模块化高效机房发展的回顾与思考

马剑云，陈少杰，张欢，牛慧

摘 要：中央空调冷冻站主要是由冷冻水循环系统、冷却水循环系统、制冷季循环系统和电器自控系统等分系统组成的一个整体，是一个机电一体化系统级产品。按照系统级产品交付实施的模块化高效机房，很好地解决了国内中央空调冷冻站建设占地面积大、现场交叉施工周期长、接口协调复杂、能耗大的问题，并形成产品化、标准化，是对暖通空调带来重大机遇的一次行业变革。

关键词：模块化；高效机房；工厂预制；行业变革

中图分类号：TU203                              文献标识码：A                                   文章編号：2096-6903（2023）10-0116-03

0 引言

中央空调冷冻站主要由冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、水处理设备、管道、管道支架、电线电缆及各类阀门、传感器等组成，先由土建总包单位依据设计院提供的设备定位图和业主（甲方）提供的设备尺寸图制作设备的水泥基础，再由机电安装单位按照设计院的设计图纸将业主（甲方）提供的设备（单独设备招标）落位在水泥基础上，并在现场连接相应的管道，给各设备配电，各设备由各自厂家负责调试，最后由机电安装单位移交给运营单位。设备质保由各厂家负责，工程建设质保由机电安装单位负责。

中央空调冷冻站（包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔）电耗占空调系统电耗的70%～80%[1]，存在建设占地面积大、现场交叉施工周期长、接口协调复杂、运营管理困难、责任分散、单点控制等问题。在碳达峰、碳中和目标愿景下，提高系统的运行效率，降低中央空调系统能耗，实现建筑能耗迫在眉睫。

2019年，发改委、工信部等国家七部委联合印发了《绿色高效制冷行动方案》要求，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，实现年节电4 000亿kW·h左右。模块化高效机房（简称高效机房）是在传统冷冻站技术和工程建设的基础上，对核心技术和商务运作模式不断创新和应用，而形成的机电一体化系统级产品。与传统冷冻站相比，其年均运行效率提高20%～50%，占地面积节省1/3，建设周期缩短1/2，可大幅降低中央空调系统运行费用和维护难度，是对暖通空调行业带来重大机遇的一次变革。

1 高效机房简介

《集成式制冷机房应用技术标准》 T/SDCEAS 10008-2022[2]对高效机房的定义是：以提高系统能效为原则，选择制冷设备及其控制策略，利用计算机辅助设计软件，对管道及设备安装进行优化集成，形成工厂化预制、模块化运输、装配化施工的制冷机房系统。

《高效制冷机房技术规程》T/CECS 1012-2022[3]对高效机房的定义是：在满足室内热舒适度和经济合理性的前提下，通过采用性能化设计、精细化施工、全过程调适、持续运行优化等措施，使得系统综合能效比符合本标准规定的制冷机房系统，简称高效机房。高效机房三维效果图如图1所示。

2 高效机房促进暖通空调行业发展变革

中央空调冷冻站主要是由冷冻水循环系统、冷却水循环系统、制冷季循环系统和电器自控系统等分系统组成的一个整体，实质上是一个机电一体化系统级产品。本文尝试研究高效机房在促进暖通空调行业发展中的探索与思考，在以下4个方面进行了变革，并促进了行业发展。

2.1 从现场到工厂

目前国内中央空调冷冻站普遍采用各设备分开招标，由机电总包负责在现场直接按照设计院初步设计的图纸进行安装，各设备之间没有相互联系和相互制约关系，不能从整体协调的需要出发，没有按照系统级产品来组织实施，实际是一种单一的工程机电安装模式。

高效机房是追求以最优化的方式满足系统各方面的要求，是从技术研发、产品设计、生产制造、安装调试到系统运维全生命周期管理的理念。在建筑初步设计基础上，其以节能控制技术和系统集成技术为核心，开展二次深化设计和三维仿真，取消水泥基础，是对各设备进行参数优化的机电一体化系统级产品，提供全过程一站式服务，减少客户对机房内所有设备从进场安装到后期维修产生的多方沟通的繁杂过程，为整体机房节能负责，保证客户利益最大化，改变了原有的产业模式。

2.2 误差从厘米级到毫米级

高效机房不是对其组成设备进行简单的供货和拼装，而是把中央空调冷冻站作为一个系统整体来分析。在详细了解设计院的技术要求和充分考虑了冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备厂家所生产设备的运行性能的基础上，分析各个部分之间的相互联系和相互制约关系，使总体中的各个部分相互协调配合，服从整体优化要求。在分析局部问题时，从整体协调的需要出发，选择优化方案，综合评价系统的效果。

根据现场情况及产品特点，应用模块化设计将高效机房的各个主要组成设备模块化分割，并实现模块化、标准化设计，以确保高效机房结构紧凑、布局合理和占地面积小。高效机房通过三维仿真设计，建立标准的冷水机组模块、水泵模块、辅机模块、冷却塔模块，根据产品需求随时调用，快速成型，通过承载结构力学分析和仿真校核，将系统各种设备模块化划分，并集成安装到设计好的高精度钢结构平台上，再将各模块拆解成标准的生产图纸，提交工厂进行生产加工，用产业技术工人替代现场安装工作，可以将现场安装施工厘米级误差降低为工厂制造毫米级误差，大大提高机房安装质量。

2.3 从串行到并行

中央空调传统冷冻站主要是由土建总包单位依据设计院提供的设备定位图和业主（甲方）提供的设备尺寸图制作设备的水泥基础，再由机电安装单位按照设计院的设计图纸，将业主（甲方）提供的设备（单独设备招标）落位在水泥基础上，并在现场连接相应的管道，给各设备配电。各设备由各自厂家负责调试，最后由机电安装单位移交给运营单位，形成一种串行的机电安装模式。

高效机房作为模块化、标准化产品，经过水系统二次优化设计、设备选型匹配、系统集成设计、模块化设计、结构仿真校核及生产图纸深化设计，已经具备生产加工的基础。在工厂进行高效机房钢结构平台、管道、管道支架等的预制加工，并进行预安装、系统水压试验、系统清洗及系统测试，可形成完整的产品。

高效机房的核心部件节能控制系统是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备、功能和信息等集成到相互关联、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，并采用功能集成、网络集成、软件界面集成等多种集成技术。对高效机房的外部环境和变化规律进行分析，形成一种全自动、高效集成化的控制系统，能自动根据室内负荷变化和室外温度变化，高效协调系统各子设备的运行模式，使得整个系统效率达到最佳。

由于模块化设计时，对高效机房主要设备进行了模块划分，因此工厂预制完成后可以分模块运输到现场，并在现场进行模块化拼装。高效机房产品大同小异，可按产品的模式实现批量化生产[4-5]，从而大幅减少了现场安装时间以及各厂家、各专业的交叉施工，降低了施工难度，提高了施工质量，可保证整个集成冷热源系统的整体性能达到最优。

高效机房作为系统级产品，模块化设计完成后，生产图设计、采购设备生产、工艺管路加工、控制系统生产等同时进行。工厂模块化拼装完成后，进行模块化运输、现场模块化拼装，可实现快速交付，是一种并行的产品交付模式。

以某工业厂房中央空调冷冻站为例，配置两台制冷量1 758 kW（500 RT）的冷水机组，水泵、冷却塔与冷水机组一对一配置。中央空调传统冷冻站需有专用制冷机房，各设备生产完成后，运输到现场落位安装，连接相应管道，再进行各设备接线、系统弱电接线、各设备单机试运转，再进行系统调试，最后验收交付使用，共计用时106 d。具体实施步骤如图2所示。

高效机房可选用两台室外型高效机房，单台制冷量1 758 kW（500RT）的标准型产品，可以放置在工业厂房的屋顶或绿化带，无需专用机房。各设备生产的同时，进行工艺管路加工和控制系统生产，在工厂进行模块拼装，同时对单台标准型产品（单个模块）进行打压保温。出厂前进行单机调试和系统测试，模块运输到现场后吊装落位，再将两台标准型产品连管接线（包含冷却塔配管接线），进行系统联调，最后验收交付使用，共计用时52 d。具体实施步骤如图3所示。

2.4 从2年到20年

我国目前处于城市建设高峰期，城市建設的飞速发展促使建筑业、建材业飞速发展，由此造成的能源消耗已达到我国社会总能耗的20%～30%。而在建筑的全生命周期中，大部分能源消耗发生在建筑物运行过程中，占其总能源消耗的80%左右[6]，中央空调冷冻站作为能耗大户，在全生命周期中占用了大部分的能源消耗。为了降低中央空调冷冻站的运行费用，高效机房常采用智慧运维服务平台来提升运维水平，将中央空调冷冻站纳入全生命周期管理。

智慧运维服务平台借助云平台和大数据专业分析，实现全国各地高效机房的大数据分析及全面监控管理。它以信息化平台为基础，以核心资源数据库和客户端控制系统为载体，可为高效机房的建设运营提供技术咨询、运营维护和节能改造服务。中央空调传统冷冻站运行效率低、维护管理难，集成冷热源通过智慧运维服务平台，将中央空调冷冻站由建设型向服务主导型转化，开辟了空调暖通行业新型咨询服务模式，提高了中央空调冷冻站的综合能效管理水平，将项目建设质保2年变为20年全生命周期管理的全新模式。

清华大学对我国5座城市40余座典型传统制冷机房进行现场测试，多数冷水机组能效比COP处于3.0～5.0，若考虑冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔耗电后，制冷机房EER＜3.5。《集成式制冷机房应用技术标准》 T/SDCEAS 10008-2022中1级能效标准为5.5。以某商业综合体空调系统使用20年为例，不同空调系统冷源全生命周期费用对比差距巨大，详情见表1。

3 结束语

高效机房由起初只进行单一设计研发，针对具体项目定向开发，到全生命周期服务，从技术研发、产品设计、生产制造、安装调试到系统运维，每一个环节都有成熟的解决方案。通过系统集成设计、模块化设计和智慧运维服务等措施，可降低产品的风险、提高产品的能效。面对碳达峰、碳中和进入倒计时，高效机房产品也必须积极谋变，主动应对，以系统级产品理念为指导，构建适应市场并服务产业融合发展的产品体系，形成围绕核心技术面向多元市场的发展格局，加快产业化发展的脚步，真正实现行业变革。

参考文献

[1] 龙惟定.建筑能耗比例与建筑节能目标[J].中国能源，2005，27 （10）：23-27.

[2] 山东建筑设计研究院.集成式制冷机房应用技术标准：T/SDCEAS 10008－2022[S].北京：中国建筑工业出版社，2022.

[3] 中国建筑科学研究院.高效制冷机房技术规程：T/CECS 1012 -20222[S].北京：中国建筑工业出版社，2022.

[4] 张亚新.模块化设计在工程建设中的应用探析[J].硫磷设计与粉体工程，2020（2）：1-3+12.

[5] 顾新建，杨青海.机电产品模块化设计方法和案例[M].机械工业出版社，2014.

[6] 吴晓红，杨祖贵，李颖谦.基于全生命周期的建筑节能研究[J].建筑节能，2011，39（10）：75-77.