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以寒冷地区某养老项目为例探讨高效制冷机房系统技术应用齐兵李玲李松（北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京）摘要：随着国家“双碳”战略的实施，提高能源利用效率，对降低建筑物运行碳排放具有重要的意义，高效制冷机房系统作为大型建筑物集中空调系统能源高效利用的技术手段之一，近年来得到行业的广泛关注。本文归纳总结了目前行业内高效制冷机房系统常用的技术手段，并以寒冷地区某养老项目集中空调冷源系统为例，利用 能耗模拟软件进行系统能耗模拟计算分析，研究不同技术手段的节能潜力及经济性并提出优选建议，进而根据 高效制冷机房技术规程 的评价指标要求，提出不同能效等级的技术解决方案，供相关工程设计人员参考。关键词：高效制冷机房；空调冷源；能源高效利用；绿色低碳；节能技术齐兵，男，年生，大学，工程师，主任工程师 北京市朝阳区八里庄南里号维拓设计大厦一院设备所 ：收稿日期：引言 中国建筑节能年度发展研究报告 显示，年我国建筑运行能耗占全社会能耗的比例为，相关 排放量占全社会总 排放量的比例约为。据统计，现代大型公共建筑中，制冷机房设备的用电能耗占建筑全年能耗的 。因此，空调冷源系统是现代大型公共建筑耗能和“碳排放”的重要组成部分。相关研究表明，我国制冷机房系统运行能效普遍不高，以广东省为例，全年实测平均值为 ，与 高效制冷机房技术规程（以下简称规程）中提出的高效制冷机房能效评价指标存在较大的差距。为此，早在 年月，由国家发展改革委等七部委联合印发实施的 绿色高效制冷行动方案 中提出了“到 年，大型公共建筑制冷能效提升，制冷总体能效水平提升 以上”的目标要求，旨在全面提高我国制冷设备系统能效。随着国家“双碳”战略目标的提出，降低建筑物能耗强度及能源需求，提高建筑能源设备系统能效，特别是大型公共建筑集中冷热源系统的运行能效，是实现城乡建设领域“碳达峰、碳中和”的有效路径之一。目前，高效制冷机房系统在我国已经得到了一定的应用，特别是南方地区应用较为广泛，北方寒冷地区相对较少。在实施过程中，提供技术服务的企业一般根据项目经验提出相对固定的成套解决方案，并未从项目本身出发因地制宜地选择合适的技术路径。另外，由于制冷机房本身具有设备系统复杂、相互耦合和动态变化的特征，且其能效受建筑负荷特性、气候特征及建筑功能等影响较大，不应采用统一的技术措施作为实现高效制冷机房的技术路径。为此，笔者归纳总结了目前既有高效机房常用的技术手段，进而以寒冷地区某养老项目的制冷机房为例，采用 能耗模拟软件，对建筑物负荷需求及设备系统运行能耗进行动态模拟计算，全面分析不同技术措施的节能潜力及经济效益；采用性能化设计方法，根据制冷机房系统不同的能效目标值，提出了相应的解决方案，供相关工程设计人员参考。研究项目概述该项目位于山东省青岛市，总建筑面积为 ，共个单体建筑，其中：、为养老用房，为护理用房，为会所。项目设置集中冷源，制冷设备为电制冷冷水机组，系统冷负荷为 。原设计按常规制冷机房系统设计，机房主要设备配置见表。空调水系统采用一级泵（变频）变流量系统，两管制异程式，除餐厅、多功能室、大堂等区域采用全空气系统外，其余均采用风机盘管新风系统。室外气象参数采用 能耗模拟软件提供的青岛地区典型气象年数据，室内设计参数按 老年人照料设施建筑设计标准 执行，建筑围护结构热工性能参数满足当地 公共建筑节能设计标准 要求。表原设计制冷机房主要设备配置设备名称主要性能数量台备注定频螺杆式冷水机组制冷量：；冷水：，；冷却水：，；蒸 发冷 凝器 阻 力：；功 率：，；工作压力：国标 为 ，设计 为 ，（）为 ，（）为 冷水泵流量：，扬程：；功率：，；转速：，效率；工作压力：变频，互为备用冷却水泵流量：，扬程：；功率：，；转速：，效率；工作压力：定频，互为备用方形横流式冷却塔处理水量：，；功率：，双速风机根据以上设计参数，利用软件 对建筑物能耗进行模拟计算，设定空调起止日期为月日至月 日，得出该项目年耗冷量为 万，制冷机房设备累计总耗电量为 万，机房设备分项累计耗电量见表，制冷机房系统综合能效比（）为，计空调制冷暖通空调 年第 卷增刊算年运行费用为 万元，下文将以此作为基准建筑来评价不同技术措施的节能潜力及经济性。表基准建筑机房设备分项累计耗电量机房设备累计耗电量（万）定频螺杆式冷水机组 冷水泵 冷却水泵 方形横流式冷却塔 合计 技术措施应用分析合理选择高效机房系统设计的技术手段，是实现高效机房目标的前提条件。笔者总结归纳现有高效机房常用技术措施如下：）对项目冷负荷进行动态准确计算，根据项目的负荷特性，选择冷水机组性能曲线与负荷特性相适应的机组，确保系统在整个供冷周期内均高效运行；）合理优化设计参数，提高制冷设备的能效，减少输配系统能耗；）合理优化管网布置，选择低阻力部件，减小系统阻力，提升系统输送系数；）采用变频技术，减少冷水泵、冷却水泵、冷却塔等在部分负荷时的设备能耗；）优化控制策略，配备准确可靠的自控系统，指导设备按拟定控制策略高效运行等。下文将分别探讨以上技术措施在研究项目中的适用性。冷水设计参数优化分析对于冷源系统来说，增大冷水供回水温差，可减小循环水泵耗电量和管网管径。若减小冷水系统供水温度，会对冷水机组蒸发侧换热能力有一定的影响，降低机组制冷能效；若提高冷水系统回水温度，则影响末端空调设备的热湿处理能力，甚至需要增加末端的设备投资。所以，在确定供回水设计温度时，应详细分析项目的冷负荷特性，综合考虑节能和投资的关系确定温差数值。冷水温度变化时，室内风机盘管、新风机组等末端设备对室内热湿处理能力的计算分析可参考文献，本文受篇幅限制不再赘述。研究项目老年人居室夏季空调室内设计温度为，相对湿度为，新风量为 ，新风处理至室内等焓线，室内全热冷负荷 ，室内湿负荷 ，室内比焓 ，室内含湿量 ；新风处理后送入室内的状态点的比焓 ，含湿量 ，新风密度 。根据文献，计算室内热湿比 。当在一定的冷水供回水温度、水流量、进风参数、转速条件下，风机盘管的空气处理过程的热湿比 小于等于室内热湿比时，则可满足设计要求。某设备厂家提供的 号风机盘管中挡风量为，当冷水供回水温度为 时，两排管设备全冷量为 ，显冷量为 ，计算风机盘管热湿比 ，可满足室内除湿要求；当冷水供回水温度为 时，两排管设备全冷量为 ，显冷量为 ，计算风机盘管热湿比 ，不满足室内除湿要求，此时，需选用排管设备，有一定的增量成本。冷水温度对新风机组除湿能力的影响，亦可参照文献 计算。相对基准建筑，冷水供回水温差由 分别提高到和，由于冷水机组的能效受冷水供水温度影响较大，本研究供水温度均不变，忽略对冷水机组能效的影响。通过能耗模拟计算分析：当冷水供回水温度为 时，制冷机房的年耗电量为 万，与基准模型相比，年耗电量降低 ，年运行费用为 万元，降低 ；当冷水供回水温度为 时，制冷机房的年耗电量为 万，与基准模型相比，年耗电量降低 ，年运行费用为 万元，降低。温差设计，虽然运行费用有所降低，但考虑该方案需采用排管风机盘管，增量成本约为 万元，静态回收期约为，回收期较长，同时综合安装尺寸、设备噪声、末端阻力等因素影响，不推荐采用。冷却水设计参数优化分析冷却水供水温度的降低，可以降低冷水机组的冷凝温度，提高冷水机组的制冷性能系数，减少运行能耗。据实测，冷水机组冷却水温度每降低，机组额定工况下能效约提升。为此，可以采用降低冷却水供水温度的方式提高冷水机组能效。根据 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 第 条第款规定，电动压缩式冷水机组冷却水进出口温差不宜小于，设备厂家也提出该设计温差可以确保冷水机组冷凝侧所需的设计流量，有效保证冷凝侧换热效果，因此，冷却水供回水温差不建议做优化。目前工程设计中，冷却水设计参数基本都按国家标准 中的标准设计工况选用，该工况是基于湿球温度、逼近度、供回水温差 时冷却塔对冷却水的处理能力。而美国冷却塔协会 标准推荐较好的冷却水供水温度为湿球温度，即逼近度为，我国部分高效机房冷却塔逼近度按 选取，在实际运行中，达到了理论设计目标值，取得了较好的节能效果。因此从冷却塔的性能来说，冷却水的供水温度在有条件时可以适度的降低。本研究项目地处青岛，夏季空调设计湿球温度为，取逼近度为，供回水温差为，即冷却水供回水温度为 。优化前冷却水供回水温度为 ，设备性能参数见表。冷却水设计参数优化后，根据冷却塔性能特性曲线选型，选用额定工况下处理水量为 的冷却塔方可满足设计要求，该冷却塔风机功率为 台，共台。显然，逼近度减小后，冷却塔选型需要增大，增加了设备投资。由于冷却水供水温度由 优化至 ，降幅达，冷水机组的性能将有一定的提升。以某厂家 定频螺杆式冷水机组为例，当冷水供回水温度按基准建筑不变，冷却水优化前后，设计工况制冷性能系数 由 提升至 ，提升了，与前文描述吻合；而更接近反映冷水机组全年实际运行能效的非标准部分负荷性能暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷系数（）由 提升至 ，提升了，两者略有出入。为了更加科学准确地反映冷却水温度降低对系统全年能耗的影响，在系统能耗模拟计算过程中，将以能效提升作为计算依据。通过模拟计算分析，制冷机房累计年耗电量为 万，年节约电量 万，与基准模型相比，年耗电量降低 ；年运行费用为 万元，节约 万元，年运行费用降低 。考虑设备增量成本约 万元，静态回收期为 ，回收期较好。因此，在气候条件适宜的地区可以选用该方案。冷水机组优化设计选型如表计算结果所示，冷水机组的能耗约占整个制冷系统能耗的，由此可见，降低冷水机组能耗是提高制冷系统能效的有效途径。由于近年来制冷技术的不断发展，如磁悬浮、变频技术的运用，冷水机组的性能特别是部分负荷下的性能有了很大的提升，如图所示，某永磁同步变频螺杆式冷水机组在低负荷率下的性能曲线没有出现拐点，反而不断提升，与传统冷水机组相比有明显变化。图定频、变频螺杆式冷水机组性能曲线本文假定基准建筑冷水机组选型为方案选用种同型号定频螺杆式冷水机组；方案采用大小机搭配形式，选用台 定频螺杆式冷水机组和台 定频螺杆式冷水机组；方案选用台 同型号永磁同步变频螺杆式冷水机组。通过模拟计算分析，制冷机房运行能耗及费用见表。表种方案运行能耗及费用对比分析方案增量成本万元机房年累计耗电量（万）年节约耗电量（万）年耗电降低幅度年运行费用万元年节约运行费用万元静态回收期方案 方案 方案 计算结果表明，方案比方案年累计节约电量 万，能耗降低约 ，节能效果不明显。方案累计降低能耗 万，能耗降幅为 ，降幅明显；静态回收期为 ，回收期长。由于冷水机组的普遍寿命为 ，当其他技术手段难以达到设计目标时，应选用该方案。冷却水泵变频运行优化分析由于空调冷却水系统属于开式系统，冷却水泵扬程与体积流量的关系式为（）式中为静水压头，包括塔体扬程及喷嘴所需的静水压力；为管路阻抗。冷却水泵的轴功率为（）式中为冷却水的密度；为自由落体加速度；为水泵效率。以基准建筑冷却塔为例，该冷却水系统流量为 ，水泵扬程为，水泵效率为，塔体扬程为，喷嘴所需的静水压力为，假设水泵采用定温差变频运行（），当负荷降低至设计负荷的 时，冷却水量近似降低至设计流量的，即 。此时，水泵变频运行的电耗为，若采用定频运行，台水泵额定工况工作，电耗为，单纯从水泵运行能耗来看，节能率达 ，节能效果非常可观。根据相关文献，冷却水泵变频运行对冷水机组性能的影响关键是由于冷凝器出水温度高于定频运行所致，出水温度每升高，下降 左右。冷凝器进水温度受当地湿球温度及冷却塔性能的影响，变频与否基本变化不大，影响可以忽略不计。通过计算分析，研究项目在整个供冷季内冷水机组性能降低约，以下能耗计算分析中以此作为计算依据。通过能耗计算分析，制冷机房累计耗电量为 万，与基准模型比，年耗电量降低 。计算其年运行费用为 万元，年节约运行费用 万元，成本增加 万元，静态回收期为 ，回收期相对较短，在高效机房系统中应优先推荐应用。输配系统阻力优化分析以基准建筑为例，输配系统（含冷水、冷却水）的能耗约占整个制冷机房系统能耗的 ，采取措施减小输配系统阻力，对提高机房系统能效亦有一定效果。空调水系统的阻力包括局部阻力和沿程阻力，局部阻力主要包括：冷水机组、末端空调设备、调节阀门、管道过滤器、止回阀、弯头、三通等的阻力，沿程阻力主要为流体在直管段流动时与管壁之间的摩擦阻力。常规冷水机组中冷凝器额定工况下局部阻力通常为 ，蒸发器局部阻力通常为 ，如本项目原设计中冷水机组冷凝器阻力为 ，蒸发器阻力为 ，分别占冷却水、冷水系统阻力的 、，在水系统阻力中占比较大。通过与设备厂家沟通，采用增加冷凝器、蒸发器的回程数量，或选用更大容量的冷凝器、蒸发器，可以将冷凝器、蒸发器的局部阻力分别控制在、以下。空调水系统中各类阀门种类较多，主要分为关断型和调节型两大类。关断型阀门宜选用局部阻力小、关闭性能好的阀门；调节型阀门需根据调节支路阻力大小，根据阀权空调制冷暖通空调 年第 卷增刊度要求合理设计选型。型过滤器作为空调水系统中的常用设备，受不锈钢滤网面积限制，阻力较大，通常为 ，且不利于维护。为了降低管路系统阻力，需从增大管径，增加过滤网的面积、适当增大过滤孔径，便于维护等方面入手，选择合适的过滤器。如自动（手动）反冲洗除污器，按孔径 目、过滤器管径比管道直径大一号选用，其阻力可以控制在 以下，且便于维护。管道系统阻力包括管道沿程阻力及弯头、三通等的局部阻力，可以从这两方面入手，减少管道阻力。一方面，应该优化管道布置，尽量缩短管道敷设长度，同时应控制最不利环路比摩阻不宜过大，建议在 以下，减小系统沿程阻力；另一方面要想法设法减少管道系统的局部阻力，如采用 弯头代替 弯头、斜三通连接以减小管道局部阻力。研究项目采用以上减阻措施前后的系统阻力见表。表冷水、冷却水系统优化前后系统阻力对比原设计系统阻力 优化后系统阻力 优化后阻力降幅冷水 冷却水 通过模拟计算，机房累计耗电量为 万，与基准模型相比，年耗电量降低。计算其年运行费用为 万元，年节约运行费用 万元，成本增加约 万元，静态回收期为，回收期较短，在高效机房系统中应优先采用该技术措施。优化冷却塔运行控制策略在常规空调水系统中，在部分负荷时，冷却塔常与冷水机组对应启停控制，冷却塔风机根据设定冷却水温度变频运行，具备一定的节能效果。如前所述，冷却塔具备变流量运行的能力，冷却塔与冷水机组不一定要一对一连锁控制运行，完全可以充分利用冷却塔填料的换热面积，让风机在更低的频率下运行，下面通过改变运行策略的方法，进一步挖掘冷却塔风机变频运行的节能潜力。以基准建筑的冷却塔为例，原设计选用台横流冷却塔，额定处理水量为 ，风机电量为。根据厂家提供的冷却塔与风机风量的热力特性曲线，计算出不同频率下风机电量及热力性能的变化，如表所示。表不同频率下风机电量与热力特性风机运行频率 风机功率 热力性能 注：）为克服填料阻力，建议风机频率不应低于 ；）不同频率下热力性能由设备厂家提供。通过表不难发现，随着风机频率的降低，风机功率及热力性能均会下降，但功率的下降幅度明显高于冷却塔冷却能力的下降幅度。因此，在保证总冷却塔能力一定的情况下，多台在最低频率 下运行比高频率运行更节能。表列出了基准建筑台冷却塔并联运行时，不同频率下总功率与热力性能的关系。当开启台主机对应台冷却塔满负荷运行时，台冷却塔风机频率 运行，总运行功率为；当台主机对应台冷却塔运行时，每台冷却塔风机频率 运行，总运行功率为 ，风机总功率降低了 ，热力性能提高了 。表台冷却塔并联不同频率与功率、热力性能的关系风机运行频率 台台台功率热力性能功率热力性能功率热力性能 利用上述原理，对基准建筑的冷却塔进行运行策略优化，制冷机房累计年耗电量为 万，与基准建筑相比，年耗电量降低 万，且该技术措施基本无增量成本，因此，应推荐采用。高效机房技术优选建议通过以上对高效机房常用技术措施的节能潜力及经济性分析，汇总如表所示。从投资回收期及节能潜力综合因素来看，在高效机房技术措施中优先推荐的先后顺序为：）合理优化冷水设计参数；）优化冷却塔运行控制策略；）冷却水泵变频运行；）优化输配系统阻力（不涉及设备定制时，基本无增量成本，应优先采用）；）优化冷却水设计参数；）变频高效冷水机组应用。就研究项目而言，根据以上推荐技术方法，初步选定技术路径，以一次投资最低并满足不同高效机房能效等级为目标，进行模拟耦合计算，提出相应的解决方案。当设计目标为级能效时，可选用）、）等项技术措施，设计能效为（大于），满足规定要求；当设计目标为级能效时，选用前项措施已不能满足设计要求，需选用高效冷水机组实现系统高效的目标，本项目选用）、）等项技术措施，设计能效为（大于），满足规定要求；当设计目标为级能效时，除选用级能效采用的技术措施外，尚应增加）、），共项技术措施，设计能效为（大于），方能满足规定要求。以上种能效等级的技术方案的技术经济指标见表。从表不难发现，随着高效机房能效水平的提高，一次投资费用也相应增加，且回收期也更长。结论）合理优化冷水设计参数及优化冷却塔运行控制策略，可以提高系统能效且无增量成本，在高效机房系统设计中应优先采用；）冷却水泵变频运行，综合考虑对机组运行能效的不暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷表高效机房常用技术节能潜力及经济性分析汇总优化措施运行工况增量成本万元机房年累计耗电量（万）年节约耗电量（万）年耗电降低幅度年运行费用万元年节约运行费用万元年运行费用降低幅度静态回收期优化冷水参数冷水，冷却水 优化冷却水参数冷水，冷却水 永磁同步变频螺杆式冷水机组冷水，冷却水 冷却水泵变频运行冷水，冷却水 优化输配系统阻力冷水，冷却水 优化冷却塔运行控制策略冷水，冷却水 表种能效等级的技术方案的技术经济指标汇总目标能效等级推荐措施编号设计能效值 增量成本万元机房年累计耗电量（万）年节约耗电量（万）年运行费用万元年节约运行费用万元静态回收期级）、）级）、）级）利影响，系统整体节能效果显著，回收期仅 ，应推广应用；）优化输配系统阻力，可以大幅降低循环水泵的能耗，但涉及冷水机组等设备的定制需要，有一定的增量成本，回收期为，经济性较好，在系统设计时可以选用，若不采用定制设备，基本无增量成本，应优先采用；）结合项目所在地气候条件，优化冷却水设计参数，可以提高系统运行能效，在气候适宜地区通过经济技术分析后可以选用；）在追求高能效等级系统设计时，需选用部分负荷性能优越的冷水机组（如变频冷水机组、磁悬浮冷水机组等）方可实现设计目标；）随着高效机房能效等级的提高，一次投资费用增加显著，回收期延长，应合理制定设计目标。需要特别说明的是，以上结论均基于研究模型计算得到，项目类型不同、所处地理位置不同，各项技术措施的节能潜力和经济性也有差异，在高效机房系统的设计中，应以目标为导向，利用性能化的设计方法，通过经济技术比较，选择合理的技术方案作为实现高效制冷机房系统设计的最佳技术路径，真正达到技术适宜、成本可控、经济效益良好的目标。参考文献：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告 北 京：中 国 建 筑 工 业 出 版 社，：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告 北 京：中 国 建 筑 工 业 出 版 社，：中国工程建设标准化协会高效制冷机房技术规程：北京：中国建筑工业出版社，：马最良，姚杨民用建筑空调设计 版北京：化学工业出版社，：闫佳佳，李永安，刘学来空调冷源温度与冷水机组的能效低温建筑技术，（）：李苏泷集中空调冷却水变流量问题辨析 暖通空调，（）：钱辉，王健集中空调冷却水变流量问题讨论制冷空调与电力机械，（）：空调制冷暖通空调 年第 卷增刊