应用：高效制冷机房优化设计及对比分析

   本文我们将来介绍下制冷机房的优化设计。

    1　中央空调能耗现状

大型公共建筑的中央空调系统能耗占建筑总能耗40%~60%。空调制冷机房能耗在中央空调系统总能耗中的占比60%。制冷机房系统耗能在公共建筑耗能中的占比较大。因此，建设高效绿色节能机房，降低空调制冷机房的系统能耗成为当前行业在“双碳”目标下面临的重要任务。

高效制冷机房技术是实现建筑可持续节能与绿色低碳发展的重要手段之一，中央空调系统的制冷机房与末端用户之间存在一定关联，但同时也具有一定的独立性，可以在不影响末端系统效果的前提下单独优化制冷机房。制冷机房系统能效比是制冷机房总输出制冷量和机房总耗电量的比值，是目前国际上衡量制冷机房效率的通用指标。

制冷机房按系统能效比分类分布如图1所示。

目前，行业内普遍以能效比4.1作为高效机房的基本要求。老旧机房的系统能效比一般低于3.5，制冷机房能 效水平相对较低，具有很大的节能潜力。2019年6月国家发展改革委等七部委联合印发了《绿色高效制冷行动方案》，提出到2030年大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平提升25%以上，绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上。

方案对公共建筑中央空调系统能效提出了更高要求，考虑目前国内制冷机房系统运行能效普遍较低，存在较大的节能空间，发展高效制冷机房系统是提升公共建筑制冷能效的重要突破口。

    2　高效制冷机房发展

现代大型公共建筑的空调系统能耗占建筑整体能耗的40%~55%。空调系统的能耗中，冷水机房设备（包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔） 能耗约占设备总能耗的65%~75%。因此，降低暖通能耗、最大化地节省制冷机房能耗对达成节能减排目标具有重要意义。

    2.1　综合能效指标定义    

制冷机房系统能效是评价机房的最核心指标，是制 冷机房系统总制冷量和总用电量的比值。制冷机房系统 能效比(EER)是设计或指定工况下，制冷机房系统制冷与 设备总功率的瞬时比值，设备包括冷水机组、冷冻水泵、 冷却水泵和冷却塔。制冷机房系统综合能效比(EERa)是 实际运行工况下，制冷机房系统全年累计制冷量与设备 全年累计用电量的比值。从综合指标定义角度分析，总制冷量不变的前提下，制冷机房总耗电量越小，系统能效越高。因此，高效制冷机房节能的关键是降低主机、水泵、冷却塔的耗电量。

   2.2　国外高效制冷机房标准   

美国ASHRAE标准对制冷机房能效分级如图2所示。

EER 大于 5.0(0.7 kW/RT)的房间为高效制冷机房， EER小于3.5(1.0 kW/RT)为需要改造的机房。在新加坡以立法形式规定高效制冷机房能效，具体制冷机房能效指标与分级如表1所示。

   2.3　我国高效制冷机房标准    

近年来在国内暖通空调市场上，随着广东地区前期 几个高效机房呈现优秀的节能效果，高效机房的概念和 做法被越来越多的业内专业人士和业主认可，应用领域也越来越广泛。2018年4月1日，广东省出台了我国首部关于高效制冷机房规范能效指标标准规范《集中空调制冷机房系统 能效监测及评价标准》(DBJ/T 15-129—2017)。广东省高 效制冷机房指标与分级如表2所示。

     3　高效制冷机房设计案例分析　

上海地区某能源站服务建筑面积约50万m2，功能为 商业办公建筑群。制冷机房原设计方案为4台1950RT定频离心机，冷冻侧供回水温度5.5 ℃、12.5 ℃，冷却侧供回水温度 32 ℃、37 ℃。高效制冷机房优化方案为3台2600RT 变频离心机组，冷冻侧供回水温 度 5.5 ℃、12.5 ℃，冷却侧供回水温度32 ℃、37 ℃，总冷量保持不变。

   3.1　优化设计技术路线     

根据制冷机房综合能效比定义归纳设计高效制冷机房的技术策略如下：

（1） 选用COP高的制冷机组，或提升冷水机组运行 效率，如降低冷却水温度，提高冷冻出水温度等；

（2） 减少冷冻泵、冷却泵、冷却塔等功率，其在设备总功率中占比越小越好，如可以通过优化调整冷冻水 系统的流量和扬程，减少冷冻泵的消耗，充分利用冷却 塔填料成膜面积，适时降低风机的功率等。

本项目案例处于设计阶段，在提出高效机房设计建 设目标后，制冷机房原设计方案的优化策略以选用高性 能COP的冷水机组、优化运行控制策略为主，同时兼顾 减少冷冻泵、冷却泵、冷却塔等功率的策略为辅。

  3.2　不同方案主机性能参数对比    

首先针对两个方案中的制冷机组性能进行对比分析， 1950RT定频离心机和2600RT变频离心机性能曲线如图3 所示。定频离心机组越接近满负荷，运行越高效；低冷 却水温时 （低于18 ℃），部分负荷效率有所提升。变频离心机组部分负荷时，效率较高；冷却水温越低，部分 负荷效率越高。进一步分析，定频离心机组在夏季高负荷期间运行效率高，而变频离心机组全年运行效率最高。

1950RT 定频离心机和2600RT 变频离心机不同工况下COP柱状图如图4所示。

纵轴为主机COP，横轴为冷却水进水温度，最长横线代表 COP=6.0 分界线。冷却水进水温度不大于 26 ℃ 时，变频机组COP远超定频离心机，最高可达11.09；变频离心机对末端负荷变化、冷却水温度变化的适应性更强。综合以上分析，单独分析主机比选结果时，2600RT 变频离心机性能曲线明显优于1950RT定频离心机，部分负荷时COP更高，高效区间范围更广。

3.3　不同方案全年制冷机房系统能效模拟    

根据项目具体设计信息及图纸资料，采用专业制冷 机房仿真模拟软件对全年空调负荷模拟和冷冻机房全年 能耗进行模拟。相关能效模拟的步骤及策略设置如下：

（1）根据项目实际情况选择合适的建模类型。

（2）导入上海8 760 h气候参数及设计总冷量，建立原设计方案（4 台1950RT 定 频 离 心机）和优化方案（3台2600RT变频离心机）两个模型。

（3）主要针对冷水机房内的设备进行建模（包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔）。需要在软件 中建立两个模型，原设计参数下的制冷机房模型和高效 制冷机房模型。在软件中输入不同方案相关设备的额定 参数以及部分负荷下的参数。

（4）在软件上为设备建模，输入设备相关参数及性能曲线。

（5）针对高效制冷机房优化控制策略。

负荷预测和制冷模式调控方面：

高效节能优化控制系统根据监测到的气象条件、历史运行数据库预测全天的负荷变化，结合电价时段、负荷侧回水温度、旁通流量等数据，制定主机逐时负荷分配情况，通过设置优先 加减载等方法，控制各设备的启停，以达到最大限度节约电费的目的。

冷水机组优化控制方面：

控制系统跟踪冷水机组的效率曲线（蒸发器出水温度 LEWT、冷凝器进水温度 ECWT、冷机负荷率 PLR、蒸发器和冷凝器的流量等参数对冷机能效的影响曲线），在满足系统供冷量需求、冷冻水温度要求和冷冻机房系统整体能效最优的前提下，给出最佳的冷机运行台数和冷冻水出水温度，动态调整 冷机运行组合和冷冻水出水温度以及冷却水温度，实现节能优化运行。

水泵优化控制方面：

控制系统跟踪水泵的效率曲线（流量、扬程、频率等参数对水泵能效的影响曲线），在满足系统冷机流量、末端流量需求、系统供回水压差要 求和冷冻机房系统整体能效最优的前提下，给出最佳的水泵运行台数和控制温差，动态调整水泵运行组合和运 行频率，通过水泵台数、效率、频率等的综合管控，实现节能优化运行。

冷却塔优化控制方面： 

控制系统跟踪冷却塔的排热 量曲线（水量、风量、室外湿球温度、逼近度、进出水 温差等参数对冷却塔排热量的影响曲线），在满足系统冷 机排热量、冷凝器进水温度要求和冷冻机房系统整体能效最优的前提下，给出最佳的冷却水出水温度，动态控 制冷却塔的运行台数和运行频率，并充分利用冷却塔和 换热填料面积，增加冷却塔运行台数并降低风机运行频 率和功率，实现节能优化运行。

3.4　制冷机房能效模拟结果对比    

2600RT 变频、1950RT 定频离心机制冷机房系统能效分析如表3、表4所示。

3.5　能效及运行成本分析   

不同方案的制冷机房系统能效及运行成本分析如表5 所示。

根据以上模拟结果对比分析，制冷机组全年运行在从设备初投资角度计算，3台2600RT变频离心机价格与4台1950RT定频离心机相比，价格便宜约50万元。但从后期运行能效、运行成本分析，3台2600RT变频离心机节能效果更显著，年节约费用74.19万元，全年节约标煤258 t。因此，高效制冷机房技术可以为建筑实现 “看得见、可实现、可持续”的能效目标，助力建筑节能，降低建筑运营商的后期运营成本。