-3］，而制冷机房系统（冷水机组、水泵、冷却塔）的能耗约占集中空调能耗的50%~80%［3］。显然，制冷机房系统是建筑能耗的用能大户。

制冷机房系统能效比（EER）是制冷机房总输出制冷量和机房总耗电量的比值，是目前国际上衡量制冷机房效率的通用指标，结合《中国建筑节能年度发展研究报告2018》［4］和笔者了解的数据表明，大部分建筑制冷机房EER全年平均为2.5~3.1，远远低于国家公共建筑节能设计标准（要求4.4以上）及美国ASHRAE指引（要求5.0以上）的节能评价水平，因此提升空间巨大。

2019年6月国家发展改革委等七部委联合印发了《绿色高效制冷行动方案》，提出到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，这对公共建筑集中空调系统的能效提出了明确提升要求。目前专家学者也展开了大量研究，如张昆等提出了高效制冷机房性能化设计方法和流程［5］，张瑞等研究了如何通过BIM技术实现空调制冷机房的设计、施工、调试及运维的闭环管理［6］，广州市设计院编制了《高效集中空调制冷机房系统能效监测及评价指标》团体标准［7］，梁军等通过实际案例分享了高效机房相关设计方法和技术［8］，也有文献从施工角度阐述了如何利用先进的智能建造技术实现高效机房建设［9］。

综上所述，针对制冷机房能耗高、运行能效偏低的现象，目前已经有大量的研究学者从设计和施工的角度展开研究，提供了不少关于制冷机房设计和建设的相关建议，取得了不少研究成果，但很少有文献研究机制创新实现高效机房的建设。好的机制会促进相关责任主体发挥主观能动性，更有动力和责任去完成高效制冷机房建设，因此本文将引入管理学相关理论，结合机房建设流程和特点，从机制建设上进行探索，打通设计、施工、运维等环节，实现高效制冷机房的建设与运营。

1 存在问题

如图1所示，新建建筑能效没有达到初始节能目标，既有主观原因，即设计不合理，也有客观原因，即设计、施工和运维的不断“降维”。其背后的原因一是缺乏管理手段，二是没有明确的责任机制，三是设计存在局限。

图1 建筑能效漏斗图

1）缺乏管理手段

目前，建筑建造各阶段均配置了若干节能管理手段，如在项目立项阶段，需编制独立的建筑节能专篇。在设计阶段，设计单位需执行相关的建筑节能设计标准。在施工阶段，施工单位需按照建筑节能施工质量验收标准的要求进行施工。在项目运行阶段，出台了相应的能源统计和能源审计技术导则等。这些管理手段对我国建筑节能事业的发展都起到了一定的积极作用，但是也存在着如下问题：

（1）这一系列的公共建筑节能管理手段没有明确统一和实际有效的节能控制目标。

（2）由于不同阶段的节能控制目标均不明确，所以不能保证项目在不同阶段评测管理目标的一致性。

（3）对于节能工作没有提出定量的任务目标，很容易使建筑节能成为大量节能技术的简单堆砌，而不是达到实际有效的节能效果。

造成上述问题的主要原因之一在于各阶段的节能工作各自独立，缺乏纵向贯通的管理指标，导致各阶段只需单纯完成本阶段的节能任务即可，不需对建筑的最终实际能耗负责，导致建筑实际运行能效难以得到有效控制。

2）没有明确的责任机制

无论自持和出售，由于业主方的建设和运营责任机制分离，业主方没有真正承担节能的主体责任，责任无法传导到设计，导致设计无需承担运行阶段节能责任。

3）设计存在局限

空调系统设计与实际运行的能效存在较大差距，其主要原因如下：

（1）设计场景与运行的实际场景不一致。运行场景是变化的，不属于设计范畴，设计只对固定场景。现阶段主要的解决方式为新建调适以及后续持续调适，但这不能回避设计的局限性。

（2）没有信息反馈。设计方无法也没有责任了解设计的实际应用效果，则无法不断提升对结果负责的设计能力。

可见，传统的管理手段、业主的责任传导、设计本身的局限，共同导致了新建建筑节能标准和运行实际能效之间脱节的现状。

2 机制建设

针对目前存在的问题，需确立一个责任主体，全程贯通设计、安装和运维，并对空调系统最终运行能效负责，保证节能目标不打折扣地实现。

2.1 空调设备分包商为第一责任主体

与建筑实际运行能效直接相关的有三个阶段，即设计、安装和运维。这三个阶段相互之间存在脱节，导致实际运行能效相对节能设计的目标梯度下降；但纵观这三个阶段的主体，只有空调设备安装方与设计和运维都有搭接，因此考虑将以结果为导向的节能责任落实到空调设备分包商是一个可行的路径。

将责任落实到空调设备分包商，如图2所示，通过空调设备分包商可以向上进行设计优化，弥补设计的局限，向下可以在运维阶段实施调适，弥补运维的能力缺陷，从而有效地改变部分新建建筑设计、施工、运维中节能控制脱节的现状，真正实现新建建筑能效源头控制的初衷。

图2 机制创新对建筑能效优化作用

在此机制设计下，提高了对空调设备分包商的能力要求，事实上许多空调设备分包商已经在市场上被磨炼了相关能力。2019年的《高效制冷行动方案》提出了“鼓励生产企业为工商用户提供按需定制、精准适配的绿色高效制冷系统，推动从‘制造’向‘产品/工程+服务’转变”。从本机制的角度看可以表述为“鼓励设备安装或空调设备分包商企业为工商用户提供按需定制、精准适配的绿色高效制冷系统，推动从‘安装’向‘工程+服务’转变”。

2.2 机电工程传统商业模式向能效保证型合同转变

原有以设备能效决定节能效果的理念下，节能主要考虑设备性能，以设备采购合同为主，仅仅是提供产品，也是现行的主流模式。

随着调适和智能运维的理念逐步为市场接受，其提供的产品，可以不仅仅是硬件产品，还有围绕硬件提供的服务。对于设备能效可以采用质量检测，则产品采购合同是适合的；调适和智能运维的效果无法按设备检测的方式检测，应以实际结果为导向，用实际运行数据来验证。

2）能效保证型合同的实践

能效保证型合同是以结果为导向，将实际运维能效作为节能验收和付款标准的机电采购施工合同。合同通过支付条件明确了实际运维能效的责任主体，从机制上有效衔接新建建筑建设和运行之间的节能责任。

2.3 管理要点

2.3.1 设置关键参数

将实际能效作为节能验收和付款标准的机电采购施工合同，涉及能效指标设定和付款比例可以根据项目实际情况予以调整。由于是第一次实施能效保证型的模式，项目机制设计时基于“大胆假设，小心求证”的原则，给出相应的指标值设置。

1）机房能效指标COP建议设为4.1及以上，虽然机房能效指标COP为4.1没有达到ASHRAE“冷水机房全年综合能效”在COP5.0超高效机房的卓越标准，仅是良好的标准，但考虑目前国内大部分机房实际运维能效都在3.0以下，当前提升33%的能效水平在试点项目中是可以接受的。

2）机房能效与30%工程尾款挂钩，一般机电工程项目的毛利率在30%左右，若机房实测能效达不到验收标准，空调设备分包商会产生亏损，由此倒逼空调设备分包商想方设法完成目标。对于甲方而言，假如达不到付款条件，30%的尾款也足够进行专业的调适和设施调整，弥补设计和施工的缺陷。

3）评价时间选取机房运行一年之后，一是由于空调设备分包商承担的是有限责任，合同时间不宜过长；二是一年也是空调设备分包商维保时间内，空调设备分包商有责任维修相关设备；三是短时间内建筑不一定运行在正常工况，所测能效不能代表实际运行的正常值。

经过探索性因子分析，科学公信力的七个指标采用主成分因子法，可以提取一个公因子，KMO值也达到非常理想的水平，其因子负荷矩阵如表4所示。统计结果显示，每个构成变量的因子负荷值基本都高于0.6，这意味着七个变量的内涵有较大的共同度，能够作为衡量某个隐藏变量的指标。

2.3.2 运行能效指标纳入招标文件

将机房能效指标纳入招标文件，机电施工单位必须按照招标文件的要求签订合同，在合同中明确约定机房运行能效与工程款相挂钩，使机电施工单位有约束也有动力完成施工任务。

2.3.3 审核技术方案

空调设备分包商中标后，可以要求分包商提供技术方案，包括但不限于优化前后软件模拟的对比的结果、设备选型说明、输配系统设计优化、基于智能运维的能效监测设施、运维调适方案等。

2.3.4 施工专项检查

鉴于高效机房的建设责任主体是空调设备分包商，实施的部分建设内容有别于传统的机电系统安装要求，应组织专项检查，以确定实际施工的准确；适当时候还可以组织包括设计、安装、运维的专家讨论，以不断完善和优化建设方案。

2.3.5 第三方能效测评

合同约定，能效测评是指机房运行一年后的实际运维能效的测评，必须保证一定的末端负荷。

3 实际案例

3.1 项目概况

项目位于上海市长宁区，总建筑面积为41 560 m2，其中地上部分1 898 m2(为地面配套管理用房)，地下部分为39 662 m2(由车库、体育馆、游泳馆、下沉广场、配套商业组成)。地下为2层，地上为2层，地面建筑高度为11.85 m。

该工程冷源采用电制冷方式，热源采用燃气锅炉。冷冻机房及锅炉房设置在A区地下一层，泳池空调采用新型除湿热泵机组。

3.2 建设过程

3.2.1 招标阶段

在招标文件中对机房效率作出明确要求：即投标总价30%尾款将根据冷站机房运行效率是否超过ASHRAE冷水机房效率0.85 kW/ton的标准作为支付条件；机房效率待项目竣工一年后以第三方能效检测的评估报告为准。

3.2.2 设计阶段

通过三维建模，调整了主要设备的布置，优化了管道走向和连接方式，降低了输配阻力。优化后机房内管道阻力下降9%，输送能耗下降12%。水泵进出口水管优化见图3，分集水器水管走向优化见图4。

图3 水泵进出口水管优化

图4 分集水器水管走向优化

选择高效空调主机（NPLV值7.3），通过空调系统的软件模拟选择2大1小的配置（500 RT 2台，250 RT 1台）。大冷量主机采用离心式压缩机，小冷量主机采用螺杆式压缩机，此类配置充分利用了不同压缩形式在不同冷量需求下的优势，保证了不同运行负荷下的高效运行。

空调系统采用大温差（6/15℃），比常规系统温差（7/12℃）多4℃，水泵流量比常规系统减少了25%，同时选用高效变频水泵，按需输出，大幅降低了水泵的运行能耗。

选择和主机匹配的大温差、低阻力末端设备，并配置转轮热回收装置（热回收效率60%），既保证了地下室内空气的品质，又降低了新风系统的能耗。

3.2.3 施工阶段

为了达到节能效果，此次管道组件基本采用异形管道组件，表面采用热镀锌处理；并根据三维建模90%的管道均采用工厂预制，现场进行拼装的方式，有效地缩短了工期（机房装配式施工14天，常规60天）。

3.2.4 运维调适阶段

项目运营采用NB-IOT的5G通信技术在线运维管理，并根据大数据模型对运行数据进行处理，不断优化控制逻辑和运行策略，最终达到长期节能目的。

3.3 能效评估

项目请第三方专业机构对机房能效进行了专业评估。由于疫情影响，项目竣工一年后还没有实质启用。经专业第三方实测，在负荷较低的情况下，机房能效达到0.85 kW/RT，符合支付条件。预计项目负荷提升后，机房的运行能效会有明显提升。

4 结论

1）空调设备分包商负责制是实现新建建筑空调机房运行高效的可行路径

该案例是针对大型新建公共建筑运维能效保证的实践，并不一定适应所有的空调系统，但该案例项目的成功实践证明通过空调设备分包商衔接建设和运维，以实现建筑空调系统运维高效是可行的。

2）能效保证合同是保障新建公共建筑空调机房运行高效的有效商业模式

此案例项目的成功实践也充分证明了延长空调设备安装的采购内容，把产品变为服务，把实际运维能效作为付款的指标是一种可行且有效的商业模式。在此模式下也带来了管理模式的改变，与传统管理模式比较，需考虑质保费用比例、能效标准、评价方式、专项管理等内容。

3）助力空调设备分包商做精做强

对空调设备分包商提出了能力要求，不仅是提供设备安装，而是需要既能组织设计优化，又可以实施运行调适，还要有远程智能运维的能力，推动从“制造”向“产品/工程+服务”转变。这个变化可能会衍生出一种新的变化趋势，即改变空调设备供应的含义，具有以上三种能力的承包商将更具市场竞争力。

5 展望

目前，上海市第二个能效保证型的项目也已实施，潜在的业主方在作决策时比较关注是否有实践案例，当了解到有成功的实践案例时，最终采用了类似模式。此次实践既证明了该模式的可行性，又将有助于后续项目的复制与推广。“星星之火，可以燎原”，希望此实践能够带动更多上海市乃至长三角地区以结果为导向的新建建筑高效机房建设模式发展。