暖通高效制冷機房與低碳設計探討

周 鵬

［同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092］

0 引言

實現2030年前“碳達峰”和2060年前“碳中和”目標是我國貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求，是統籌國內國際兩個大局做出的重大戰略決策，對我國推進生態文明建設和提升國際影響力具有深遠意義。

建筑領域是碳排放的重點領域之一，建筑運行能耗是建筑領域碳排放的主體，在“碳達峰”和“碳中和”的“雙碳”目標背景下，減少建筑運行能耗碳排放是行業發展的必然方向。而暖通空調系統在建筑運行能耗中的占比較高，通常達40%～50%[1-2]。而系統冷熱源主機側，特別是制冷冷源側的制冷機房系統，是建筑的耗能大戶。

1 計算模型

本文以某一高層辦公建筑為計算模型，該辦公建筑位于上海市，屬夏熱冬冷地區，總建筑面積38 325 m2，地上9 層，高40.5 m。建筑模型和室內設計參數分別如圖1、表1所示。

圖1 建筑模型

表1 室內設計參數

根據PKPM2022 版最新綠建節能系列碳排放計算軟件計算得出空調夏季冷負荷為3868 kW。

2 碳排放計算

按照《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）第4.1.4 條，建筑運行階段碳排放量應根據各系統不同類型能源消耗量和不同類型能源的碳排放因子確定，建筑運行階段單位建筑面積的總碳排放量（CM）按式（1）計算[3]。

式中：CM——建筑運行階段單位建筑面積碳排放量，kg CO2/m2；Ei——建筑第i 類能源年消耗量，（kW·h）/a；EFi——第i 類能源的碳排放因子，t CO2e/（kW·h）；Cp——建筑綠地碳匯系統年減碳量，kg CO2/a；y——建筑設計壽命，a；A——建筑面積，m2。

電網碳排放因子采用計算軟件中推薦使用的2022年上海電力排放因子EF=4.2×10-4t CO2e/（kW·h）。

對于高效制冷機房，制冷季平均能效是其定性評價的主要技術指標。參照美國采暖、制冷和空調工程師協會中針對裝配離心式冷水機組的制冷機房系統能效評級和新加坡綠色建筑標準，業內基本達成共識，制冷機房制冷季平均能效達到并超過5.0，即認為其達到高效制冷機房標準[4]。

制冷機房能效比（EERCP）的計算公式如式（2）所示[4-5]。

式中：EERCP——制冷機房能效比；EERr——制冷系統能效比，系統制冷量與制冷系統（包括冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔等）能耗之比；COP——制冷機組運行效率性能系數；WTFcw——冷卻水輸送系數；WTFchw——冷凍水輸送系數。

從式（2）可以看出，與制冷機房能效比相關的參數包括制冷機組運行效率性能系數COP，冷卻水輸送系數WTFcw和冷凍水輸送系數WTFchw，均與制冷機房能效比呈正比關系，因此對于高效制冷機房系統，必然須提高冷水機組制冷運行能效和提高循環系統冷凍水泵、冷卻水泵的輸送能效。從減小碳排放量角度而言，制冷機房相關設備各自能效參數提升對減少碳排放的貢獻程度，是高效制冷機房低碳化具體設計中，措施選擇的重要考慮因素，可用于決定是采取部分措施還是綜合措施進行具體項目的減碳設計，所以希望能有量化數據作為參考。

3 制冷機房設備配置及分級

根據本文某一辦公建筑計算模型的空調負荷計算結果，設置的空調系統冷源擬采用兩臺離心式水冷冷水機組，單臺制冷量2000 kW；兩臺冷凍水循環泵，單臺流量350 m3/h；兩臺冷卻水循環泵，單臺流量400 m3/h；冷卻塔流量和冷卻水泵流量相同。

本文對照高效制冷機房不同能效比分級等級[6]所對應的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵的不同性能參數，進行碳排放值計算、比較分析，以探討高效制冷機房中影響系統能效比的主要因子對碳排放值的影響權重。不同能效比分級等級對應的主要設備性能參數如表2所示。

表2 不同能效比分級等級對應的主要設備性能參數

本文利用PKPM2022 版最新綠建節能系列碳排放計算軟件進行建模和碳排放計算，冷源主機的性能系數取值采用《建筑節能與可再生能源利用通用規范》中的規范限值作為三級系統能效比所對應的基準計算值。根據三級系統能效比所對應的參數，得出空調制冷年碳排放值，將其作為比較研究的基準值。

4 主機側碳排放比較

經計算，冷水機組按三級系統能效比對應參數基準冷源設備配置的冷源側空調年能耗碳排放量為244.18 t。若其他設備維持三級系統能效比基準配置，則冷水機組按二級系統能效比對應參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為236.52 t，按一級系統能效比對應參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為229.85 t。

從單獨主機側不同分級對應冷水機組COP 參數的碳排放計算結果比較來看，以三級系統能效比對應參數的空調制冷年碳排放值作為基準值，冷水機組COP 值在規范規定值基礎上提高6.00%時，碳排放計算值減少3.14%；冷水機組COP 值提高12.00%時，碳排放計算值減少5.87%。

5 冷凍水泵側碳排放比較

單以冷凍水泵作為比較對象，其他設備維持基準配置，冷凍水泵按二級系統能效比對應揚程參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為237.49 t，按一級系統能效比對應揚程參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為231.92 t。

從單獨冷凍水泵側不同分級揚程參數設備所對應的碳排放計算結果比較來看，以三級系統能效比對應參數的碳排放值作為基準值，冷凍水泵揚程降低至31.0 m 時，碳排放計算值減少2.74%；冷凍水泵揚程降至27.0 m 時，碳排放計算值減少5.02%。

6 冷卻水泵側碳排放比較

單以冷卻水泵作為比較對象，其他設備維持基準配置，冷卻水泵按二級系統能效比對應揚程參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為236.93 t，按一級系統能效比對應參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為232.40 t。

從單獨冷卻水泵側不同分級揚程參數設備所對應的碳排放計算結果比較來看，以三級系統能效比對應參數的碳排放值作為基準值，冷卻水泵揚程降低至24.0 m 時，碳排放計算值減少2.97%；冷卻水泵揚程降至21.5 m 時，碳排放計算值減少4.82%。

7 冷卻塔側碳排放比較

在制冷機房系統的主要耗能設備組成中，冷卻塔自身耗能較小，本文也單以冷卻塔作為比較對象，其他設備維持基準配置，冷卻塔按二級系統能效比對應能效參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為242.67 t；按一級系統能效比對應能效參數計算的冷源側空調年能耗碳排放量為241.66 t。

從單獨冷卻塔側不同分級系統能效比所對應的碳排放計算結果比較來看，以三級系統能效比對應參數的碳排放值作為基準值，冷卻塔能效比降至0.032 kW/（m3/h）時，碳排放計算值減少0.62%；冷卻塔能效比降至0.030 kW/（m3/h）時，碳排放計算值減少1.03%。

8 綜合配置碳排放比較

若將水冷冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔均按二級系統能效比的性能參數進行綜合配置計算，得出空調年能耗碳排放量結果為221.02 t；均按一級系統能效比的性能參數進行配置計算的空調年能耗碳排放量為203.49 t。

從相應年碳排放量的比較來看，若制冷機房相關設備均按二級系統能效比的性能參數進行配置，年碳排放量比三級系統能效比對應參數的基準值降低9.48%；若均按一級系統能效比對應的性能參數進行配置，年碳排放量降低16.66%。

9 分析

通過以上量化計算數據可以分析得出以下結論。

（1）制冷機房系統中，冷卻塔由于自身能耗量較小，權重低，冷卻塔本身的性能優化并非系統減碳措施的重點。但因為系統實際運行中，冷卻水水溫對冷水機組COP 值的影響明顯，合理控制并適時降低冷卻水溫是冷卻塔側減碳運行的重點。

（2）冷水機組、冷凍水泵和冷卻水泵不同分級系統能效比對應的相關參數對目前軟件計算降低碳排量的影響度差異不大，其中冷水機組COP 值分別提升6.00%和12.00%，影響度略高，是制冷機房系統減碳貢獻的排頭兵，因此設計中應盡量采用高COP 值的機組。

（3）從軟件計算減碳程度數值可以看出，水泵側輸送能耗的影響度明顯，因此冷卻水系統和冷凍水系統的優化及水泵揚程的控制也應是減碳措施的重點之一。水泵揚程的設置與主機蒸發器、冷凝器阻力，末端、冷卻塔阻力及管線阻力相關。除選用低阻設備外，管線方面需要更精細化的設計，設置更優的管路路由，避免過多的翻轉。具體設計中可借助流體輸配管網仿真軟件，定量分析不同降阻措施對降低輸配能耗的效果，減少局部阻力，降低水泵揚程。

（4）對冷卻水系統和冷凍水系統進行比較可知，一般工程項目中，冷卻水系統管路更簡單，管道工程量較少，因此減碳設計中，除優化局部阻力外，適當增加冷卻水管徑，減小流速，降低管道比摩阻，可列為機房系統減碳的主要措施之一。

（5）制冷機房系統中各單項設備性能參數的提升對減少碳排放量的影響有限，對于有較高低碳目標的項目，建議采取綜合性措施，多維度提升各系統相關設備的性能參數，以較大幅度地減少項目運行能耗碳排放量。

10 結語

本文以上海地區某辦公建筑為模型，利用PKPM2022 版最新綠建節能系列碳排放計算軟件進行建模及碳排放計算，對高效制冷機房系統按系統能效比分級不同等級相關設備（冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔）參數，并將參數輸入軟件進行碳排放量化比較并分析，希望在“雙碳”背景下能有助于高效制冷機房系統低碳化設計的方向性策略的選擇與制定。