以結(jié)果為導向的高效機房建設機制探索

冒 勤

上海市長寧區(qū)城市更新和低碳項目管理中心

0 前言

在建筑總能耗中，公共建筑能耗占比較大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國公共建筑總能耗（不含北方供暖）達到2.93億tce，占建筑總能耗的31%［1］。在公共建筑能耗中，集中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占公共建筑的能耗25%~60%［2-3］，而制冷機房系統(tǒng)（冷水機組、水泵、冷卻塔）的能耗約占集中空調(diào)能耗的50%~80%［3］。顯然，制冷機房系統(tǒng)是建筑能耗的用能大戶。

制冷機房系統(tǒng)能效比（EER）是制冷機房總輸出制冷量和機房總耗電量的比值，是目前國際上衡量制冷機房效率的通用指標，結(jié)合《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2018》［4］和筆者了解的數(shù)據(jù)表明，大部分建筑制冷機房EER全年平均為2.5~3.1，遠遠低于國家公共建筑節(jié)能設計標準（要求4.4以上）及美國ASHRAE指引（要求5.0以上）的節(jié)能評價水平，因此提升空間巨大。

2019年6月國家發(fā)展改革委等七部委聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動方案》，提出到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平提升25%以上，綠色高效制冷產(chǎn)品市場占有率提高40%以上，這對公共建筑集中空調(diào)系統(tǒng)的能效提出了明確提升要求。目前專家學者也展開了大量研究，如張昆等提出了高效制冷機房性能化設計方法和流程［5］，張瑞等研究了如何通過BIM技術(shù)實現(xiàn)空調(diào)制冷機房的設計、施工、調(diào)試及運維的閉環(huán)管理［6］，廣州市設計院編制了《高效集中空調(diào)制冷機房系統(tǒng)能效監(jiān)測及評價指標》團體標準［7］，梁軍等通過實際案例分享了高效機房相關(guān)設計方法和技術(shù)［8］，也有文獻從施工角度闡述了如何利用先進的智能建造技術(shù)實現(xiàn)高效機房建設［9］。

綜上所述，針對制冷機房能耗高、運行能效偏低的現(xiàn)象，目前已經(jīng)有大量的研究學者從設計和施工的角度展開研究，提供了不少關(guān)于制冷機房設計和建設的相關(guān)建議，取得了不少研究成果，但很少有文獻研究機制創(chuàng)新實現(xiàn)高效機房的建設。好的機制會促進相關(guān)責任主體發(fā)揮主觀能動性，更有動力和責任去完成高效制冷機房建設，因此本文將引入管理學相關(guān)理論，結(jié)合機房建設流程和特點，從機制建設上進行探索，打通設計、施工、運維等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)高效制冷機房的建設與運營。

1 存在問題

如圖1所示，新建建筑能效沒有達到初始節(jié)能目標，既有主觀原因，即設計不合理，也有客觀原因，即設計、施工和運維的不斷“降維”。其背后的原因一是缺乏管理手段，二是沒有明確的責任機制，三是設計存在局限。

圖1 建筑能效漏斗圖

1）缺乏管理手段

目前，建筑建造各階段均配置了若干節(jié)能管理手段，如在項目立項階段，需編制獨立的建筑節(jié)能專篇。在設計階段，設計單位需執(zhí)行相關(guān)的建筑節(jié)能設計標準。在施工階段，施工單位需按照建筑節(jié)能施工質(zhì)量驗收標準的要求進行施工。在項目運行階段，出臺了相應的能源統(tǒng)計和能源審計技術(shù)導則等。這些管理手段對我國建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展都起到了一定的積極作用，但是也存在著如下問題：

（1）這一系列的公共建筑節(jié)能管理手段沒有明確統(tǒng)一和實際有效的節(jié)能控制目標。

（2）由于不同階段的節(jié)能控制目標均不明確，所以不能保證項目在不同階段評測管理目標的一致性。

（3）對于節(jié)能工作沒有提出定量的任務目標，很容易使建筑節(jié)能成為大量節(jié)能技術(shù)的簡單堆砌，而不是達到實際有效的節(jié)能效果。

造成上述問題的主要原因之一在于各階段的節(jié)能工作各自獨立，缺乏縱向貫通的管理指標，導致各階段只需單純完成本階段的節(jié)能任務即可，不需對建筑的最終實際能耗負責，導致建筑實際運行能效難以得到有效控制。

2）沒有明確的責任機制

無論自持和出售，由于業(yè)主方的建設和運營責任機制分離，業(yè)主方?jīng)]有真正承擔節(jié)能的主體責任，責任無法傳導到設計，導致設計無需承擔運行階段節(jié)能責任。

3）設計存在局限

空調(diào)系統(tǒng)設計與實際運行的能效存在較大差距，其主要原因如下：

（1）設計場景與運行的實際場景不一致。運行場景是變化的，不屬于設計范疇，設計只對固定場景。現(xiàn)階段主要的解決方式為新建調(diào)適以及后續(xù)持續(xù)調(diào)適，但這不能回避設計的局限性。

（2）沒有信息反饋。設計方無法也沒有責任了解設計的實際應用效果，則無法不斷提升對結(jié)果負責的設計能力。

可見，傳統(tǒng)的管理手段、業(yè)主的責任傳導、設計本身的局限，共同導致了新建建筑節(jié)能標準和運行實際能效之間脫節(jié)的現(xiàn)狀。

2 機制建設

針對目前存在的問題，需確立一個責任主體，全程貫通設計、安裝和運維，并對空調(diào)系統(tǒng)最終運行能效負責，保證節(jié)能目標不打折扣地實現(xiàn)。

2.1 空調(diào)設備分包商為第一責任主體

與建筑實際運行能效直接相關(guān)的有三個階段，即設計、安裝和運維。這三個階段相互之間存在脫節(jié)，導致實際運行能效相對節(jié)能設計的目標梯度下降；但縱觀這三個階段的主體，只有空調(diào)設備安裝方與設計和運維都有搭接，因此考慮將以結(jié)果為導向的節(jié)能責任落實到空調(diào)設備分包商是一個可行的路徑。

將責任落實到空調(diào)設備分包商，如圖2所示，通過空調(diào)設備分包商可以向上進行設計優(yōu)化，彌補設計的局限，向下可以在運維階段實施調(diào)適，彌補運維的能力缺陷，從而有效地改變部分新建建筑設計、施工、運維中節(jié)能控制脫節(jié)的現(xiàn)狀，真正實現(xiàn)新建建筑能效源頭控制的初衷。

圖2 機制創(chuàng)新對建筑能效優(yōu)化作用

在此機制設計下，提高了對空調(diào)設備分包商的能力要求，事實上許多空調(diào)設備分包商已經(jīng)在市場上被磨煉了相關(guān)能力。2019年的《高效制冷行動方案》提出了“鼓勵生產(chǎn)企業(yè)為工商用戶提供按需定制、精準適配的綠色高效制冷系統(tǒng)，推動從‘制造’向‘產(chǎn)品/工程+服務’轉(zhuǎn)變”。從本機制的角度看可以表述為“鼓勵設備安裝或空調(diào)設備分包商企業(yè)為工商用戶提供按需定制、精準適配的綠色高效制冷系統(tǒng)，推動從‘安裝’向‘工程+服務’轉(zhuǎn)變”。

2.2 機電工程傳統(tǒng)商業(yè)模式向能效保證型合同轉(zhuǎn)變

原有以設備能效決定節(jié)能效果的理念下，節(jié)能主要考慮設備性能，以設備采購合同為主，僅僅是提供產(chǎn)品，也是現(xiàn)行的主流模式。

隨著調(diào)適和智能運維的理念逐步為市場接受，其提供的產(chǎn)品，可以不僅僅是硬件產(chǎn)品，還有圍繞硬件提供的服務。對于設備能效可以采用質(zhì)量檢測，則產(chǎn)品采購合同是適合的；調(diào)適和智能運維的效果無法按設備檢測的方式檢測，應以實際結(jié)果為導向，用實際運行數(shù)據(jù)來驗證。

2）能效保證型合同的實踐

能效保證型合同是以結(jié)果為導向，將實際運維能效作為節(jié)能驗收和付款標準的機電采購施工合同。合同通過支付條件明確了實際運維能效的責任主體，從機制上有效銜接新建建筑建設和運行之間的節(jié)能責任。

2.3 管理要點

2.3.1 設置關(guān)鍵參數(shù)

將實際能效作為節(jié)能驗收和付款標準的機電采購施工合同，涉及能效指標設定和付款比例可以根據(jù)項目實際情況予以調(diào)整。由于是第一次實施能效保證型的模式，項目機制設計時基于“大膽假設，小心求證”的原則，給出相應的指標值設置。

1）機房能效指標COP建議設為4.1及以上，雖然機房能效指標COP為4.1沒有達到ASHRAE“冷水機房全年綜合能效”在COP5.0超高效機房的卓越標準，僅是良好的標準，但考慮目前國內(nèi)大部分機房實際運維能效都在3.0以下，當前提升33%的能效水平在試點項目中是可以接受的。

2）機房能效與30%工程尾款掛鉤，一般機電工程項目的毛利率在30%左右，若機房實測能效達不到驗收標準，空調(diào)設備分包商會產(chǎn)生虧損，由此倒逼空調(diào)設備分包商想方設法完成目標。對于甲方而言，假如達不到付款條件，30%的尾款也足夠進行專業(yè)的調(diào)適和設施調(diào)整，彌補設計和施工的缺陷。

3）評價時間選取機房運行一年之后，一是由于空調(diào)設備分包商承擔的是有限責任，合同時間不宜過長；二是一年也是空調(diào)設備分包商維保時間內(nèi)，空調(diào)設備分包商有責任維修相關(guān)設備；三是短時間內(nèi)建筑不一定運行在正常工況，所測能效不能代表實際運行的正常值。

經(jīng)過探索性因子分析，科學公信力的七個指標采用主成分因子法，可以提取一個公因子，KMO值也達到非常理想的水平，其因子負荷矩陣如表4所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示，每個構(gòu)成變量的因子負荷值基本都高于0.6，這意味著七個變量的內(nèi)涵有較大的共同度，能夠作為衡量某個隱藏變量的指標。

2.3.2 運行能效指標納入招標文件

將機房能效指標納入招標文件，機電施工單位必須按照招標文件的要求簽訂合同，在合同中明確約定機房運行能效與工程款相掛鉤，使機電施工單位有約束也有動力完成施工任務。

2.3.3 審核技術(shù)方案

空調(diào)設備分包商中標后，可以要求分包商提供技術(shù)方案，包括但不限于優(yōu)化前后軟件模擬的對比的結(jié)果、設備選型說明、輸配系統(tǒng)設計優(yōu)化、基于智能運維的能效監(jiān)測設施、運維調(diào)適方案等。

2.3.4 施工專項檢查

鑒于高效機房的建設責任主體是空調(diào)設備分包商，實施的部分建設內(nèi)容有別于傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)安裝要求，應組織專項檢查，以確定實際施工的準確；適當時候還可以組織包括設計、安裝、運維的專家討論，以不斷完善和優(yōu)化建設方案。

2.3.5 第三方能效測評

合同約定，能效測評是指機房運行一年后的實際運維能效的測評，必須保證一定的末端負荷。

3 實際案例

3.1 項目概況

項目位于上海市長寧區(qū)，總建筑面積為41 560 m2，其中地上部分1 898 m2(為地面配套管理用房)，地下部分為39 662 m2(由車庫、體育館、游泳館、下沉廣場、配套商業(yè)組成)。地下為2層，地上為2層，地面建筑高度為11.85 m。

該工程冷源采用電制冷方式，熱源采用燃氣鍋爐。冷凍機房及鍋爐房設置在A區(qū)地下一層，泳池空調(diào)采用新型除濕熱泵機組。

3.2 建設過程

3.2.1 招標階段

在招標文件中對機房效率作出明確要求：即投標總價30%尾款將根據(jù)冷站機房運行效率是否超過ASHRAE冷水機房效率0.85 kW/ton的標準作為支付條件；機房效率待項目竣工一年后以第三方能效檢測的評估報告為準。

3.2.2 設計階段

通過三維建模，調(diào)整了主要設備的布置，優(yōu)化了管道走向和連接方式，降低了輸配阻力。優(yōu)化后機房內(nèi)管道阻力下降9%，輸送能耗下降12%。水泵進出口水管優(yōu)化見圖3，分集水器水管走向優(yōu)化見圖4。

圖3 水泵進出口水管優(yōu)化

圖4 分集水器水管走向優(yōu)化

選擇高效空調(diào)主機（NPLV值7.3），通過空調(diào)系統(tǒng)的軟件模擬選擇2大1小的配置（500 RT 2臺，250 RT 1臺）。大冷量主機采用離心式壓縮機，小冷量主機采用螺桿式壓縮機，此類配置充分利用了不同壓縮形式在不同冷量需求下的優(yōu)勢，保證了不同運行負荷下的高效運行。

空調(diào)系統(tǒng)采用大溫差（6/15℃），比常規(guī)系統(tǒng)溫差（7/12℃）多4℃，水泵流量比常規(guī)系統(tǒng)減少了25%，同時選用高效變頻水泵，按需輸出，大幅降低了水泵的運行能耗。

選擇和主機匹配的大溫差、低阻力末端設備，并配置轉(zhuǎn)輪熱回收裝置（熱回收效率60%），既保證了地下室內(nèi)空氣的品質(zhì)，又降低了新風系統(tǒng)的能耗。

3.2.3 施工階段

為了達到節(jié)能效果，此次管道組件基本采用異形管道組件，表面采用熱鍍鋅處理；并根據(jù)三維建模90%的管道均采用工廠預制，現(xiàn)場進行拼裝的方式，有效地縮短了工期（機房裝配式施工14天，常規(guī)60天）。

3.2.4 運維調(diào)適階段

項目運營采用NB-IOT的5G通信技術(shù)在線運維管理，并根據(jù)大數(shù)據(jù)模型對運行數(shù)據(jù)進行處理，不斷優(yōu)化控制邏輯和運行策略，最終達到長期節(jié)能目的。

3.3 能效評估

項目請第三方專業(yè)機構(gòu)對機房能效進行了專業(yè)評估。由于疫情影響，項目竣工一年后還沒有實質(zhì)啟用。經(jīng)專業(yè)第三方實測，在負荷較低的情況下，機房能效達到0.85 kW/RT，符合支付條件。預計項目負荷提升后，機房的運行能效會有明顯提升。

4 結(jié)論

1）空調(diào)設備分包商負責制是實現(xiàn)新建建筑空調(diào)機房運行高效的可行路徑

該案例是針對大型新建公共建筑運維能效保證的實踐，并不一定適應所有的空調(diào)系統(tǒng)，但該案例項目的成功實踐證明通過空調(diào)設備分包商銜接建設和運維，以實現(xiàn)建筑空調(diào)系統(tǒng)運維高效是可行的。

2）能效保證合同是保障新建公共建筑空調(diào)機房運行高效的有效商業(yè)模式

此案例項目的成功實踐也充分證明了延長空調(diào)設備安裝的采購內(nèi)容，把產(chǎn)品變?yōu)榉眨褜嶋H運維能效作為付款的指標是一種可行且有效的商業(yè)模式。在此模式下也帶來了管理模式的改變，與傳統(tǒng)管理模式比較，需考慮質(zhì)保費用比例、能效標準、評價方式、專項管理等內(nèi)容。

3）助力空調(diào)設備分包商做精做強

對空調(diào)設備分包商提出了能力要求，不僅是提供設備安裝，而是需要既能組織設計優(yōu)化，又可以實施運行調(diào)適，還要有遠程智能運維的能力，推動從“制造”向“產(chǎn)品/工程+服務”轉(zhuǎn)變。這個變化可能會衍生出一種新的變化趨勢，即改變空調(diào)設備供應的含義，具有以上三種能力的承包商將更具市場競爭力。

5 展望

目前，上海市第二個能效保證型的項目也已實施，潛在的業(yè)主方在作決策時比較關(guān)注是否有實踐案例，當了解到有成功的實踐案例時，最終采用了類似模式。此次實踐既證明了該模式的可行性，又將有助于后續(xù)項目的復制與推廣。“星星之火，可以燎原”，希望此實踐能夠帶動更多上海市乃至長三角地區(qū)以結(jié)果為導向的新建建筑高效機房建設模式發(fā)展。