【高效机房蓝皮书】高效制冷机房建设与运行问题解析

　　本文是《高效机房系统产品与案例蓝皮书(2023)》系列的第二篇，该系列共分为三期，未来每周都将带来一期全新的内容。

 

　　01、制冷机房建设与运行

　　1、系统规划设计不够完善

　　对于制冷机房的规划设计和功能设计方面缺乏成熟技术应用体系，造成施工过程速度慢，后期运行维护的困难。

 

　　2、建设过程的分离

　　建设过程设计、安装、运行的分离，导致了建设过程的分散和不统一，不利于形成一体化的智慧设计、智慧建造、智慧运行体系。

 

　　3、传统建造管理方式

　　缺乏专业建造服务机构提供制冷机房的一体化建设，造成建设过程复杂，以及施工不合理导致的各种问题。

 

　　4、能源利用效率低

　　针对系统运行缺乏有效的智慧化管控手段，造成系统整体的运行效率低下。

 

　　5、控制方法简单粗放 

　　制冷系统中的控制对象具有大惯性、非线性、多变量、大滞后和差异性特点。单一的控制方法节能效果差别很大，只有根据系统实际运行数据分析的节能控制方法才是最有效的。

 

　　6、缺少能源管控工具

　　用能单位能源数据汇总体系不完善，缺乏互联网、云计算、大数据等新技术的应用。 

　　02、如何打造高效机房

　　1、采用高效的设备，主要包括冷水机组、水泵、冷却塔等空调机房主要的能耗设备;

　　2、水路系统的节能深化设计，主要目标是减少系统阻力降低输配系统能耗;

　　3、智能控制系统和能耗能效评价系统，对于高效机房必须有完善、准确的监测和能耗能效评价系统，可以清晰地了解各设备及系统的能效情况，对比分析设计效率与实际运行效率的差异，利用智能控制系统对数据进行分析并实时优化运行策略，保证空调系统持续高效健康运行。

　　4、中央空调机房管理模式由粗放向精细化转变，通过数字化智慧管理，减少系统损耗，摆脱对人的依赖，做到预见性维护。

 

　　03、高效机房相关基本规定

　　公共建筑能耗在建筑总能耗中占有巨大比重，据相关统计，2017年我国公共建筑总能耗（不含北方采暖）达到2.93亿吨标煤(tce)，占建筑总能耗的31%;在公共建筑能耗中，空调系统供冷能耗占据较大比例，在2020年美国能源信息署(EIA)发布的《2020 年年度能源展望》中显示，在2019年，美国公共建筑空调制冷耗电量大约为1540亿千瓦时，相当于公共建筑总耗电量的11%和美国总耗电量的4%；在公共建筑中央空调系统供冷能耗中，制冷机房约占50%左右，通过对北京市52栋商务办公建筑除采暖外建筑年耗电量进行研究发现，制冷机房能耗平均值约为42.2kW·h/(m2·a)，约占年耗电总量的36%，由此可见制冷机房系统是公共建筑的耗能大户。

 

　　制冷机房系统能效比(EER)，也就是制冷机房总输出制冷量和机房总耗电量的比值是目前国际上衡量制冷机房效率的通用指标，按美国制冷协会 (ASHRAE) 的规定，高效率的制冷机房 EER 应该到达5.0以上。《中国建筑节能年度发展研究报告 2018》研究表明，广东省内部分建筑制冷机房 EER 全年2.5～3.0，因此空调制冷机房系统能效具有很大的提升空间。

 

　　2019 年 6 月国家发展改革委等七部委联合印发了《绿色高效制冷行动方案》提出到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，绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上。对公共建筑中央空调系统的能效提出了更高要求，考虑到目前国内制冷机房系统运行能效普遍较低，存在巨大的节能空间，因此发展高效制冷机房系统是响应国家政策，提升公共建筑制冷能效的重要突破口。

 

　　高效制冷机房系统应用应根据当地的气候条件和建筑功能，在保证室内热舒适度的前提下，通过采用性能化设计方法、精细施工、全过程调适以及节能优化运行等措施，提升系统运行能效。高效制冷机房系统以实际运行效果作为判定依据，需要以制冷机房性能目标为导向，设计、招投标、施工、调适和运行各个阶段协同配合，才能更好地保证建设效果。

 

　　高效机房建设性能目标值

　　应根据气候条件、建筑功能以及经济性等因素合理确定，并在建设需求书进行明确规定。

 

　　高效机房设计

　　宜采用以制冷机房系统综合能效比为约束目标的性能化设计方法。

 

　　性能化设计不同于常规采用的“合规设计”，是一种基于目标的闭环设计方法，该方法以制定性能量化指标为约束目标，以节能措施集成与参数优化为基础，以全工况模拟分析为基本手段进行设计，并通过模拟仿真等手段验证，以判定是否满足目标值。

 

　　性能化设计方法的核心是以性能目标为导向的定量化设计分析与优化，系统形式和相关设计参数的选取均基于定量分析结果，而不是从规范中直接选取。

 

　　高效制冷机房系统设计应以系统能效目标为导向，以“保证室内热舒适度、最小化全寿命周期成本”为原则，根据气候特征、建筑负荷特点以及建筑功能，结合建设方需求，选择适宜的设计方案。

 

　　与传统的机房设计方法相比，采用性能化设计方法具有以下优点：

　　01、以性能目标为导向、以仿真模拟分析进行验证的迭代分析过程可以帮助设计人员对高效制冷机房的设计方案具有更全面、更细致地了解，例如设备性能要求、运行策略以及初投资等，从而可以在设备采购、自控系统设计等环节提出更为明确的需求，有助于高效制冷机房的有效实施。

 

　　02、设计阶段以机房全年能效值为目标，进行全工况模拟分析，可使得设计人员充分考虑制冷机房部分负荷运行特性，可保证设计参数与机房实际运行效果更为一致。

 

　　03、性能化设计要求在设计阶段设定机房能效目标，并通过仿真模拟等方式评估各种设计措施对性能目标的影响，有助于业主或设计人员能够更好地理解机房性能指标的影响因素。

 

　　04、性能化设计可帮助设计人员根据工程实际特点选取合理的技术措施，有助于提高高效机房设计的合理性，同时有助于激发设计人员对选用新材料、新工艺、新设备的创新动力。

 

　　高效机房性能指标应至少包括

　　・制冷机房系统综合能效比(EERa);

　　・制冷机房附属设备综合耗电比(λa);

　　・冷水机组综合性能系数(COPa);

　　・冷冻水输送系数(WHFchw);

　　・冷却水输送系数(WHFcw)。

 

　　制冷机房系统综合能效比(EERa)是高效机房系统的核心指标，是编制高效机房设计方案，开展性能化设计、性能调适以及测量与评价的重要依据，应在需求书中进行明确规定。制冷机房附属设备综合耗电比(λa)和冷水机组综合性能系数(COPa)是实现制冷机房系统综合能效比(EERa)的基础指标，是判定冷源设备选型和水系统设计是否满足要求的依据，这两项指标不必在需求书中进行明确规定，便于在设计阶段设计人员从安全、可靠、节能和经济性等角度综合考虑，对这两项指标进行调整，从而对设计方案进行优化。冷冻水输送系数(WHFchw)是制冷机房系统制冷量(kW)与冷冻水泵(包括冷冻水系统的一级泵､二级泵、加压泵等)的耗电量(kW)之比；冷却水输送系数(WHFchw)是冷却水输送的热量(kW)与冷却水泵的耗电量(kW)之比。

 

　　高效机房能效等级

　　高效机房应根据制冷机房系统综合能效比(EERa)测试结果，依据下表，判定高效机房能效等级。 

　　依据制冷机房系统综合能效比的大小确定，依次分为1、2、3三个等级，其中1级表示能效最高。

 

　　国内外多项标准将系统能效比5.0作为高效机房的判定依据，根据本标准的目标和定位，将5.0作为判定是否是高效机房的最低限定值。根据目前调研的数据，国内高效制冷机房的系统能效普遍能达到5.0以上，因此将5.0作为判定是否是高效机房的最低限定值是合理的。

 

　　考虑到目前国内已有多个项目的系统能效达到6.0甚至更高，但同时初投资可能相应增加，影响经济合理性，因此将6.0作为一级能效目标值，取5.0和6.0的中间值作为二级能效目标值。

 

　　考虑到室外湿球温度对冷水机组效率的影响较大，因此以夏热冬暖地区为基准，按不同气候区制冷季的平均湿球温度对 EERa 限值进行了修正。

 

　　同时为确保高效机房能效等级制定的更加合理，编制组以寒冷气候区为基准，采用相同方法推算得出另一种高效机房能效等级划分方案作为备选等级表（如下表所示）。 

　　该内容来源于：中国工程建设协会标准《高效制冷机房系统应用技术规程》