關于公共建筑高效機房建設方案的探索

摘 要：為降低公共建筑能耗，本文提出高效制冷機房建設思路。本文通過分析現有制冷機房典型問題，提出從方案設計、圖紙設計、設備招采、施工、調試、驗收、運維等全流程精細化的高效機房建設方案。

關鍵詞：高效機房;制冷機房典型問題;全流程

1 背景介紹

中央空調為公共建筑提供冷熱舒適環境的同時，也成為能源消耗大戶。以廣東省公共建筑為例，中央空調能耗占建筑總能耗的30%-60%，而空調能耗中60%-90%是制冷機房（冷水機組+冷凍水泵+冷卻水泵+冷卻塔）能耗[1]。

清華大學研究報告顯示，廣東省公共建筑平均制冷機房能效為2.5-3.5，部分建筑能效低于1.5[2]。國家發展改革委等七部委2019年聯合下發《綠色高效制冷行動方案》，明確要求到2030年大型公共建筑制冷能效提升30%。而根據美國ASHRAE標準、廣東省標準等要求，制冷機房能效>5.0為高效機房，如常規制冷機房能效3.0提升至高效機房能效5.0，制冷機房能效提升66.7%，公共建筑能效可提升12%-36%。

如何建設高效機房？在滿足現有空調系統冷熱功能的同時，通過優化暖通空調選型、優化水系統阻力、優化末端選型、優化控制系統等措施，從方案設計、圖紙設計、設備招采、施工、調試、驗收、運維等全流程進行精細化把關。

2 現有制冷機房典型問題

2.1 大馬拉小車

受室外環境溫度、人流量、新風量等影響，制冷機房長期處于部分負荷，制冷主機能效較低。以武漢市為例，夏季空調室外計算干濕球溫度為35.2/28.4℃，筆者統計了2018-2019年武漢市室外氣溫，平均每年超過35.2℃約30天，多數時間制冷機房處于部分負荷。同時，因武漢市極端最高溫度為39.3℃，為應對極端高溫天氣，同時考慮機組備用，設計時通常放大制冷機房冷量配置，進一步加劇部分負荷。

2.2 人為經驗控制

不同主機的最佳運行效率點不同：變頻離心機最佳效率點為40%-70%，定頻離心機最佳效率點為80%-100%。

不同主機對冷卻水溫適應性不同：當冷凍水供回水溫度7/12℃時，磁懸浮離心機冷卻水進水溫度可低至10℃、變頻離心機可低至15℃、定頻離心機需保證20℃以上。

不同主機對冷卻水溫敏感度不同：不同冷卻水進水溫度時，磁懸浮離心機能效差異較大，而定頻離心機波動相對較小。

當多種類型主機組合使用時，運維人員很難找到最佳節能運行方案。

2.3 附屬設備能耗大

在附屬設備選型時，通常會放大水泵揚程選型，造成實際運行中流量過大，系統小溫差運行，尤其采用定頻水泵系統時，會造成水泵長期超流運行，電機壽命減少。

傳統的一次泵變流量設計中，僅僅針對冷凍水泵進行變頻控制，而冷卻水泵、冷卻塔采用定頻系統。以江蘇某項目為例，定頻冷卻水系統的供回水溫差長期處于1.5-3.0℃之間，如溫差由2.5℃升至5.0℃，水流量降低50%，水泵功率可降低87.5%。

2.4 維護不及時

制冷機房通常采用開式冷卻塔，冷水機組運行一段時間后冷凝器管內壁積累大量水垢、污垢、生物污泥等，使冷凝器的傳熱效率降低。通常采用人工清洗，如清洗不及時會造成機組冷凝溫度持續上升。

2.5 設計時無明確能效要求

設計時一般參考《公共建筑節能設計標準》，僅對SCOP有明確要求，對制冷機房無明確設計要求。筆者調研了17個項目，設計制冷機房能效范圍為3.13-4.59，制冷機房平均能效為3.99。

3 高效機房建設方案

3.1 全年負荷設計

傳統單狀態點負荷設計升級為全年逐時負荷計算，通過負荷模擬軟件，模擬8760h暖通空調負荷變化，詳細模擬環境溫度、人流量、新風量、燈光發熱等造成的負荷變化，通過逐時負荷計算，結合建筑開啟時間，核算全年不同負荷段分布占比、最大負荷率和最小負荷率。

3.2 優化冷水機組選型

通過全年負荷模擬，進行不同冷水機組選型，通過高效運行策略模擬計算不同主機方案的能效對比，最終確定主機冷量和臺數。

在冷水機組選型時，優先選擇低阻力換熱器的變頻冷水機組，傳統換熱器阻力約60kPa-100kPa，高效機房系統用冷水機組換熱器阻力宜為20kPa-50kPa。同時，冷水機組或冷水系統宜配置冷凝器自清洗裝置。

3.3 優化系統方案

根據建筑功能分區，選擇合適的水系統方案：一次泵變頻方案、一次泵定流量+二次泵變頻量方案、全變頻方案。在高效機房系統中，優先采用全變頻系統，即，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔均變頻控制。公共建筑以滿足舒適性為主，為降低水系統阻力，可采用大溫差（8℃）系統，冷凍水供回水溫度采用7/15℃，并重新匹配末端選型。

3.4 優化系統阻力

系統中相同時間或者具有相同規律的區域按照同一管網設計，盡量減少多個管網之間的相互影響。選擇低阻力零部件可降低系統阻力：傳統Y型過濾器阻力約3m，而籃式過濾器阻力約0.3m;蝶式止回閥阻力約2m，而靜音型止回閥阻力約0.3m。避免直角彎頭，改為鈍角135℃彎頭，降低局部阻力。采用水泵和主機直聯方案也可降低管路阻力損失。通過水系統仿真模擬，可得出不同負荷下的管網阻力損失，獲取水泵揚程、流量、壓差等基礎信息。

3.5 優化水泵選型

通過采用低阻力冷水機組、大溫差系統、水阻優化后，重新匹配水泵的選型。與常規制冷機房相比，冷凍水泵揚程通常可由30m-40m降低至22m-28m，冷卻水泵揚程通常可由22m-30m降低至16m-26m。當冷凍水側供回水采用8℃溫差時，冷凍水泵流量可降低37.5%。因此，綜合流量與揚程因素，水泵額定功率可降低50%以上。

3.6 優化冷卻塔選型

冷凝溫度每降低1℃，冷水機組能效可提升2%-3%。降低冷卻塔供回水溫度，可大大提升主機能效。在傳統制冷機房設計時，冷卻塔通常按照濕球溫度28℃、冷卻塔供回水32/37℃選型。而高效機房冷卻塔選型濕球溫度按照當時濕球溫度計算，冷卻塔逼近度由4℃調整為3℃，在此基礎上進行冷卻塔選型。

3.7 精細化能效模擬

根據制冷機房選型參數，重新進行制冷機房能效模擬。根據模擬能效確定是否進行需求進一步優化系統。

3.8 優化傳感器選型

為了滿足精細化控制需求，需要測定供回水溫度、耗電量、水流量等基礎數據。不同精度的傳感器會造成測量誤差的疊加，形成能效誤差的“木桶效應”。為減小測量誤差，需采用高精度測量設備。

3.9 BIM建模模擬

制冷機房管線復雜，傳感器布置眾多，采用制冷機房BIM技術，三維可視化與精確定位，可提前發現大量潛在問題，避免施工中出現碰管、碰線、無處安裝等問題。

3.10 智能化機房控制系統

為了實現冷水機組、水泵、冷卻塔的綜合能效最高，需要采用智能化控制，深度解析設備特性，自動調整運行策略。

3.11 精細化調試和運維

采用全年全負荷調試運維，確保全工況達到設計預期。

4、結束語

高效機房能效較傳統機房能效提升50%以上，設計、施工、運維等投資費用均有上升，需要全流程參與和把關，保障項目全年制冷機房系統實現高能效運行。

參考文獻：

[1]廣東省住房和城鄉建設廳.集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準：DBJ/T 15-129-2017[S].北京：中國城市出版社，2017.

[2]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

作者簡介：

谷廣普，男，漢，1988年6月生，本科，工程師，就職于青島海爾空調電子有限公司。

（青島海爾空調電子有限公司? 山東 青島? ?266100）