基于高效制冷機房系統能效分級評價的冷源系統模型構建

廣州市設計院集團有限公司 譚海陽 屈國倫 何恒釗 黃冬娜 姜少華 林 輝 李 翔

0 引言

我國建筑能耗總量逐年上升，建筑運行能耗約占全國社會能耗的22%[1]，推動建筑節能有節約資源、保護環境、促進經濟社會可持續發展等重要意義。集中空調系統能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%～60%[2-3]，而制冷機房系統(冷水機組、水泵、冷卻塔等)的能耗占集中空調系統能耗的50%～80%[3]，顯然，制冷機房系統的能效高低、是否節能運行是決定建筑節能減排工作成效的重要因素。

國家發展改革委、工業和信息化部、住房城鄉建設部等七部委于2019年6月13日聯合印發了《綠色高效制冷行動方案》，該行動方案的主要目標之一為：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。

基于以上背景，筆者所在單位向中國勘察設計協會建筑環境與能源應用分會申請編制團體標準《高效集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》(以下簡稱本標準)，本文對本標準中采用的冷源系統模型構建方法進行介紹。

為促進集中空調系統制冷能效的提升，擬對其能效指標進行分級評價，同時分級評價值的確定需體現可行性、合理性和引導性等原則，故本標準對能效評價等級從低到高分為三級、二級、一級、領跑級，基本的劃分原則如下。

三級：各主要用能設備滿足現行節能標準的基本規定，合理選用變頻水泵、冷卻塔，采用高效制冷機房的控制邏輯(包括冷水機組高效區優先策略，冷水、冷卻水變流量控制，末端水量按需供給策略，冷卻塔變流量控制，冷卻塔風機變頻控制等)，并加入理論模型中未考慮的能效偏差因素修正，在此條件下，實際可達到的全年運行能效比，可視為高效制冷機房的入門等級。

二級：在三級要求的基礎上，冷水機組參數達到GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》表7.2.5中得5分的要求，提高各用能設備能效，合理選用變頻主機，降低系統水阻力，在此條件下，實際可達到的全年運行能效比，可視為高效制冷機房的良好等級。

一級：在二級要求的基礎上，冷水機組參數達到GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》表7.2.5中得10分的要求，進一步提高各用能設備能效，全面選用變頻主機，進一步降低系統水阻力，在此條件下，實際可達到的全年運行能效比，可視為高效制冷機房的優秀等級。

領跑級：基于超低能耗、近零/零能耗建筑的能耗要求及國家雙碳目標的背景，考慮一定的引領和鼓勵作用，在一級要求的基礎上，選用市場主要廠家的冷水機組、水泵、冷卻塔等產品中能效最優的設備，在此條件下，實際可達到的全年運行能效比，可視為高效制冷機房在現階段可達到的行業領先等級，可成為實現“碳達峰、碳中和”目標的快速技術通道。

針對不同能效評價等級，構建不同的模型進行預測分析。以下從系統及各主要用能設備進行分析簡介。

1 冷源系統設計

1.1 系統冷負荷選取

1.1.1設計冷負荷

不同體量建筑對應的空調系統冷負荷不同，空調冷源系統裝機容量也不同。一般來說，小系統對應的冷源設備能效低于大系統的設備能效，因此為同時兼顧并區別對待，擬分為大小2個系統的能效評價指標體系。

參照國內大型公共建筑的定義，考慮建筑面積為2萬m2，對不同氣候分區不同類型建筑(辦公、酒店、商業、醫院等)進行負荷估算，得出設計空調冷負荷在1 200～3 100 kW(350～900 rt)范圍內。新加坡相關規范對高效制冷機房系統能效等級的劃分是按冷量1 759 kW(500 rt)為界進行差異評價；廣東省地方標準DBJ/T 15-129—2017《集中空調制冷機房系統能效監測及評價標準》的評價冷量范圍同新加坡劃分方式一致，同樣以1 759 kW(500 rt)為界。

故考慮大型公共建筑設計冷負荷范圍，匹配大型公共建筑節能要求，以及國內外已有相關規范的劃分方式，以1 759 kW(500 rt)為界，分別進行能效評價，結合實際項目冷量特點及主機能效特點，1 759 kW(500 rt)以下負荷段選取1 583 kW(450 rt)為典型冷負荷值，1 759 kW(500 rt)以上負荷段選取7 034 kW(2 000 rt)為典型冷負荷值(此時系統中往往同時包括離心機和螺桿機，并且對于更大規模的項目，主機容量進一步加大帶來的能效提升并不明顯，故選取7 034 kW(2 000 rt)作為制冷量大于1 759 kW(500 rt)項目的代表，系統可合理配置離心機加螺桿機的組合，契合較大體量建筑制冷系統的特征)。

1.1.2全年冷負荷

除考慮設計負荷對制冷機房系統能效的影響外，不同業態建筑物(酒店、商業、辦公、醫院等)的全年冷負荷特點不一樣，本標準對此也有考慮，通過分別建立不同業態建筑負荷模型進行全年計算，分別模擬，以明確其影響大小。

1.2 冷源系統設計

1.2.1水系統形式

從節能高效及常規項目典型應用情況考慮，采用冷水一級泵變頻變流量系統、冷卻水變流量系統進行建模，冷水泵不包含二次側水泵，但對于實際的二級泵系統項目，能效比計算時則應包括二級泵能耗。

1.2.2冷水機組配置

根據1.1.1節，將1 583 kW(450 rt)對應的系統稱為小系統，7 034 kW(2 000 rt)對應的系統稱為大系統。根據規范，集中空調系統的冷水機組臺數不宜少于2臺，且臺數及單機制冷量的選擇應能適應空調負荷全年變化規律[4]，此外，主機在不同負荷率下存在高效、非高效運行區間之分，主機的配置應保證在全年制冷季不同負荷工況下，均可在設備的高效區間運行，故冷源主機的選型按大小機組搭配，其中小系統選用兩大一小，大系統選用兩大兩小，具體選型見表1。

表1 冷水機組選型

通過大小主機搭配，可滿足在制冷季不同負荷率下，主機基本均在高效區間運行(根據GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》，對于主機來說，528 kW(150 rt)以下、528～1 163 kW(150～330 rt)、1 163～2 110 kW(330～600 rt)、2 110 kW(600 rt)以上4個冷量區間段，COP要求依次提高，但對同一區間段內不同冷量的機組COP要求一樣，故系統主機搭配除了考慮設計工況COP性能外，還需考慮單機負荷率盡量在高效運行區間)。

2 冷水機組

影響冷水機組及其系統能耗的主要設備參數有制冷性能系數COP、冷水溫度、冷卻水溫度、蒸發器水阻力、冷凝器水阻力、變流量范圍、機組類型(變頻與否、磁懸浮機組)等，以下分別就本標準的分級評價及相關規范要求進行分析。

2.1 冷水機組COP要求

對冷水機組制冷性能系數COP提出相關要求的標準如下。

GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》第4.2.10條，針對不同冷水機組類型、不同名義制冷量、不同氣候分區下的COP給出了節能限值要求，且對變頻機組的COP進行了基于定頻機組0.93～0.95的修正。

GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能效等級》規定了電制冷冷水機組COP和IPLV的能效限定值、能效等級、節能評價值等，提出了冷水機組1級、2級、3級分級，其中3級為能效限定值，2級為節能評價值。對于能效限定值，COP和IPLV2個指標均需滿足；對于節能評價值，其中一個滿足要求即可。

GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》第7.2.5條對冷水機組制冷性能系數COP基于GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的提升分6%和12% 2擋，綠色建筑評分時可分別得5分、10分。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》第6.2.6條對近零能耗建筑中的冷水機組技術參數做了要求，機組COP應滿足1級能效要求。

綜合以上要求，考慮到本標準的適用性，希望可以具備從鼓勵到推薦到引導的多層次應用需求，確定冷水機組COP選型原則如表2所示。

2.2 冷水機組水溫

本標準作為基本評價標準，冷水系統水溫選為應用較多的常規名義工況要求的7 ℃/12 ℃，實際應用中鼓勵通過大溫差、提高冷水出水溫度等節能設計措施進一步提高系統能效；冷卻水溫度與所在地區夏季設計濕球溫度、冷卻塔選型有關，此處僅約定冷卻水供回水溫差為5 ℃，具體溫度見第4章。

2.3 冷水機組水阻力

不同廠家、不同型號冷水機組蒸發器、冷凝器的水阻力差異較大，從30～120 kPa均有，而機組水阻力對系統能效的影響主要體現在水泵揚程上，水阻力越大，水泵揚程越高，水泵輸送能耗越高。另一方面，水阻力對機組造價也有一定影響，降低機組水阻力，機組造價會隨之提高。因此，綜合節能性和經濟性，對不同能效等級要求選用不同的主機水阻力，具體見表2。

2.4 冷水機組類型

目前市面上冷水機組設備類型有定頻螺桿機組、定頻離心機組、變頻(直驅)螺桿機組、變頻(直驅)離心機組、磁懸浮離心機組等，對于變頻、定頻機組，除名義工況下COP對系統能效有影響外，部分負荷下的影響也需要考慮，特別是在低壓比工況下，變頻機組COP更高，且隨著技術的進步，變頻機組名義工況下的COP也越來越高，可實現雙工況(設計工況、部分負荷工況)高效運行。對不同能效等級選用不同的主機類型，具體見表2。

2.5 冷水機組變流量范圍

為滿足水泵變流量節能運行，一級泵系統要求主機可變流量運行?？勺兞髁窟\行的范圍越大，水泵的運行越節能。

2.6 冷水機組選型原則

綜上，針對本標準的分級評價要求，冷水機組分級選型原則見表2。

3 水泵

影響水泵能耗的參數有水泵流量、水泵揚程和水泵效率，根據2.2節，冷水供回水溫差、冷卻水供回水溫差均按5 ℃考慮，水泵流量的選取不作進一步討論，直接按冷量、散熱量與對應溫差計算，僅分析水泵揚程和效率的選取原則，同時水泵均按變頻考慮。

3.1 水泵揚程

水泵揚程根據管網阻力、設備阻力、閥件阻力確定。

管網阻力參照類似體量的項目阻力選取，小系統、大系統供回水最不利環路長度分別按400、680 m左右進行估算，能效要求高的系統按低阻力管網優化設計，管網阻力取值見表3、4。

表3 冷水泵揚程計算取值

表4 冷卻水泵揚程計算取值

設備阻力主要包括冷水機組水阻力、空調末端水阻力、冷卻塔阻力。其中冷水機組水阻力按表2選??；不同廠家的空調末端水阻力范圍一般為20～100 kPa，考慮節能性及實際項目案例取40～50 kPa，能效等級越高，空調末端水阻力要求越低，水力控制閥阻力與空調末端水阻力一并考慮，見表3；冷卻塔塔體阻力與冷卻塔的處理水量、冷幅(冷卻塔出水溫度與環境空氣濕球溫度之差)有關，根據廠家設備資料選取。設備阻力取值見表3、4。

閥件主要指水過濾器、止回閥，不同類型或要求下過濾器和止回閥的水阻力不同，范圍可達2～30 kPa，本標準根據不同的能效等級要求確定水阻力，見表3、4。

3.2 水泵效率

GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》和GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》對水泵效率通過“空調冷(熱)水系統耗電輸冷(熱)比[EC(H)R-a]”結合揚程、溫差、管長等方面進行了約束；GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》則進一步對EC(H)R-a做了要求，如降低20%可得節能評價分。GB 19762—2007《清水離心泵能效限定值及節能評價值》從產品本身的節能性對水泵效率做出了要求，即目標能效限定值、節能評價值等。結合以上標準規范要求，不同評級下水泵效率的選取原則見表5。

4 冷卻塔

因冷卻水溫度對冷水機組能效影響較大，故冷卻塔對制冷機房系統能效的影響包括其自身設備能耗的影響，以及對冷卻水溫度的影響，因此本標準從冷卻塔能耗和冷卻塔出水溫度兩方面分析各參數選取。

4.1 冷卻塔能耗

表5 水泵效率取值原則

4.1.1能效要求

根據GB/T 7190.1—2018《機械通風冷卻塔 第1部分：中小型開式冷卻塔》，冷卻塔能效按標準工況下的耗電比分為1～5級，1級最節能，見表6。

4.1.2變頻要求

為進一步降低風機能耗，冷卻塔風機應采用變頻控制。

4.2 冷卻塔出水溫度

4.2.1冷幅要求

冷幅即為冷卻塔出水溫度與環境空氣濕球溫度之差，冷幅越小，冷卻塔出水溫度越低，對于主機來說則COP越高、越節能。冷卻塔風機能耗占制冷機房系統能耗比例不高，但對系統能效影響較大，因此可通過適當加大冷卻塔散熱面積、減小冷幅，提升系統能效。

4.2.2變流量要求

空調系統中，各設備對應的裝機容量是根據設計工況下的冷負荷要求而確定的，實際運行時，大部分時間處于部分負荷下運行。對于冷卻塔來說，在部分負荷下存在多余的冷卻塔，如可利用此部分冷卻塔，則可既降低冷卻塔出水溫度，又不增加甚至降低冷卻塔風機能耗。此時則要求冷卻塔具有變流量功能，確保在部分流量下布水均勻，確保散熱效果。根據不同能效比等級要求，模型對變流量范圍要求有所不同，見表7。

4.3 冷卻塔選型原則

綜上，針對本標準的分級評價要求，冷卻塔分級選型原則見表7。

5 高效制冷機房系統能效分級評價值

基于以上分級模型，經過預測模擬、分析規整，得出高效制冷機房系統能效分級評價標準，見表8、9。

表8 高效制冷機房系統能效等級最低要求(制冷系統額定制冷量≥1 758 kW)

表9 高效制冷機房系統能效等級最低要求(制冷系統額定制冷量<1 758 kW)

表8、9為基于不同系統制冷量、不同氣候分區、不同城市濕球溫度特點等得出的高效制冷機房系統對應不同能效等級的數值，當滿足對應數值時，即可認為該系統達到對應的能效評價等級。

鑒于篇幅，數據的處理分析將另外撰文具體介紹。

6 結論

1) 制冷機房系統評價分級要求從低到高分為三級、二級、一級、領跑級。

2) 根據制冷機房系統評價分級要求，并體現能效指標的可行性、合理性和引導性，基于暖通專業相關規范標準、主流設備廠家參數及實際高效機房項目經驗，提出了系統冷負荷為1 583 kW(450 rt)和7 034 kW(2 000 rt)的大小2個系統模型，明確了模型中冷源水系統形式及冷水機組、水泵、冷卻塔各設備參數中影響系統能效的參數選型原則，從冷水機組的COP、水阻力、水溫、機型，水泵的揚程、效率，冷卻塔的能效、變頻、冷幅、變流量等方面考慮，確保了模型的合理建立。

3) 通過模擬預測、分析規整，獲得了全國主要城市不同制冷量下的高效制冷機房系統的能效分級評價值。