基于高效制冷機(jī)房系統(tǒng)能效分級(jí)評(píng)價(jià)的冷源系統(tǒng)模型構(gòu)建

廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yùn)行能耗約占全國社會(huì)能耗的22%[1]，推動(dòng)建筑節(jié)能有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等重要意義。集中空調(diào)系統(tǒng)能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%～60%[2-3]，而制冷機(jī)房系統(tǒng)(冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等)的能耗占集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的50%～80%[3]，顯然，制冷機(jī)房系統(tǒng)的能效高低、是否節(jié)能運(yùn)行是決定建筑節(jié)能減排工作成效的重要因素。

國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等七部委于2019年6月13日聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》，該行動(dòng)方案的主要目標(biāo)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(shè)計(jì)協(xié)會(huì)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用分會(huì)申請(qǐng)編制團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《高效集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱本標(biāo)準(zhǔn))，本文對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)中采用的冷源系統(tǒng)模型構(gòu)建方法進(jìn)行介紹。

為促進(jìn)集中空調(diào)系統(tǒng)制冷能效的提升，擬對(duì)其能效指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，同時(shí)分級(jí)評(píng)價(jià)值的確定需體現(xiàn)可行性、合理性和引導(dǎo)性等原則，故本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)能效評(píng)價(jià)等級(jí)從低到高分為三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)、領(lǐng)跑級(jí)，基本的劃分原則如下。

三級(jí)：各主要用能設(shè)備滿足現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)定，合理選用變頻水泵、冷卻塔，采用高效制冷機(jī)房的控制邏輯(包括冷水機(jī)組高效區(qū)優(yōu)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(fēng)機(jī)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(shí)際可達(dá)到的全年運(yùn)行能效比，可視為高效制冷機(jī)房的入門等級(jí)。

二級(jí)：在三級(jí)要求的基礎(chǔ)上，冷水機(jī)組參數(shù)達(dá)到GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》表7.2.5中得5分的要求，提高各用能設(shè)備能效，合理選用變頻主機(jī)，降低系統(tǒng)水阻力，在此條件下，實(shí)際可達(dá)到的全年運(yùn)行能效比，可視為高效制冷機(jī)房的良好等級(jí)。

一級(jí)：在二級(jí)要求的基礎(chǔ)上，冷水機(jī)組參數(shù)達(dá)到GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》表7.2.5中得10分的要求，進(jìn)一步提高各用能設(shè)備能效，全面選用變頻主機(jī)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)水阻力，在此條件下，實(shí)際可達(dá)到的全年運(yùn)行能效比，可視為高效制冷機(jī)房的優(yōu)秀等級(jí)。

領(lǐng)跑級(jí)：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(biāo)的背景，考慮一定的引領(lǐng)和鼓勵(lì)作用，在一級(jí)要求的基礎(chǔ)上，選用市場(chǎng)主要廠家的冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等產(chǎn)品中能效最優(yōu)的設(shè)備，在此條件下，實(shí)際可達(dá)到的全年運(yùn)行能效比，可視為高效制冷機(jī)房在現(xiàn)階段可達(dá)到的行業(yè)領(lǐng)先等級(jí)，可成為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的快速技術(shù)通道。

針對(duì)不同能效評(píng)價(jià)等級(jí)，構(gòu)建不同的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。以下從系統(tǒng)及各主要用能設(shè)備進(jìn)行分析簡介。

1 冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)冷負(fù)荷選取

1.1.1設(shè)計(jì)冷負(fù)荷

不同體量建筑對(duì)應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷不同，空調(diào)冷源系統(tǒng)裝機(jī)容量也不同。一般來說，小系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的冷源設(shè)備能效低于大系統(tǒng)的設(shè)備能效，因此為同時(shí)兼顧并區(qū)別對(duì)待，擬分為大小2個(gè)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

參照國內(nèi)大型公共建筑的定義，考慮建筑面積為2萬m2，對(duì)不同氣候分區(qū)不同類型建筑(辦公、酒店、商業(yè)、醫(yī)院等)進(jìn)行負(fù)荷估算，得出設(shè)計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷在1 200～3 100 kW(350～900 rt)范圍內(nèi)。新加坡相關(guān)規(guī)范對(duì)高效制冷機(jī)房系統(tǒng)能效等級(jí)的劃分是按冷量1 759 kW(500 rt)為界進(jìn)行差異評(píng)價(jià)；廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-129—2017《集中空調(diào)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)冷負(fù)荷范圍，匹配大型公共建筑節(jié)能要求，以及國內(nèi)外已有相關(guān)規(guī)范的劃分方式，以1 759 kW(500 rt)為界，分別進(jìn)行能效評(píng)價(jià)，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目冷量特點(diǎn)及主機(jī)能效特點(diǎn)，1 759 kW(500 rt)以下負(fù)荷段選取1 583 kW(450 rt)為典型冷負(fù)荷值，1 759 kW(500 rt)以上負(fù)荷段選取7 034 kW(2 000 rt)為典型冷負(fù)荷值(此時(shí)系統(tǒng)中往往同時(shí)包括離心機(jī)和螺桿機(jī)，并且對(duì)于更大規(guī)模的項(xiàng)目，主機(jī)容量進(jìn)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(xiàng)目的代表，系統(tǒng)可合理配置離心機(jī)加螺桿機(jī)的組合，契合較大體量建筑制冷系統(tǒng)的特征)。

1.1.2全年冷負(fù)荷

除考慮設(shè)計(jì)負(fù)荷對(duì)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效的影響外，不同業(yè)態(tài)建筑物(酒店、商業(yè)、辦公、醫(yī)院等)的全年冷負(fù)荷特點(diǎn)不一樣，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此也有考慮，通過分別建立不同業(yè)態(tài)建筑負(fù)荷模型進(jìn)行全年計(jì)算，分別模擬，以明確其影響大小。

1.2 冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1水系統(tǒng)形式

從節(jié)能高效及常規(guī)項(xiàng)目典型應(yīng)用情況考慮，采用冷水一級(jí)泵變頻變流量系統(tǒng)、冷卻水變流量系統(tǒng)進(jìn)行建模，冷水泵不包含二次側(cè)水泵，但對(duì)于實(shí)際的二級(jí)泵系統(tǒng)項(xiàng)目，能效比計(jì)算時(shí)則應(yīng)包括二級(jí)泵能耗。

1.2.2冷水機(jī)組配置

根據(jù)1.1.1節(jié)，將1 583 kW(450 rt)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)稱為小系統(tǒng)，7 034 kW(2 000 rt)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)稱為大系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范，集中空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)不宜少于2臺(tái)，且臺(tái)數(shù)及單機(jī)制冷量的選擇應(yīng)能適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷全年變化規(guī)律[4]，此外，主機(jī)在不同負(fù)荷率下存在高效、非高效運(yùn)行區(qū)間之分，主機(jī)的配置應(yīng)保證在全年制冷季不同負(fù)荷工況下，均可在設(shè)備的高效區(qū)間運(yùn)行，故冷源主機(jī)的選型按大小機(jī)組搭配，其中小系統(tǒng)選用兩大一小，大系統(tǒng)選用兩大兩小，具體選型見表1。

表1 冷水機(jī)組選型

通過大小主機(jī)搭配，可滿足在制冷季不同負(fù)荷率下，主機(jī)基本均在高效區(qū)間運(yùn)行(根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)于主機(jī)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(gè)冷量區(qū)間段，COP要求依次提高，但對(duì)同一區(qū)間段內(nèi)不同冷量的機(jī)組COP要求一樣，故系統(tǒng)主機(jī)搭配除了考慮設(shè)計(jì)工況COP性能外，還需考慮單機(jī)負(fù)荷率盡量在高效運(yùn)行區(qū)間)。

2 冷水機(jī)組

影響冷水機(jī)組及其系統(tǒng)能耗的主要設(shè)備參數(shù)有制冷性能系數(shù)COP、冷水溫度、冷卻水溫度、蒸發(fā)器水阻力、冷凝器水阻力、變流量范圍、機(jī)組類型(變頻與否、磁懸浮機(jī)組)等，以下分別就本標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)評(píng)價(jià)及相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行分析。

2.1 冷水機(jī)組COP要求

對(duì)冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)COP提出相關(guān)要求的標(biāo)準(zhǔn)如下。

GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.2.10條，針對(duì)不同冷水機(jī)組類型、不同名義制冷量、不同氣候分區(qū)下的COP給出了節(jié)能限值要求，且對(duì)變頻機(jī)組的COP進(jìn)行了基于定頻機(jī)組0.93～0.95的修正。

GB 19577—2015《冷水機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定了電制冷冷水機(jī)組COP和IPLV的能效限定值、能效等級(jí)、節(jié)能評(píng)價(jià)值等，提出了冷水機(jī)組1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)分級(jí)，其中3級(jí)為能效限定值，2級(jí)為節(jié)能評(píng)價(jià)值。對(duì)于能效限定值，COP和IPLV2個(gè)指標(biāo)均需滿足；對(duì)于節(jié)能評(píng)價(jià)值，其中一個(gè)滿足要求即可。

GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第7.2.5條對(duì)冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)COP基于GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的提升分6%和12% 2擋，綠色建筑評(píng)分時(shí)可分別得5分、10分。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.6條對(duì)近零能耗建筑中的冷水機(jī)組技術(shù)參數(shù)做了要求，機(jī)組COP應(yīng)滿足1級(jí)能效要求。

綜合以上要求，考慮到本標(biāo)準(zhǔn)的適用性，希望可以具備從鼓勵(lì)到推薦到引導(dǎo)的多層次應(yīng)用需求，確定冷水機(jī)組COP選型原則如表2所示。

2.2 冷水機(jī)組水溫

本標(biāo)準(zhǔn)作為基本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，冷水系統(tǒng)水溫選為應(yīng)用較多的常規(guī)名義工況要求的7 ℃/12 ℃，實(shí)際應(yīng)用中鼓勵(lì)通過大溫差、提高冷水出水溫度等節(jié)能設(shè)計(jì)措施進(jìn)一步提高系統(tǒng)能效；冷卻水溫度與所在地區(qū)夏季設(shè)計(jì)濕球溫度、冷卻塔選型有關(guān)，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(jī)組水阻力

不同廠家、不同型號(hào)冷水機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器的水阻力差異較大，從30～120 kPa均有，而機(jī)組水阻力對(duì)系統(tǒng)能效的影響主要體現(xiàn)在水泵揚(yáng)程上，水阻力越大，水泵揚(yáng)程越高，水泵輸送能耗越高。另一方面，水阻力對(duì)機(jī)組造價(jià)也有一定影響，降低機(jī)組水阻力，機(jī)組造價(jià)會(huì)隨之提高。因此，綜合節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)不同能效等級(jí)要求選用不同的主機(jī)水阻力，具體見表2。

2.4 冷水機(jī)組類型

目前市面上冷水機(jī)組設(shè)備類型有定頻螺桿機(jī)組、定頻離心機(jī)組、變頻(直驅(qū))螺桿機(jī)組、變頻(直驅(qū))離心機(jī)組、磁懸浮離心機(jī)組等，對(duì)于變頻、定頻機(jī)組，除名義工況下COP對(duì)系統(tǒng)能效有影響外，部分負(fù)荷下的影響也需要考慮，特別是在低壓比工況下，變頻機(jī)組COP更高，且隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻機(jī)組名義工況下的COP也越來越高，可實(shí)現(xiàn)雙工況(設(shè)計(jì)工況、部分負(fù)荷工況)高效運(yùn)行。對(duì)不同能效等級(jí)選用不同的主機(jī)類型，具體見表2。

2.5 冷水機(jī)組變流量范圍

為滿足水泵變流量節(jié)能運(yùn)行，一級(jí)泵系統(tǒng)要求主機(jī)可變流量運(yùn)行?？勺兞髁窟\(yùn)行的范圍越大，水泵的運(yùn)行越節(jié)能。

2.6 冷水機(jī)組選型原則

綜上，針對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)評(píng)價(jià)要求，冷水機(jī)組分級(jí)選型原則見表2。

3 水泵

影響水泵能耗的參數(shù)有水泵流量、水泵揚(yáng)程和水泵效率，根據(jù)2.2節(jié)，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(jìn)一步討論，直接按冷量、散熱量與對(duì)應(yīng)溫差計(jì)算，僅分析水泵揚(yáng)程和效率的選取原則，同時(shí)水泵均按變頻考慮。

3.1 水泵揚(yáng)程

水泵揚(yáng)程根據(jù)管網(wǎng)阻力、設(shè)備阻力、閥件阻力確定。

管網(wǎng)阻力參照類似體量的項(xiàng)目阻力選取，小系統(tǒng)、大系統(tǒng)供回水最不利環(huán)路長度分別按400、680 m左右進(jìn)行估算，能效要求高的系統(tǒng)按低阻力管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，管網(wǎng)阻力取值見表3、4。

表3 冷水泵揚(yáng)程計(jì)算取值

表4 冷卻水泵揚(yáng)程計(jì)算取值

設(shè)備阻力主要包括冷水機(jī)組水阻力、空調(diào)末端水阻力、冷卻塔阻力。其中冷水機(jī)組水阻力按表2選??；不同廠家的空調(diào)末端水阻力范圍一般為20～100 kPa，考慮節(jié)能性及實(shí)際項(xiàng)目案例取40～50 kPa，能效等級(jí)越高，空調(diào)末端水阻力要求越低，水力控制閥阻力與空調(diào)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(huán)境空氣濕球溫度之差)有關(guān)，根據(jù)廠家設(shè)備資料選取。設(shè)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(dá)2～30 kPa，本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的能效等級(jí)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(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)水泵效率通過“空調(diào)冷(熱)水系統(tǒng)耗電輸冷(熱)比[EC(H)R-a]”結(jié)合揚(yáng)程、溫差、管長等方面進(jìn)行了約束；GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》則進(jìn)一步對(duì)EC(H)R-a做了要求，如降低20%可得節(jié)能評(píng)價(jià)分。GB 19762—2007《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》從產(chǎn)品本身的節(jié)能性對(duì)水泵效率做出了要求，即目標(biāo)能效限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值等。結(jié)合以上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，不同評(píng)級(jí)下水泵效率的選取原則見表5。

4 冷卻塔

因冷卻水溫度對(duì)冷水機(jī)組能效影響較大，故冷卻塔對(duì)制冷機(jī)房系統(tǒng)能效的影響包括其自身設(shè)備能耗的影響，以及對(duì)冷卻水溫度的影響，因此本標(biāo)準(zhǔn)從冷卻塔能耗和冷卻塔出水溫度兩方面分析各參數(shù)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(jù)GB/T 7190.1—2018《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔 第1部分：中小型開式冷卻塔》，冷卻塔能效按標(biāo)準(zhǔn)工況下的耗電比分為1～5級(jí)，1級(jí)最節(jié)能，見表6。

4.1.2變頻要求

為進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)能耗，冷卻塔風(fēng)機(jī)應(yīng)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(huán)境空氣濕球溫度之差，冷幅越小，冷卻塔出水溫度越低，對(duì)于主機(jī)來說則COP越高、越節(jié)能。冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗占制冷機(jī)房系統(tǒng)能耗比例不高，但對(duì)系統(tǒng)能效影響較大，因此可通過適當(dāng)加大冷卻塔散熱面積、減小冷幅，提升系統(tǒng)能效。

4.2.2變流量要求

空調(diào)系統(tǒng)中，各設(shè)備對(duì)應(yīng)的裝機(jī)容量是根據(jù)設(shè)計(jì)工況下的冷負(fù)荷要求而確定的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷下運(yùn)行。對(duì)于冷卻塔來說，在部分負(fù)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(fēng)機(jī)能耗。此時(shí)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(jù)不同能效比等級(jí)要求，模型對(duì)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(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)評(píng)價(jià)要求，冷卻塔分級(jí)選型原則見表7。

5 高效制冷機(jī)房系統(tǒng)能效分級(jí)評(píng)價(jià)值

基于以上分級(jí)模型，經(jīng)過預(yù)測(cè)模擬、分析規(guī)整，得出高效制冷機(jī)房系統(tǒng)能效分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表8、9。

表8 高效制冷機(jī)房系統(tǒng)能效等級(jí)最低要求(制冷系統(tǒng)額定制冷量≥1 758 kW)

表9 高效制冷機(jī)房系統(tǒng)能效等級(jí)最低要求(制冷系統(tǒng)額定制冷量<1 758 kW)

表8、9為基于不同系統(tǒng)制冷量、不同氣候分區(qū)、不同城市濕球溫度特點(diǎn)等得出的高效制冷機(jī)房系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同能效等級(jí)的數(shù)值，當(dāng)滿足對(duì)應(yīng)數(shù)值時(shí)，即可認(rèn)為該系統(tǒng)達(dá)到對(duì)應(yīng)的能效評(píng)價(jià)等級(jí)。

鑒于篇幅，數(shù)據(jù)的處理分析將另外撰文具體介紹。

6 結(jié)論

1) 制冷機(jī)房系統(tǒng)評(píng)價(jià)分級(jí)要求從低到高分為三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)、領(lǐng)跑級(jí)。

2) 根據(jù)制冷機(jī)房系統(tǒng)評(píng)價(jià)分級(jí)要求，并體現(xiàn)能效指標(biāo)的可行性、合理性和引導(dǎo)性，基于暖通專業(yè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、主流設(shè)備廠家參數(shù)及實(shí)際高效機(jī)房項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提出了系統(tǒng)冷負(fù)荷為1 583 kW(450 rt)和7 034 kW(2 000 rt)的大小2個(gè)系統(tǒng)模型，明確了模型中冷源水系統(tǒng)形式及冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔各設(shè)備參數(shù)中影響系統(tǒng)能效的參數(shù)選型原則，從冷水機(jī)組的COP、水阻力、水溫、機(jī)型，水泵的揚(yáng)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(yù)測(cè)、分析規(guī)整，獲得了全國主要城市不同制冷量下的高效制冷機(jī)房系統(tǒng)的能效分級(jí)評(píng)價(jià)值。