以結(jié)果為導(dǎo)向的高效機(jī)房建設(shè)機(jī)制探索

冒 勤

上海市長(zhǎng)寧區(qū)城市更新和低碳項(xiàng)目管理中心

0 前言

在建筑總能耗中，公共建筑能耗占比較大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)公共建筑總能耗（不含北方供暖）達(dá)到2.93億tce，占建筑總能耗的31%［1］。在公共建筑能耗中，集中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占公共建筑的能耗25%~60%［2-3］，而制冷機(jī)房系統(tǒng)（冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔）的能耗約占集中空調(diào)能耗的50%~80%［3］。顯然，制冷機(jī)房系統(tǒng)是建筑能耗的用能大戶。

制冷機(jī)房系統(tǒng)能效比（EER）是制冷機(jī)房總輸出制冷量和機(jī)房總耗電量的比值，是目前國(guó)際上衡量制冷機(jī)房效率的通用指標(biāo)，結(jié)合《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2018》［4］和筆者了解的數(shù)據(jù)表明，大部分建筑制冷機(jī)房EER全年平均為2.5~3.1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（要求4.4以上）及美國(guó)ASHRAE指引（要求5.0以上）的節(jié)能評(píng)價(jià)水平，因此提升空間巨大。

2019年6月國(guó)家發(fā)展改革委等七部委聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》，提出到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，綠色高效制冷產(chǎn)品市場(chǎng)占有率提高40%以上，這對(duì)公共建筑集中空調(diào)系統(tǒng)的能效提出了明確提升要求。目前專家學(xué)者也展開了大量研究，如張昆等提出了高效制冷機(jī)房性能化設(shè)計(jì)方法和流程［5］，張瑞等研究了如何通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷機(jī)房的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試及運(yùn)維的閉環(huán)管理［6］，廣州市設(shè)計(jì)院編制了《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)指標(biāo)》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)［7］，梁軍等通過實(shí)際案例分享了高效機(jī)房相關(guān)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)［8］，也有文獻(xiàn)從施工角度闡述了如何利用先進(jìn)的智能建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效機(jī)房建設(shè)［9］。

綜上所述，針對(duì)制冷機(jī)房能耗高、運(yùn)行能效偏低的現(xiàn)象，目前已經(jīng)有大量的研究學(xué)者從設(shè)計(jì)和施工的角度展開研究，提供了不少關(guān)于制冷機(jī)房設(shè)計(jì)和建設(shè)的相關(guān)建議，取得了不少研究成果，但很少有文獻(xiàn)研究機(jī)制創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高效機(jī)房的建設(shè)。好的機(jī)制會(huì)促進(jìn)相關(guān)責(zé)任主體發(fā)揮主觀能動(dòng)性，更有動(dòng)力和責(zé)任去完成高效制冷機(jī)房建設(shè)，因此本文將引入管理學(xué)相關(guān)理論，結(jié)合機(jī)房建設(shè)流程和特點(diǎn)，從機(jī)制建設(shè)上進(jìn)行探索，打通設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高效制冷機(jī)房的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。

1 存在問題

如圖1所示，新建建筑能效沒有達(dá)到初始節(jié)能目標(biāo)，既有主觀原因，即設(shè)計(jì)不合理，也有客觀原因，即設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的不斷“降維”。其背后的原因一是缺乏管理手段，二是沒有明確的責(zé)任機(jī)制，三是設(shè)計(jì)存在局限。

圖1 建筑能效漏斗圖

1）缺乏管理手段

目前，建筑建造各階段均配置了若干節(jié)能管理手段，如在項(xiàng)目立項(xiàng)階段，需編制獨(dú)立的建筑節(jié)能專篇。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位需執(zhí)行相關(guān)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在施工階段，施工單位需按照建筑節(jié)能施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行施工。在項(xiàng)目運(yùn)行階段，出臺(tái)了相應(yīng)的能源統(tǒng)計(jì)和能源審計(jì)技術(shù)導(dǎo)則等。這些管理手段對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展都起到了一定的積極作用，但是也存在著如下問題：

（1）這一系列的公共建筑節(jié)能管理手段沒有明確統(tǒng)一和實(shí)際有效的節(jié)能控制目標(biāo)。

（2）由于不同階段的節(jié)能控制目標(biāo)均不明確，所以不能保證項(xiàng)目在不同階段評(píng)測(cè)管理目標(biāo)的一致性。

（3）對(duì)于節(jié)能工作沒有提出定量的任務(wù)目標(biāo)，很容易使建筑節(jié)能成為大量節(jié)能技術(shù)的簡(jiǎn)單堆砌，而不是達(dá)到實(shí)際有效的節(jié)能效果。

造成上述問題的主要原因之一在于各階段的節(jié)能工作各自獨(dú)立，缺乏縱向貫通的管理指標(biāo)，導(dǎo)致各階段只需單純完成本階段的節(jié)能任務(wù)即可，不需對(duì)建筑的最終實(shí)際能耗負(fù)責(zé)，導(dǎo)致建筑實(shí)際運(yùn)行能效難以得到有效控制。

2）沒有明確的責(zé)任機(jī)制

無(wú)論自持和出售，由于業(yè)主方的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)責(zé)任機(jī)制分離，業(yè)主方?jīng)]有真正承擔(dān)節(jié)能的主體責(zé)任，責(zé)任無(wú)法傳導(dǎo)到設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)無(wú)需承擔(dān)運(yùn)行階段節(jié)能責(zé)任。

3）設(shè)計(jì)存在局限

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行的能效存在較大差距，其主要原因如下：

（1）設(shè)計(jì)場(chǎng)景與運(yùn)行的實(shí)際場(chǎng)景不一致。運(yùn)行場(chǎng)景是變化的，不屬于設(shè)計(jì)范疇，設(shè)計(jì)只對(duì)固定場(chǎng)景?，F(xiàn)階段主要的解決方式為新建調(diào)適以及后續(xù)持續(xù)調(diào)適，但這不能回避設(shè)計(jì)的局限性。

（2）沒有信息反饋。設(shè)計(jì)方無(wú)法也沒有責(zé)任了解設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果，則無(wú)法不斷提升對(duì)結(jié)果負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)能力。

可見，傳統(tǒng)的管理手段、業(yè)主的責(zé)任傳導(dǎo)、設(shè)計(jì)本身的局限，共同導(dǎo)致了新建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行實(shí)際能效之間脫節(jié)的現(xiàn)狀。

2 機(jī)制建設(shè)

針對(duì)目前存在的問題，需確立一個(gè)責(zé)任主體，全程貫通設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維，并對(duì)空調(diào)系統(tǒng)最終運(yùn)行能效負(fù)責(zé)，保證節(jié)能目標(biāo)不打折扣地實(shí)現(xiàn)。

2.1 空調(diào)設(shè)備分包商為第一責(zé)任主體

與建筑實(shí)際運(yùn)行能效直接相關(guān)的有三個(gè)階段，即設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維。這三個(gè)階段相互之間存在脫節(jié)，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行能效相對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的目標(biāo)梯度下降；但縱觀這三個(gè)階段的主體，只有空調(diào)設(shè)備安裝方與設(shè)計(jì)和運(yùn)維都有搭接，因此考慮將以結(jié)果為導(dǎo)向的節(jié)能責(zé)任落實(shí)到空調(diào)設(shè)備分包商是一個(gè)可行的路徑。

將責(zé)任落實(shí)到空調(diào)設(shè)備分包商，如圖2所示，通過空調(diào)設(shè)備分包商可以向上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)的局限，向下可以在運(yùn)維階段實(shí)施調(diào)適，彌補(bǔ)運(yùn)維的能力缺陷，從而有效地改變部分新建建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中節(jié)能控制脫節(jié)的現(xiàn)狀，真正實(shí)現(xiàn)新建建筑能效源頭控制的初衷。

圖2 機(jī)制創(chuàng)新對(duì)建筑能效優(yōu)化作用

在此機(jī)制設(shè)計(jì)下，提高了對(duì)空調(diào)設(shè)備分包商的能力要求，事實(shí)上許多空調(diào)設(shè)備分包商已經(jīng)在市場(chǎng)上被磨煉了相關(guān)能力。2019年的《高效制冷行動(dòng)方案》提出了“鼓勵(lì)生產(chǎn)企業(yè)為工商用戶提供按需定制、精準(zhǔn)適配的綠色高效制冷系統(tǒng)，推動(dòng)從‘制造’向‘產(chǎn)品/工程+服務(wù)’轉(zhuǎn)變”。從本機(jī)制的角度看可以表述為“鼓勵(lì)設(shè)備安裝或空調(diào)設(shè)備分包商企業(yè)為工商用戶提供按需定制、精準(zhǔn)適配的綠色高效制冷系統(tǒng)，推動(dòng)從‘安裝’向‘工程+服務(wù)’轉(zhuǎn)變”。

2.2 機(jī)電工程傳統(tǒng)商業(yè)模式向能效保證型合同轉(zhuǎn)變

原有以設(shè)備能效決定節(jié)能效果的理念下，節(jié)能主要考慮設(shè)備性能，以設(shè)備采購(gòu)合同為主，僅僅是提供產(chǎn)品，也是現(xiàn)行的主流模式。

隨著調(diào)適和智能運(yùn)維的理念逐步為市場(chǎng)接受，其提供的產(chǎn)品，可以不僅僅是硬件產(chǎn)品，還有圍繞硬件提供的服務(wù)。對(duì)于設(shè)備能效可以采用質(zhì)量檢測(cè)，則產(chǎn)品采購(gòu)合同是適合的；調(diào)適和智能運(yùn)維的效果無(wú)法按設(shè)備檢測(cè)的方式檢測(cè)，應(yīng)以實(shí)際結(jié)果為導(dǎo)向，用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。

2）能效保證型合同的實(shí)踐

能效保證型合同是以結(jié)果為導(dǎo)向，將實(shí)際運(yùn)維能效作為節(jié)能驗(yàn)收和付款標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)電采購(gòu)施工合同。合同通過支付條件明確了實(shí)際運(yùn)維能效的責(zé)任主體，從機(jī)制上有效銜接新建建筑建設(shè)和運(yùn)行之間的節(jié)能責(zé)任。

2.3 管理要點(diǎn)

2.3.1 設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)

將實(shí)際能效作為節(jié)能驗(yàn)收和付款標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)電采購(gòu)施工合同，涉及能效指標(biāo)設(shè)定和付款比例可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況予以調(diào)整。由于是第一次實(shí)施能效保證型的模式，項(xiàng)目機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)基于“大膽假設(shè)，小心求證”的原則，給出相應(yīng)的指標(biāo)值設(shè)置。

1）機(jī)房能效指標(biāo)COP建議設(shè)為4.1及以上，雖然機(jī)房能效指標(biāo)COP為4.1沒有達(dá)到ASHRAE“冷水機(jī)房全年綜合能效”在COP5.0超高效機(jī)房的卓越標(biāo)準(zhǔn)，僅是良好的標(biāo)準(zhǔn)，但考慮目前國(guó)內(nèi)大部分機(jī)房實(shí)際運(yùn)維能效都在3.0以下，當(dāng)前提升33%的能效水平在試點(diǎn)項(xiàng)目中是可以接受的。

2）機(jī)房能效與30%工程尾款掛鉤，一般機(jī)電工程項(xiàng)目的毛利率在30%左右，若機(jī)房實(shí)測(cè)能效達(dá)不到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，空調(diào)設(shè)備分包商會(huì)產(chǎn)生虧損，由此倒逼空調(diào)設(shè)備分包商想方設(shè)法完成目標(biāo)。對(duì)于甲方而言，假如達(dá)不到付款條件，30%的尾款也足夠進(jìn)行專業(yè)的調(diào)適和設(shè)施調(diào)整，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和施工的缺陷。

3）評(píng)價(jià)時(shí)間選取機(jī)房運(yùn)行一年之后，一是由于空調(diào)設(shè)備分包商承擔(dān)的是有限責(zé)任，合同時(shí)間不宜過長(zhǎng)；二是一年也是空調(diào)設(shè)備分包商維保時(shí)間內(nèi)，空調(diào)設(shè)備分包商有責(zé)任維修相關(guān)設(shè)備；三是短時(shí)間內(nèi)建筑不一定運(yùn)行在正常工況，所測(cè)能效不能代表實(shí)際運(yùn)行的正常值。

經(jīng)過探索性因子分析，科學(xué)公信力的七個(gè)指標(biāo)采用主成分因子法，可以提取一個(gè)公因子，KMO值也達(dá)到非常理想的水平，其因子負(fù)荷矩陣如表4所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，每個(gè)構(gòu)成變量的因子負(fù)荷值基本都高于0.6，這意味著七個(gè)變量的內(nèi)涵有較大的共同度，能夠作為衡量某個(gè)隱藏變量的指標(biāo)。

2.3.2 運(yùn)行能效指標(biāo)納入招標(biāo)文件

將機(jī)房能效指標(biāo)納入招標(biāo)文件，機(jī)電施工單位必須按照招標(biāo)文件的要求簽訂合同，在合同中明確約定機(jī)房運(yùn)行能效與工程款相掛鉤，使機(jī)電施工單位有約束也有動(dòng)力完成施工任務(wù)。

2.3.3 審核技術(shù)方案

空調(diào)設(shè)備分包商中標(biāo)后，可以要求分包商提供技術(shù)方案，包括但不限于優(yōu)化前后軟件模擬的對(duì)比的結(jié)果、設(shè)備選型說(shuō)明、輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、基于智能運(yùn)維的能效監(jiān)測(cè)設(shè)施、運(yùn)維調(diào)適方案等。

2.3.4 施工專項(xiàng)檢查

鑒于高效機(jī)房的建設(shè)責(zé)任主體是空調(diào)設(shè)備分包商，實(shí)施的部分建設(shè)內(nèi)容有別于傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)安裝要求，應(yīng)組織專項(xiàng)檢查，以確定實(shí)際施工的準(zhǔn)確；適當(dāng)時(shí)候還可以組織包括設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)維的專家討論，以不斷完善和優(yōu)化建設(shè)方案。

2.3.5 第三方能效測(cè)評(píng)

合同約定，能效測(cè)評(píng)是指機(jī)房運(yùn)行一年后的實(shí)際運(yùn)維能效的測(cè)評(píng)，必須保證一定的末端負(fù)荷。

3 實(shí)際案例

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)，總建筑面積為41 560 m2，其中地上部分1 898 m2(為地面配套管理用房)，地下部分為39 662 m2(由車庫(kù)、體育館、游泳館、下沉廣場(chǎng)、配套商業(yè)組成)。地下為2層，地上為2層，地面建筑高度為11.85 m。

該工程冷源采用電制冷方式，熱源采用燃?xì)忮仩t。冷凍機(jī)房及鍋爐房設(shè)置在A區(qū)地下一層，泳池空調(diào)采用新型除濕熱泵機(jī)組。

3.2 建設(shè)過程

3.2.1 招標(biāo)階段

在招標(biāo)文件中對(duì)機(jī)房效率作出明確要求：即投標(biāo)總價(jià)30%尾款將根據(jù)冷站機(jī)房運(yùn)行效率是否超過ASHRAE冷水機(jī)房效率0.85 kW/ton的標(biāo)準(zhǔn)作為支付條件；機(jī)房效率待項(xiàng)目竣工一年后以第三方能效檢測(cè)的評(píng)估報(bào)告為準(zhǔn)。

3.2.2 設(shè)計(jì)階段

通過三維建模，調(diào)整了主要設(shè)備的布置，優(yōu)化了管道走向和連接方式，降低了輸配阻力。優(yōu)化后機(jī)房?jī)?nèi)管道阻力下降9%，輸送能耗下降12%。水泵進(jìn)出口水管優(yōu)化見圖3，分集水器水管走向優(yōu)化見圖4。

圖3 水泵進(jìn)出口水管優(yōu)化

圖4 分集水器水管走向優(yōu)化

選擇高效空調(diào)主機(jī)（NPLV值7.3），通過空調(diào)系統(tǒng)的軟件模擬選擇2大1小的配置（500 RT 2臺(tái)，250 RT 1臺(tái)）。大冷量主機(jī)采用離心式壓縮機(jī)，小冷量主機(jī)采用螺桿式壓縮機(jī)，此類配置充分利用了不同壓縮形式在不同冷量需求下的優(yōu)勢(shì)，保證了不同運(yùn)行負(fù)荷下的高效運(yùn)行。

空調(diào)系統(tǒng)采用大溫差（6/15℃），比常規(guī)系統(tǒng)溫差（7/12℃）多4℃，水泵流量比常規(guī)系統(tǒng)減少了25%，同時(shí)選用高效變頻水泵，按需輸出，大幅降低了水泵的運(yùn)行能耗。

選擇和主機(jī)匹配的大溫差、低阻力末端設(shè)備，并配置轉(zhuǎn)輪熱回收裝置（熱回收效率60%），既保證了地下室內(nèi)空氣的品質(zhì)，又降低了新風(fēng)系統(tǒng)的能耗。

3.2.3 施工階段

為了達(dá)到節(jié)能效果，此次管道組件基本采用異形管道組件，表面采用熱鍍鋅處理；并根據(jù)三維建模90%的管道均采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝的方式，有效地縮短了工期（機(jī)房裝配式施工14天，常規(guī)60天）。

3.2.4 運(yùn)維調(diào)適階段

項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)采用NB-IOT的5G通信技術(shù)在線運(yùn)維管理，并根據(jù)大數(shù)據(jù)模型對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不斷優(yōu)化控制邏輯和運(yùn)行策略，最終達(dá)到長(zhǎng)期節(jié)能目的。

3.3 能效評(píng)估

項(xiàng)目請(qǐng)第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)房能效進(jìn)行了專業(yè)評(píng)估。由于疫情影響，項(xiàng)目竣工一年后還沒有實(shí)質(zhì)啟用。經(jīng)專業(yè)第三方實(shí)測(cè)，在負(fù)荷較低的情況下，機(jī)房能效達(dá)到0.85 kW/RT，符合支付條件。預(yù)計(jì)項(xiàng)目負(fù)荷提升后，機(jī)房的運(yùn)行能效會(huì)有明顯提升。

4 結(jié)論

1）空調(diào)設(shè)備分包商負(fù)責(zé)制是實(shí)現(xiàn)新建建筑空調(diào)機(jī)房運(yùn)行高效的可行路徑

該案例是針對(duì)大型新建公共建筑運(yùn)維能效保證的實(shí)踐，并不一定適應(yīng)所有的空調(diào)系統(tǒng)，但該案例項(xiàng)目的成功實(shí)踐證明通過空調(diào)設(shè)備分包商銜接建設(shè)和運(yùn)維，以實(shí)現(xiàn)建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)維高效是可行的。

2）能效保證合同是保障新建公共建筑空調(diào)機(jī)房運(yùn)行高效的有效商業(yè)模式

此案例項(xiàng)目的成功實(shí)踐也充分證明了延長(zhǎng)空調(diào)設(shè)備安裝的采購(gòu)內(nèi)容，把產(chǎn)品變?yōu)榉?wù)，把實(shí)際運(yùn)維能效作為付款的指標(biāo)是一種可行且有效的商業(yè)模式。在此模式下也帶來(lái)了管理模式的改變，與傳統(tǒng)管理模式比較，需考慮質(zhì)保費(fèi)用比例、能效標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方式、專項(xiàng)管理等內(nèi)容。

3）助力空調(diào)設(shè)備分包商做精做強(qiáng)

對(duì)空調(diào)設(shè)備分包商提出了能力要求，不僅是提供設(shè)備安裝，而是需要既能組織設(shè)計(jì)優(yōu)化，又可以實(shí)施運(yùn)行調(diào)適，還要有遠(yuǎn)程智能運(yùn)維的能力，推動(dòng)從“制造”向“產(chǎn)品/工程+服務(wù)”轉(zhuǎn)變。這個(gè)變化可能會(huì)衍生出一種新的變化趨勢(shì)，即改變空調(diào)設(shè)備供應(yīng)的含義，具有以上三種能力的承包商將更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 展望

目前，上海市第二個(gè)能效保證型的項(xiàng)目也已實(shí)施，潛在的業(yè)主方在作決策時(shí)比較關(guān)注是否有實(shí)踐案例，當(dāng)了解到有成功的實(shí)踐案例時(shí)，最終采用了類似模式。此次實(shí)踐既證明了該模式的可行性，又將有助于后續(xù)項(xiàng)目的復(fù)制與推廣。“星星之火，可以燎原”，希望此實(shí)踐能夠帶動(dòng)更多上海市乃至長(zhǎng)三角地區(qū)以結(jié)果為導(dǎo)向的新建建筑高效機(jī)房建設(shè)模式發(fā)展。