高效制冷机房性能化设计研究.pdf

Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第3期073高效制冷机房性能化设计研究高效制冷机房性能化设计研究王 峰（华建集团华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011）摘要：建筑设计阶段的空调系统选型一般按照设计工况进行，但在建筑运行阶段，空调系统大部分时间处于部分负荷工况运行状态，设计工况与运行工况的脱节会导致能源、材料的浪费。近年来，随着国家“双碳”政策的加速推进，如何提高能源利用效率，实现建筑节能减排显得尤为重要。归纳总结了高效制冷机房性能化设计方法，结合实际案例对高效制冷机房的性能化设计方法进行简要评价，为其设计提供理论依据。关键词：高效制冷机房；建筑节能；节能减排；性能化设计中图分类号：TU201 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）03-073-050 引 言相关单位通过对北京市52栋办公楼制冷机房能耗数据调研后发现，其能耗平均值约为42.2 kWh/(m2a)，约占建筑年耗电总量的36%1；笔者通过对广东省制冷机房能耗数据调研发现，其全年平均综合能效为2.53.0。从上述调研数据可以发现，在提高制冷综合能效方面，有很大的节能潜力可以挖掘。2019年6月，国家发展改革委等七部委联合印发绿色高效制冷行动方案，该文件对制冷系统能效提出了明确的提升要求，特别要求大型公共建筑集中空调系统的制冷综合能效需提升30%。纵观近年来高效制冷机房在国内中央空调市场的发展历程，可发现其中存在着一定的阻力。主要集中在以下方面：（1）规划设计设备选型和实际运行需求不匹配，余量过大，实际运行中能耗偏高；（2）机房内设备独立进场、安装，建设周期长、安装精度低；（3）空调设计大多为冷水712，冷却水32 入口，没有考虑负荷变化、冷却塔与主机的匹配优化问题；（4）很少有系统运行状态、运行能耗等方面的实时监测数据；（5）初投资成本较高，后期的经济回报周期长短不一，同时也需要长期对运行管理和维护进行投入；（6）后期运行过程带来的经济效益对建筑规模有一定的要求，至少需要60 000 m2的建筑体量，甚至更大规模，其经济效益才会更加明显。因此，无论是从实际数据调研还是从国家政策层面考虑，提升冷机房综合能效是降低建筑能耗、提高能源利用率、响应国家“双碳”政策的重要节点。1 基本概念国际上通常采用制冷机房系统能效比（COP），即制冷机房总输出制冷量与机房总耗电量的比值，来衡量制冷机房综合能耗的指标。能效评级如图1所示。图 1 制冷机房能效评级由图1可知，当COP5.0时，整个制冷系统有较高的能效，可将达到该标准的制冷系统称为高效制冷机房；当COP3.5时，则要对制冷机房系统进行改造。2 设计方法2.1 高效制冷机房性能化设计2高效制冷机房性能化设计是以制冷机房最终达到的制冷系统能效为最终目标函数。该函数将冷源设备选型、冷冻水系统、冷却水系统、机房控制策略以及投资回收期五个影响因子作为自变量，按照全年运行工况，通过方案优化比选，得出目标函数的最优解。性能化设计是基于目标函数的多次迭代分析设计方法，它通过模拟全年运行工况以及预设的控制运行策略，判定制冷系统是否达到目标函数值的要求。当预设采用的技术措施不能达到系统性能要求时，需对五个影响因子进行调整，直至达到要求为止。性能化设计方法最后的分析结果与项目所在地的气候分区、建筑本身的功能、形态息息相关。通过性能化设计COPkW/t7.00.55.90.65.00.74.40.83.90.93.51.03.21.12.91.2绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第3期074COP方法，可以得到更适合建筑本身的定制化系统形式和设计参数，这与经验取值或常规选取有较大差别。性能化设计流程如图2所示。图 2 高效制冷机房性能化设计流程Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第3期075冷却塔水冷冷水机组冷却水泵板式换热器冷水供水冷水泵冷水回水水冷冷水机组冷水泵冷水回水冷水供水冷却塔冷却水泵板式换热器（a）带部分自然冷却 （b）不带部分自然冷却 2.2 高效制冷机房设计内容3高效制冷机房设计内容包括机房布置及优化、设备选型及控制系统调试。设备包括冷源、冷却水系统、冷冻水系统等。在设备的选型过程中，应本着制冷系统最优化的思路对冷源、冷却水系统、冷冻水系统进行选型，而不是仅提升某一方面的性能，否则可能导致设备不匹配，使得整个系统能耗巨大。通过对系统的整体优化，可以降低冷源、水泵及附属设备的装机容量，提高能源利用率，减少初期投资并降低运行维护成本。控制系统包括信号收集装置以及反馈装置，这些装置具有实时监控功能，能对数据进行存储与分析，可以通过内置的逻辑处理器对制冷设备进行调节及控制。3 高效制冷机房制冷措施3.1 数据中心制冷3.1.1 按需制冷4按需制冷与舒适性空调的“工位送风”类似，只对需要制冷的设备进行制冷，其他设备不制冷。此种方式可以最大限度地减少无效冷量，但由于空气的强流动性，这种方式对气流组织的要求极高，需要对气流组织进行优化。3.1.2 水平送风水平送风，即使用水平送风空调配合冷通道封闭组件，以最大限度地实现送风有效性，使换热较为充分，提升单位风量下的制冷效率。随着刀片式服务器被广泛采用，这种送风方式能实现较好的节能效果。3.1.3 封闭冷通道封闭冷通道与舒适性空调的VAV系统类似，是一种精细化的制冷方式，它根据实际服务器的耗热量调节制冷量。因为服务器并不是时时刻刻满负荷运行，该方式可以根据不同机架的服务器负荷状况调节制冷量，以保证数据机房的运行效率。3.1.4 自然冷却自然冷却与舒适性空调的“免费冷却”类似，即利用不同季节室外温度不同的特点以及数据中心全年制冷的特点，在室外温度较低时，直接利用温度较低的室外空气对数据中心进行冷却，部分开启或无需开启制冷机组，以降低制冷能耗5。其示意图如图3所示。图 3 自然冷却冷源笔者选取北京、上海、广州、哈尔滨、昆明、银川作为典型城市，从中国建筑热环境分析专用气象数据集中的典型气象年逐时气象参数中，统计夏季完全机械制冷阶段、冬季完全自然冷却阶段、过渡季部分自然冷却阶段三个季节的小时数据，得出制冷系统全年平均能效指标，如表1所示。由表1可知，当冬季关闭冷水机组时，自然冷却模式下的节能效果非常显著。当过渡季采用部分自然冷却模式时，也有较好的节能效果6。3.2 工业建筑制冷措施3.2.1 自然冷却自然冷却技术是利用室外较低的环境温度，将冷却水直接供到板式换热器调换热冷冻水，达到避免开启制冷主机的绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第3期076节能目的。3.2.2 冷水机组变频技术当回水温度降低时，对冷水系统进行流量调节以满足实际负荷需求。该技术实行按需配送，可有效降低水泵的耗电量7。表 1 典型城市数据中心制冷系统能效指标项目城市北京上海广州哈尔滨昆明银川夏季完全制冷时间/h3 848.0005 232.0007 416.0002 825.0004 995.0002 932.000过渡季部分自然冷却时间/h1 064.0001 692.0001 235.000974.0002 413.0001 250.000冬季完全自然冷却时间/h3 848.0001 836.000109.0004 961.0001 352.0004 578.000总计87 60.0008 760.0008 760.0008 760.0008 760.0008 760.000制冷系统全年能效比6.7205.5904.6807.7105.5207.460制冷系统全年电源使用效率0.1780.2150.2560.1560.2170.1613.2.3 选择合适的制冷剂对目前，有多种制冷剂对可供选择，如R717与R290是最有效的制冷剂对；R290与R1150是热力学效率最低的制冷剂对；R717与R1270是最好的制冷剂对；R600a与R290是经济性最差的制冷剂对8。另外，氨也是一种重要的制冷剂，它能与环境条件相适应9。在设计时，应根据实际情况选择合适的制冷剂对。3.3 公共建筑制冷措施3.3.1 广东某图书馆10冷水主机：根据空调系统全年冷负荷计算，选用冷却水30进水，冷却水35出水的制冷主机，综合能效更高。冷水系统管网阻力优化：减少水系统阻力可以有效降低水泵的耗电功率。冷水机组设置两大一小的组合，统一冷却塔型号，并取消平衡阀，如此可以有效降低由其造成的冷却水阻力损失。支管与主管的连接角度应尽量控制在4560，制冷机组的蒸发器、冷凝器入口高度尽量与水泵法兰出口保持一致，并通过混凝土基础进行高度调整。主干管、支管之间也应尽量减少直角弯头并缩短水管长度。冷冻系统管路优化：通过对各环路阻力的计算，选择阻力最大的环路，适当扩大供回水管直径，阻力小的环路，适当缩小管径，尽量做到各环路阻力接近，减少安装流量平衡调节阀门。支管与干管的连接则采用45斜三通，因为斜三通的阻力是正三通的1/3。同时，合理布置立管与水平总管的连接部位和走向，尽量使支管的水流方向与水平主干管一致。水泵优化：水泵功率与水泵扬程成正比关系，与水泵效率成反比关系，因此降低水系统阻力及根据管网特性曲线优化选型可以有效降低水泵功率。空调末端优化：通过水力计算以及阀门优化，对机房外的水力平衡进行优化与调试。制冷系统群控：群控系统需实现对制冷系统关键部件的自动监控、数据采集、存储、分析等功能，从而提升整个制冷系统的能效。3.3.2 深圳某会展建筑11该项目采用冷水机组和冷水泵共用母管的连接方式，这种连接方式可以让冷水机组和冷水泵的搭配更加灵活，从而实现水泵联合变频控制。为了降低水泵能耗，主管采用斜插接管方式并顺水三通，降低了局部阻力系数及系统管路阻力。同时，采用低阻力反冲洗过滤器，减少了过滤器数量，降低了阻力及水泵运行能耗。此外，还采用母管分配代替统的分集水器，对水力平衡进行设计优化，尽量减少平衡阀的数量。为了合理控制管道比摩阻，机房内干管管径流速按2 m/s设计，以降低沿程阻力系数及水泵运行能耗。3.3.3 地铁站厅高效冷水机组12：一种串联逆流子母配双机头高效冷水机组，这种配置方式可以在系统30100负荷下处于高效运行状态；它比传统冷水机组有较低的平均压，可以满足机组不同负荷状态下的高能效比要求。该机组的原理如图4所示。制冷机房设备、管路的优化排布13:根据工程现场建筑三维结构尺寸，对机房主要设备的摆放位置及机房内管道走向进行优化，使空间布局更加合理，设备检修更加方便，管路水流更加通畅，降低水系统输送能耗。最后，将直角弯头、直角三通改为顺水弯头或顺水三通。Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第3期077温度传感器排气压力传感器温度传感器排气压力传感器吸气压力传感器吸气压力传感器GWGWGWGCWGCWGCWGCW14.214.210电子膨胀阀17GCW蒸发器1蒸发器230.533.533.535.5冷凝器2冷凝器1视液镜视液镜图 4 双机头高效冷水机组原理4 结 语作为“双碳”目标的重要节点，如何通过技术手段最大限度地实现建筑节能，是摆在行业面前的核心问题。第一，从数学模型上来说是求解一个单一目标函数下多因子变量的问题，因此需要用整体、系统的方式进行求解；第二，智慧化运行管控系统是实现高效性能的重要技术手段；第三，应进一步研发针对不同应用需求下的高效空调制冷设备。未来高效制冷机房有以下发展趋势。一是随着“双碳”政策的快速推进，应用范围会越来越大；二是会趋向于一体化的整体解决方案应用；三是在产业融合层面上，会以与大数据、人工智能等产业相结合的方式发展。参考文献：1 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报2017M.北京:中国建筑工业出版社,20172 张昆,宋业辉,钱程.高效制冷机房性能化设计方法研究J.暖通空调,2021,51(增刊1):296-301.3 林伟江,严顺照,范海泉,等.某综合楼制冷系统高效改造J.暖通空调,2021,51(4):118-121.4 魏亦菲,单薇薇,苏华,等.数据中心机房的高效制冷J.电脑知识与技术,2014(4):856-857,866.5 张素丽.数据中心冷水系统自然冷却节能分析J.暖通空调,2016,46(5):80-83.6 娄小军,王学军.数据中心水冷冷冻水系统能效分析J.建筑节能,2018,46(1):19-22.7 王伟东.某工厂冷却工艺用中央空调高效机房方案选型设计J.机电信息,2021(25):41-43.8 SINGH K K,KUMAR R,GUPTA A.Multi-objective optimization of thermodynamic and economic performances of natural refrigerants for cascade refrigerationJ.Arabian Journal for Science and Engineering,2021(46):1223512252.9 SHALIN,SALEH,VAHID,et al.Performance analysis and development of a refrigeration cycle through various environmentally friendly refrigerantsJ.Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2019,136(4):18171830.10 许杰.广东省某市图书馆高效空调系统深化设计方案J.制冷,2020,39(1):52-56.11 饶胜.深圳会展湾新港广场空调系统设计J.建筑热能通风空调,2021,40(7):93-96,103.12 王颖,吴疆,张瑞.地铁用高效冷水机组空调水系统能效比分析J.暖通空调,2017,47(8):79-82,59.13 张瑞,刘昶,冯泽.基于BIM的城市轨道交通地下车站装配式高效制冷机房应用J.暖通空调,2018,48(1):99-103.收稿日期：2023-02-28作者简介：王峰，高级工程师，主要从事建筑节能、绿色建筑、建筑物理、海绵城市等方面的研究，现供职于华建集团华东建筑设计研究院有限公司。通信地址：上海市黄浦区中山南路1799号18层。