广州市设计院集团有限公司 谭海阳 屈国伦 何恒钊 黄冬娜 姜少华 林 辉 李 翔

0 引言

我国建筑能耗总量逐年上升，建筑运行能耗约占全国社会能耗的22%[1]，推动建筑节能有节约资源、保护环境、促进经济社会可持续发展等重要意义。集中空调系统能耗在大型公共建筑的建筑能耗中占25%～60%[2-3]，而制冷机房系统(冷水机组、水泵、冷却塔等)的能耗占集中空调系统能耗的50%～80%[3]，显然，制冷机房系统的能效高低、是否节能运行是决定建筑节能减排工作成效的重要因素。

国家发展改革委、工业和信息化部、住房城乡建设部等七部委于2019年6月13日联合印发了《绿色高效制冷行动方案》，该行动方案的主要目标之一为：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。

基于以上背景，笔者所在单位向中国勘察设计协会建筑环境与能源应用分会申请编制团体标准《高效集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》(以下简称本标准)，本文对本标准中采用的冷源系统模型构建方法进行介绍。

为促进集中空调系统制冷能效的提升，拟对其能效指标进行分级评价，同时分级评价值的确定需体现可行性、合理性和引导性等原则，故本标准对能效评价等级从低到高分为三级、二级、一级、领跑级，基本的划分原则如下。

三级：各主要用能设备满足现行节能标准的基本规定，合理选用变频水泵、冷却塔，采用高效制冷机房的控制逻辑(包括冷水机组高效区优先策略，冷水、冷却水变流量控制，末端水量按需供给策略，冷却塔变流量控制，冷却塔风机变频控制等)，并加入理论模型中未考虑的能效偏差因素修正，在此条件下，实际可达到的全年运行能效比，可视为高效制冷机房的入门等级。

二级：在三级要求的基础上，冷水机组参数达到GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》表7.2.5中得5分的要求，提高各用能设备能效，合理选用变频主机，降低系统水阻力，在此条件下，实际可达到的全年运行能效比，可视为高效制冷机房的良好等级。

一级：在二级要求的基础上，冷水机组参数达到GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》表7.2.5中得10分的要求，进一步提高各用能设备能效，全面选用变频主机，进一步降低系统水阻力，在此条件下，实际可达到的全年运行能效比，可视为高效制冷机房的优秀等级。

领跑级：基于超低能耗、近零/零能耗建筑的能耗要求及国家双碳目标的背景，考虑一定的引领和鼓励作用，在一级要求的基础上，选用市场主要厂家的冷水机组、水泵、冷却塔等产品中能效最优的设备，在此条件下，实际可达到的全年运行能效比，可视为高效制冷机房在现阶段可达到的行业领先等级，可成为实现“碳达峰、碳中和”目标的快速技术通道。

针对不同能效评价等级，构建不同的模型进行预测分析。以下从系统及各主要用能设备进行分析简介。

1 冷源系统设计

1.1 系统冷负荷选取

1.1.1设计冷负荷

不同体量建筑对应的空调系统冷负荷不同，空调冷源系统装机容量也不同。一般来说，小系统对应的冷源设备能效低于大系统的设备能效，因此为同时兼顾并区别对待，拟分为大小2个系统的能效评价指标体系。

参照国内大型公共建筑的定义，考虑建筑面积为2万m2，对不同气候分区不同类型建筑(办公、酒店、商业、医院等)进行负荷估算，得出设计空调冷负荷在1 200～3 100 kW(350～900 rt)范围内。新加坡相关规范对高效制冷机房系统能效等级的划分是按冷量1 759 kW(500 rt)为界进行差异评价；广东省地方标准DBJ/T 15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》的评价冷量范围同新加坡划分方式一致，同样以1 759 kW(500 rt)为界。

故考虑大型公共建筑设计冷负荷范围，匹配大型公共建筑节能要求，以及国内外已有相关规范的划分方式，以1 759 kW(500 rt)为界，分别进行能效评价，结合实际项目冷量特点及主机能效特点，1 759 kW(500 rt)以下负荷段选取1 583 kW(450 rt)为典型冷负荷值，1 759 kW(500 rt)以上负荷段选取7 034 kW(2 000 rt)为典型冷负荷值(此时系统中往往同时包括离心机和螺杆机，并且对于更大规模的项目，主机容量进一步加大带来的能效提升并不明显，故选取7 034 kW(2 000 rt)作为制冷量大于1 759 kW(500 rt)项目的代表，系统可合理配置离心机加螺杆机的组合，契合较大体量建筑制冷系统的特征)。

1.1.2全年冷负荷

除考虑设计负荷对制冷机房系统能效的影响外，不同业态建筑物(酒店、商业、办公、医院等)的全年冷负荷特点不一样，本标准对此也有考虑，通过分别建立不同业态建筑负荷模型进行全年计算，分别模拟，以明确其影响大小。

1.2 冷源系统设计

1.2.1水系统形式

从节能高效及常规项目典型应用情况考虑，采用冷水一级泵变频变流量系统、冷却水变流量系统进行建模，冷水泵不包含二次侧水泵，但对于实际的二级泵系统项目，能效比计算时则应包括二级泵能耗。

1.2.2冷水机组配置

根据1.1.1节，将1 583 kW(450 rt)对应的系统称为小系统，7 034 kW(2 000 rt)对应的系统称为大系统。根据规范，集中空调系统的冷水机组台数不宜少于2台，且台数及单机制冷量的选择应能适应空调负荷全年变化规律[4]，此外，主机在不同负荷率下存在高效、非高效运行区间之分，主机的配置应保证在全年制冷季不同负荷工况下，均可在设备的高效区间运行，故冷源主机的选型按大小机组搭配，其中小系统选用两大一小，大系统选用两大两小，具体选型见表1。

表1 冷水机组选型

通过大小主机搭配，可满足在制冷季不同负荷率下，主机基本均在高效区间运行(根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》，对于主机来说，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个冷量区间段，COP要求依次提高，但对同一区间段内不同冷量的机组COP要求一样，故系统主机搭配除了考虑设计工况COP性能外，还需考虑单机负荷率尽量在高效运行区间)。

2 冷水机组

影响冷水机组及其系统能耗的主要设备参数有制冷性能系数COP、冷水温度、冷却水温度、蒸发器水阻力、冷凝器水阻力、变流量范围、机组类型(变频与否、磁悬浮机组)等，以下分别就本标准的分级评价及相关规范要求进行分析。

2.1 冷水机组COP要求

对冷水机组制冷性能系数COP提出相关要求的标准如下。

GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》第4.2.10条，针对不同冷水机组类型、不同名义制冷量、不同气候分区下的COP给出了节能限值要求，且对变频机组的COP进行了基于定频机组0.93～0.95的修正。

GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等级》规定了电制冷冷水机组COP和IPLV的能效限定值、能效等级、节能评价值等，提出了冷水机组1级、2级、3级分级，其中3级为能效限定值，2级为节能评价值。对于能效限定值，COP和IPLV2个指标均需满足；对于节能评价值，其中一个满足要求即可。

GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》第7.2.5条对冷水机组制冷性能系数COP基于GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的提升分6%和12% 2挡，绿色建筑评分时可分别得5分、10分。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》第6.2.6条对近零能耗建筑中的冷水机组技术参数做了要求，机组COP应满足1级能效要求。

综合以上要求，考虑到本标准的适用性，希望可以具备从鼓励到推荐到引导的多层次应用需求，确定冷水机组COP选型原则如表2所示。

2.2 冷水机组水温

本标准作为基本评价标准，冷水系统水温选为应用较多的常规名义工况要求的7 ℃/12 ℃，实际应用中鼓励通过大温差、提高冷水出水温度等节能设计措施进一步提高系统能效；冷却水温度与所在地区夏季设计湿球温度、冷却塔选型有关，此处仅约定冷却水供回水温差为5 ℃，具体温度见第4章。

2.3 冷水机组水阻力

不同厂家、不同型号冷水机组蒸发器、冷凝器的水阻力差异较大，从30～120 kPa均有，而机组水阻力对系统能效的影响主要体现在水泵扬程上，水阻力越大，水泵扬程越高，水泵输送能耗越高。另一方面，水阻力对机组造价也有一定影响，降低机组水阻力，机组造价会随之提高。因此，综合节能性和经济性，对不同能效等级要求选用不同的主机水阻力，具体见表2。

2.4 冷水机组类型

目前市面上冷水机组设备类型有定频螺杆机组、定频离心机组、变频(直驱)螺杆机组、变频(直驱)离心机组、磁悬浮离心机组等，对于变频、定频机组，除名义工况下COP对系统能效有影响外，部分负荷下的影响也需要考虑，特别是在低压比工况下，变频机组COP更高，且随着技术的进步，变频机组名义工况下的COP也越来越高，可实现双工况(设计工况、部分负荷工况)高效运行。对不同能效等级选用不同的主机类型，具体见表2。

2.5 冷水机组变流量范围

为满足水泵变流量节能运行，一级泵系统要求主机可变流量运行。可变流量运行的范围越大，水泵的运行越节能。

2.6 冷水机组选型原则

综上，针对本标准的分级评价要求，冷水机组分级选型原则见表2。

3 水泵

影响水泵能耗的参数有水泵流量、水泵扬程和水泵效率，根据2.2节，冷水供回水温差、冷却水供回水温差均按5 ℃考虑，水泵流量的选取不作进一步讨论，直接按冷量、散热量与对应温差计算，仅分析水泵扬程和效率的选取原则，同时水泵均按变频考虑。

3.1 水泵扬程

水泵扬程根据管网阻力、设备阻力、阀件阻力确定。

管网阻力参照类似体量的项目阻力选取，小系统、大系统供回水最不利环路长度分别按400、680 m左右进行估算，能效要求高的系统按低阻力管网优化设计，管网阻力取值见表3、4。

表3 冷水泵扬程计算取值

表4 冷却水泵扬程计算取值

设备阻力主要包括冷水机组水阻力、空调末端水阻力、冷却塔阻力。其中冷水机组水阻力按表2选取；不同厂家的空调末端水阻力范围一般为20～100 kPa，考虑节能性及实际项目案例取40～50 kPa，能效等级越高，空调末端水阻力要求越低，水力控制阀阻力与空调末端水阻力一并考虑，见表3；冷却塔塔体阻力与冷却塔的处理水量、冷幅(冷却塔出水温度与环境空气湿球温度之差)有关，根据厂家设备资料选取。设备阻力取值见表3、4。

阀件主要指水过滤器、止回阀，不同类型或要求下过滤器和止回阀的水阻力不同，范围可达2～30 kPa，本标准根据不同的能效等级要求确定水阻力，见表3、4。

3.2 水泵效率

GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》和GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》对水泵效率通过“空调冷(热)水系统耗电输冷(热)比[EC(H)R-a]”结合扬程、温差、管长等方面进行了约束；GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》则进一步对EC(H)R-a做了要求，如降低20%可得节能评价分。GB 19762—2007《清水离心泵能效限定值及节能评价值》从产品本身的节能性对水泵效率做出了要求，即目标能效限定值、节能评价值等。结合以上标准规范要求，不同评级下水泵效率的选取原则见表5。

4 冷却塔

因冷却水温度对冷水机组能效影响较大，故冷却塔对制冷机房系统能效的影响包括其自身设备能耗的影响，以及对冷却水温度的影响，因此本标准从冷却塔能耗和冷却塔出水温度两方面分析各参数选取。

4.1 冷却塔能耗

表5 水泵效率取值原则

4.1.1能效要求

根据GB/T 7190.1—2018《机械通风冷却塔 第1部分：中小型开式冷却塔》，冷却塔能效按标准工况下的耗电比分为1～5级，1级最节能，见表6。

4.1.2变频要求

为进一步降低风机能耗，冷却塔风机应采用变频控制。

4.2 冷却塔出水温度

4.2.1冷幅要求

冷幅即为冷却塔出水温度与环境空气湿球温度之差，冷幅越小，冷却塔出水温度越低，对于主机来说则COP越高、越节能。冷却塔风机能耗占制冷机房系统能耗比例不高，但对系统能效影响较大，因此可通过适当加大冷却塔散热面积、减小冷幅，提升系统能效。

4.2.2变流量要求

空调系统中，各设备对应的装机容量是根据设计工况下的冷负荷要求而确定的，实际运行时，大部分时间处于部分负荷下运行。对于冷却塔来说，在部分负荷下存在多余的冷却塔，如可利用此部分冷却塔，则可既降低冷却塔出水温度，又不增加甚至降低冷却塔风机能耗。此时则要求冷却塔具有变流量功能，确保在部分流量下布水均匀，确保散热效果。根据不同能效比等级要求，模型对变流量范围要求有所不同，见表7。

4.3 冷却塔选型原则

综上，针对本标准的分级评价要求，冷却塔分级选型原则见表7。

5 高效制冷机房系统能效分级评价值

基于以上分级模型，经过预测模拟、分析规整，得出高效制冷机房系统能效分级评价标准，见表8、9。

表8 高效制冷机房系统能效等级最低要求(制冷系统额定制冷量≥1 758 kW)

表9 高效制冷机房系统能效等级最低要求(制冷系统额定制冷量<1 758 kW)

表8、9为基于不同系统制冷量、不同气候分区、不同城市湿球温度特点等得出的高效制冷机房系统对应不同能效等级的数值，当满足对应数值时，即可认为该系统达到对应的能效评价等级。

鉴于篇幅，数据的处理分析将另外撰文具体介绍。

6 结论

1) 制冷机房系统评价分级要求从低到高分为三级、二级、一级、领跑级。

2) 根据制冷机房系统评价分级要求，并体现能效指标的可行性、合理性和引导性，基于暖通专业相关规范标准、主流设备厂家参数及实际高效机房项目经验，提出了系统冷负荷为1 583 kW(450 rt)和7 034 kW(2 000 rt)的大小2个系统模型，明确了模型中冷源水系统形式及冷水机组、水泵、冷却塔各设备参数中影响系统能效的参数选型原则，从冷水机组的COP、水阻力、水温、机型，水泵的扬程、效率，冷却塔的能效、变频、冷幅、变流量等方面考虑，确保了模型的合理建立。

3) 通过模拟预测、分析规整，获得了全国主要城市不同制冷量下的高效制冷机房系统的能效分级评价值。