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基于能效保证的高效制冷机房技术探讨唐伟

发表时间：2021/7/27 来源：《基层建设》2021年第14期作者：唐伟

[导读] 针对当前民用建筑集中制冷机房普遍存在低能效运行现状，分析了当前制冷机房综合能效偏低的原因，讨论了传统制冷机房建设工程模式弊端，

        湖南省建筑设计院有限公司湖南长沙 410012
        摘要：针对当前民用建筑集中制冷机房普遍存在低能效运行现状，分析了当前制冷机房综合能效偏低的原因，讨论了传统制冷机房建设工程模式弊端，提出一种以“能效目标”为导向的高效制冷机房建设新理念服务模式。
        关键词：高效机房能效比能效目标全过程优化措施

        引言：暖通空调系统在建筑能耗中占比最大，而其中的制冷机房各类设备约占整个空调系统能耗的70%，是建筑节能的重中之重。2019年6月国家发改委等7部门联合印发的《绿色高效制冷行动方案》指出：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。随着这一方案的出台，“高效机房”成为行业的热点，围绕高效机房系统能效提升的技术分析与探索变得越来越多。
        1 高效机房定义
        高效机房指的是高效制冷机房，其中“高效”一般是针对制冷机房的能效比EER而言的，是对制冷机房实际运行情况的耗能评价。EER值是机房总制冷量与制冷机房总耗电量的比值，即EER=全年总冷量/（冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔）全年总耗电量（以水冷式冷水机组为例）。EER的数值越高，制冷机房就越高效。一般来说，制冷机房的能效比EER不同于制冷主机的能效比，制冷主机设备能效高不等于制冷机房能效高。目前，制冷机房EER值需要达到多大才能算高效标准，整个行业暂时没有统一标准。美国ASHRAE研究报告中指出，高效制冷机房系统能效比应高于5.0，能效比低于3.5时，制冷机房系统就需要改进[1]。另外，我国广东省2018年4月实施的《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》中规定制冷机房系统额定制冷量大于500RT时，一级能效EER需达到5.0[2]。因此，目前行业内一般将机房能效EER>5.0的空调制冷机房称为高效制冷机房。
        2 基于能效保证的高效机房
        2.1 制冷机房耗能现状
        据中国建筑节能协会统计，目前国内中央空调制冷机房综合能效比EER大于3.5的仅占15%，超过75%的制冷机房综合能效比在2.0-3.5范围。从空调系统设计、施工、运行全过程分析可知，导致制冷机房能效比偏低的主要原因有以下几点：第一，非精细化设计，为了确保使用，设备选型容易被放大，而系统运行过程中，部分负荷状态下运行时间占比很大；第二，不同设备类型在不同负荷工况条件下的最佳运行效率差异较大，容易导致制冷机房的冷却系统的运行逻辑发生混乱；第三，整个工程建设过程，由设计到实施到运营，经历顾问公司、设计院、施工单位、设备厂家、运维管理部门等多家单位，中间过程难免会出现技术配合脱节，设备性能难以保证，施工实施过程质量管控不到位，制冷机房建设全过程缺乏技术把控；第四，无能效监测手段，不重视机房真正高效运行群控的控制策略优化；第五，空调制冷机房自动控制系统能在一定程度上保护设备，延长使用寿命，然而目前大部分制冷机房自控系统无暖通专业人员参与设计，无法全面了解各种设备的配合使用，设计的控制策略简单，导致自控系统大部分时间处于被动或瘫痪情况，而暖通专业人员往往对自控系统的理解也一知半解。
        为此，建设高效制冷机房系统应具体包含以下几个方面：第一，全面了解项目全年负荷规律，计算建筑全年逐时负荷，掌握建筑负荷大部分时间处在哪个范围，为系统的主要设备匹配提供依据；第二，制冷机房中应使用具有高能效比的主机、水泵、冷却塔等设备（如采用高效变频冷水机组、变频水泵、逼近度低（环境湿球温度-冷却水进水温度）的冷却塔、变频风机）；第三，采用BIM进行管网系统优化设计，减少系统的阻力（包括局部阻力和沿程阻力），保证从制冷主机到水泵等的管路最短，在满足舒适性要求，不牺牲用户品质情况下尽量提高冷冻水出水温度；第四，制冷机房采用智能控制技术，实现机房系统无人值守和自动运行，保证整个制冷机房系统长期处于高效率区间运行。
        高效制冷机房系统的价值更多地体现在设备优化选型、系统优化设计、暖通空调设备与机房控制系统整合、设备安装与工程管理、全系统整体调试等方面。设计、选型、产品、安装、运维、监测等各个环节需要密切配合，才能确保最终的系统能效比符合高效机房的能效标准。
        以空调能耗占建筑能耗50%，制冷机房能耗占空调能耗70%计算。当制冷机房系统能效比从3.0提升到5.0时，建筑能耗就能降低14%，这说明高效运行的制冷机房能发挥巨大的节能效果，提升制冷机房综合能效降低机房系统耗能具有显著的节能潜力。然而，对于一个制冷机房的建设过程，传统工程模式将会按照机电顾问、设计单位、设备供应商、工程承包商进行并最终交由运维部门维护，工程进行到每个阶段时各单位各司其职，以完成本单位对应工作为主，在制冷机房建设过程中，无一家单位为最终的运行能效目标承担责任，并且投入运营的设备基本由人工控制，因此，传统工程模式无法实现机房的高效运行。
        2.2 高效机房全过程建设新模式
        实现整个空调制冷机房高效持续运行，降低空调系统的能耗，实际上是一项精细化设计及智能化运维的系统工作，包含全年负荷模拟、节能产品的选择、机房系统优化和节能运维 4个关键部分，贯穿设计-施工-运营整个过程，如图1所示。相比于传统工程建设模式，高效制冷机房建设应是一种新理念全过程服务模式，以“能效目标”为导向，带能效承诺的高效机房咨询、设计、设备供应、工程、运维全过程服务，对中央空调制冷机房的实际运行能效比EER做出承诺，并对其承担责任。很显然，这种全过程新模式不仅使各个实施单位配合更加紧密，也使得机房综合能效目标在每个建设阶段有了保障。

        3 高效机房全过程建设的优化措施
        主要针对空调冷水机组选型、空调冷冻/冷却水泵选型、冷却塔选型、管网系统等四个方面进行设计优化。
        3.1 冷水机组选型优化
        根据建筑业态分布及运营时间表，对空调冷负荷进行逐时逐项计算，并对全天候冷负荷分布进行分析，从而优化空调冷水机组选型和机组设计以确保全天候负荷区域的高效运行，空调冷水机组依据三条优化原则进行选型：（1）机组选型应满足建筑负荷特性及设计图纸要求；（2）选择高效低阻变频型冷水机组；（3）机组运行工况范围大。
        3.2 冷却水泵、冷冻水泵选型优化
        依据三条优化原则进行选型：（1）满足机组工作及设计图纸要求的同时，选择高效水泵并配置高效电机；（2）水泵选型扬程富裕量合理；（3）水泵运行能实现变频控制。
        3.3 冷却塔选型优化
        依据三条优化原则进行选型：（1）满足机组工作及设计图纸要求的同时，选择高效变频冷却塔；（2）冷却塔可进行变流量运行和调节；（3）冷却塔结构优化。
        3.4 管网系统优化
        管网系统采用低阻力设计，降低管路系统阻力的优化措施包括：适当增大管径，降低流速；合理布置管道及设备，缩短管路长度；减少管路弯头；采用斜三通替代正三通；选用阻力低的管道构件等。
        3.5 机房智能控制
        制冷机房采用自主开发的以能效为导向目标的精准计量系统和高效机房智能控制平台进行智能控制，实现机房系统无人值守和自动运行，保证整个机房系统长期处于高效率区间运行自动控制，快速响应，节省人力，节约能源。
        在高效制冷机房全过程服务新模式下，通过自主开发高效机房自控系统，在工程设计阶段能对程序编制、协助调试和寻优运行；在营运阶段可进行自控系统逻辑优化，及时发现问题，维持系统高能效。
        4 结束语
        按照传统制冷机房工程模式进行建设往往涉及许多单位，工程进行到每个阶段时各单位各司其职，以完成本单位对应工作为主，容易使得建设过程各实施单位之间出现技术配合脱节，并且各单位并不关心机房最终的综合运行能效，设备性能难以保证，容易造成空调制冷机房的低效运行。通过分析空调制冷机房各建设过程及低能效运行现状，提出一种以“能效目标”为导向的高效机房建设全过程新理念服务模式，该模式贯穿设计-施工-运维全过程，包括带能效承诺的高效机房咨询、设计、设备供应、工程、运维总包服务。这种全过程新模式不仅使各个实施单位配合更加紧密，也使得机房综合能效目标在每个建设阶段有了保障。
        参考文献：
        [1]Hartman T.All-Variable Speed Centrifugal Chiller Plants[J].空気調和衛生工学，2001，81（9）：43-53.
        [2]广东省住房和城乡建设厅.DBJT15-129-2017 集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准[S].北京：中国城市出版社：2017.