高效機(jī)房系統(tǒng)在某高端商業(yè)建筑中的設(shè)計(jì)、施工及調(diào)試應(yīng)用研究

王錚華

0 引言

在“雙碳3060 目標(biāo)”的推動(dòng)下，高效機(jī)房系統(tǒng)正成為業(yè)界從建設(shè)者到設(shè)備廠商的統(tǒng)一目標(biāo)，越來(lái)越多的項(xiàng)目在新建之初，就將高效機(jī)房系統(tǒng)作為建設(shè)目標(biāo)之一，這對(duì)建設(shè)各方提出了越來(lái)越高的要求，要將整個(gè)暖通系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮，而非單單進(jìn)行設(shè)備的疊加。

筆者通過(guò)對(duì)高效機(jī)房系統(tǒng)在某高端商業(yè)建筑中的實(shí)際運(yùn)用，總結(jié)高效機(jī)房系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中的解題思路，希望能為高效機(jī)房系統(tǒng)的相關(guān)人員提供建議及思路。

1 某高端商業(yè)建筑項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為高端商業(yè)建筑，包含H棟20層辦公塔樓，B棟、D棟、G 棟3 棟16 層辦公塔樓、A 棟、C 棟、F 棟3 棟7 層辦公塔樓以及E 棟2 層商務(wù)中心，空調(diào)計(jì)算總負(fù)荷為22817kw(6489RT)，項(xiàng)目原設(shè)計(jì)兩期配置850RT 離心機(jī)組3 臺(tái)，750RT 離心機(jī)組4 臺(tái)，450RT 螺桿機(jī)組，300RT 螺桿機(jī)組各1 臺(tái)。要求年平均綜合能效到達(dá)0.65kW/RT，且熱平衡在全年85%時(shí)間內(nèi)小于等于5%，冷凍水側(cè)7℃/13℃，6℃的溫差，冷卻水側(cè)采用32℃/37℃，5℃溫差。兩期共設(shè)置制冷機(jī)房2 個(gè)，位于地下一層。

2 冷凍水及冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 運(yùn)用建筑能耗模擬軟件模擬建筑實(shí)際全年負(fù)荷

圖1 建筑全年冷負(fù)荷模擬

運(yùn)用能耗模擬軟件對(duì)全建筑建模，模擬項(xiàng)目逐時(shí)負(fù)荷，確定冷水機(jī)組選型依據(jù)，原設(shè)計(jì)單位空調(diào)面積冷負(fù)荷指標(biāo)為139kW/m，總冷負(fù)荷冷噸數(shù)為6 489RT，經(jīng)過(guò)整體負(fù)荷模擬后，考慮到外幕墻及墻體保溫技術(shù)的更新迭代，與業(yè)主招商部門及設(shè)計(jì)院充分溝通后，將總冷負(fù)荷修改為6 200 RT，單位空調(diào)面積冷負(fù)荷指標(biāo)修改為130w/m，下降了5%，使空調(diào)運(yùn)行情況更為貼合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)冷水機(jī)組配置，優(yōu)化冷機(jī)使其全年運(yùn)行于高效區(qū)間

通過(guò)負(fù)荷模擬，并且結(jié)合冷水機(jī)組產(chǎn)品特性，統(tǒng)計(jì)各負(fù)荷段在全年出現(xiàn)的時(shí)間，對(duì)不同機(jī)組配置如 1 200RT×4+700RT×2，1 000RT×5+600RT×2 等方案進(jìn)行配置分析，使制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)盡量靠近高效區(qū)間運(yùn)行。

2.3 通過(guò)冷凍水及冷卻水雙側(cè)大溫差減小管網(wǎng)阻力損失

冷水機(jī)組采用優(yōu)化選型冷凍水側(cè)采用5℃/14℃的9℃溫差的超大溫差選型，對(duì)管道的沿程及局部阻力損失方面有以下較為有利的影響。

2.3.1 優(yōu)化冷凍水側(cè)溫差減小冷水機(jī)組蒸發(fā)器壓降

對(duì)冷水機(jī)組的影響，在該工況下，能降低蒸發(fā)器在滿負(fù)荷情況下的壓降到30 kPa 以下，若采用原設(shè)計(jì)5℃溫差，則冷機(jī)蒸發(fā)器壓降則為80kPa，僅此項(xiàng)即可減少冷機(jī)阻力損失5m。

2.3.2 校核冷水機(jī)組選型，冷水機(jī)組蒸發(fā)器滿足變流量需求

在采用一次泵變頻的同時(shí)，冷水機(jī)組滿足在變流量情況下，該冷水機(jī)組蒸發(fā)器最小流量限制仍能滿足變流量的需求。即最低流量仍需滿足常規(guī)變頻30HZ 的需求。

2.3.3 運(yùn)用超大溫差系統(tǒng)減小冷凍水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力

根據(jù)公式（1）：

圖2 全年負(fù)荷時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3.4 取消主管及支管平衡閥設(shè)置

在冷凍水側(cè)選用9℃溫差后，進(jìn)行管網(wǎng)阻力校核，經(jīng)過(guò)計(jì)算各樓棟滿負(fù)荷最不利端的阻力值損失值對(duì)比在2%以內(nèi)，相差值在0.5m 以內(nèi)，在此情況下，考慮高于90%負(fù)荷的情況在整個(gè)制冷季內(nèi)的使用時(shí)數(shù)僅為17h，大多數(shù)時(shí)間處于部分負(fù)荷情況下，表1 列舉了75%，50%，25%負(fù)荷情況下的各樓棟的阻力損失值。

表1 冷凍水系統(tǒng)各支路阻力對(duì)比表

可以發(fā)現(xiàn)，在部分負(fù)荷情況下，各樓棟的阻力損失的差值進(jìn)一步縮小，在25%時(shí)，已經(jīng)縮小為0.01～0.02m，所以，平衡閥的設(shè)置在此種情況下，可以考慮取消，以進(jìn)一步減小能耗，常規(guī)系統(tǒng)設(shè)置平衡閥一般在主管，直管都設(shè)置平衡閥，以控制各支路不平衡度，在此情況下即使處于全開(kāi)的情況下，阻力將增加25kPa，水泵揚(yáng)程需相應(yīng)增加2.5m，僅減小這一部分的阻力損失，可以使揚(yáng)程減小2.5m。

2.3.5 采用45°彎頭、2D 長(zhǎng)半徑彎頭、順?biāo)ㄟM(jìn)一步減小管網(wǎng)阻力損失

在整個(gè)管路系統(tǒng)中采用45°彎頭、長(zhǎng)半徑彎頭及順?biāo)ㄐ问?，根?jù)《實(shí)用空調(diào)供熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》45°彎頭局部阻力系數(shù)為0.5 左右，90°2D 彎頭局部阻力系數(shù)為0.48，順?biāo)ň植孔枇ο禂?shù)為0.5，都小于一般施工工藝采用的管道配件的局部阻力系數(shù)。

2.3.6 取消地面分、集水器設(shè)置

取消地面分、集水器，地面分、集水器的設(shè)置一是為了便于連接通向各個(gè)區(qū)域支管，二是為了各區(qū)域有統(tǒng)一起始或終端壓力，便于水流平衡，在采用大溫差系統(tǒng)后，各個(gè)支路系統(tǒng)管網(wǎng)阻力之間的差值已經(jīng)縮小至一定范圍，采用變流量系統(tǒng)后，部分負(fù)荷時(shí)差值更小，因此可以取消分、集水器，減少初投資。

2.3.7 機(jī)房?jī)?nèi)采用同程管布置

雖然整體管網(wǎng)阻力已經(jīng)由于采用大溫差小流量系統(tǒng)，以及設(shè)計(jì)過(guò)程中采用45°彎頭，長(zhǎng)半徑2D 的90°彎頭以及順?biāo)ǎ瑴p小到20m，但為了系統(tǒng)更好地運(yùn)行，也為了避免采用異程管導(dǎo)致，冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不均衡的情況，筆者優(yōu)化了設(shè)備布置，在機(jī)房?jī)?nèi)空間允許的情況下，機(jī)房總管路采用同程管布置，同時(shí)預(yù)留充分的檢修空間。

2.3.8 冷卻水側(cè)采用7℃大溫差設(shè)計(jì)減小水泵揚(yáng)程

冷卻水側(cè)也采用7℃溫差，在該工況下，冷凝器滿負(fù)荷情況下的壓降在40kPa 以下，冷凍機(jī)房?jī)?nèi)冷卻水側(cè)的壓降控制在8m 以下，冷卻水系統(tǒng)的壓降控制在18m 以下，較之原設(shè)計(jì)30米的水泵揚(yáng)程，減小了33%。

2.3.9 優(yōu)化冷卻水泵選型

對(duì)整個(gè)冷卻水管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，由于采用大溫差系統(tǒng)及總負(fù)荷優(yōu)化后，總流量由原設(shè)計(jì)的4 470m/h 下降為3 144m/h，采用7℃溫差后，系統(tǒng)流量為原設(shè)計(jì)系統(tǒng)的70%，根據(jù)阻力計(jì)算公式，整體管道系統(tǒng)在不更改管徑的情況下，系統(tǒng)阻力按公式可下降為原系統(tǒng)的49%，考慮到部分區(qū)域由于施工區(qū)域受限或避讓其余管道或結(jié)構(gòu)，無(wú)法采用長(zhǎng)半徑彎頭及順?biāo)ǎ罱K選取冷卻水泵揚(yáng)程為20m。

2.3.10 采用大溫差設(shè)計(jì)及順?biāo)ㄔO(shè)計(jì)解決異程布置冷卻塔的水力不平衡

在管網(wǎng)阻力損失減小后，原系統(tǒng)分別布置在兩棟塔樓上的在冷卻塔的兩路管路之間的阻力損失差值僅為0.1m，在一定程度上也可以解決每棟樓上采用異程管布置的6 臺(tái)冷卻塔，塔與塔之間的進(jìn)水管的不平衡率，在此部分僅需考慮進(jìn)水及回水總管的阻力損失，而總管阻力損失可采用順?biāo)ㄐ问綔p小，依據(jù)文獻(xiàn)[1]，T 型三通局部阻力系數(shù)為1.5，而采用順?biāo)ê?，局部阻力系?shù)為0.5，阻力系數(shù)部分就下降0.5。

2.3.11 采用高標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)處理系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，就采用高標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)處理系統(tǒng)，要求運(yùn)行時(shí)，冷水機(jī)組的趨近溫度小于1.5℃，特別是冷卻水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)因?yàn)殚L(zhǎng)期處于蒸發(fā)濃縮的過(guò)程，如無(wú)良好的加藥系統(tǒng)，很容易導(dǎo)致冷塔填料結(jié)垢，管道腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻塔散熱性能下降，管網(wǎng)阻力增大，冷卻水系統(tǒng)每高1 度，就會(huì)造成冷水機(jī)組能耗提高2%～3%，進(jìn)而影響系統(tǒng)的整體能效。

2.3.12 采用符合AHRI 標(biāo)準(zhǔn)的板換用于冬季自由冷卻

在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用符合AHRI 標(biāo)準(zhǔn)的冬季自由冷卻板換，冬季依靠冷卻塔散熱服務(wù)冬季仍有負(fù)荷的內(nèi)區(qū)或其他區(qū)域。

2.3.13 采用高精度傳感器及M&V 系統(tǒng)

采用符合SS591 和新加波GreenMark 要求的傳感器，包括溫度傳感器精度小于0.05℃，互感器精度小于1%，流量計(jì)精度小于0.5%，整體要求傳感器加權(quán)平均精度小于5%。

3 高效機(jī)房精細(xì)化項(xiàng)目管理過(guò)程

高效機(jī)房項(xiàng)目不同于普通制冷機(jī)房施工項(xiàng)目，往往要求在竣工后仍有2～5 年的能效保證期，在能效保證期內(nèi)的年平均能效在妥善維護(hù)及保養(yǎng)的情況下，不得低于承諾值，這意味著能效保證期的管理維護(hù)要求不僅僅限定于設(shè)備的普通維護(hù)保養(yǎng)，而是需要擴(kuò)大到末端設(shè)備的維護(hù)及管理，要求流程控制更為精細(xì)，PDCA 的項(xiàng)目管理流程不僅貫穿在項(xiàng)目執(zhí)行階段，更需要貫穿于項(xiàng)目整體生命周期。

3.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的精細(xì)化管理

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，與設(shè)計(jì)人員需要保持緊密溝通，作為能效保證方，不僅需要對(duì)設(shè)計(jì)階段的各種修改了如指掌，更要對(duì)每一次修改后的結(jié)果及過(guò)程負(fù)責(zé)，對(duì)所選用的每個(gè)種類的設(shè)備，都需要了解熟悉，對(duì)其運(yùn)行性能更要爛熟于胸。因此建立完善的可追溯的資料體系就顯得尤為重要，需要建立完善的公司內(nèi)部及外部文件收集程序，建立完善的資料留檔及回溯程序。

3.2 施工階段的精細(xì)化管理

在施工階段，需要精確運(yùn)用BIM 模型指導(dǎo)施工過(guò)程，由于高效機(jī)房系統(tǒng)不同于破銅系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)有較多非常規(guī)管道制作方式，較多采用空間45°彎頭接管，而不同于普通系統(tǒng)的平面或立面45°接管，在施工過(guò)程中采取以下方式：

（1）在BIM 建模中進(jìn)行精確建模，主管及支管位置必須準(zhǔn)確。

（2）而后利用BIM 進(jìn)行模塊化標(biāo)注出圖，注明每個(gè)部位的尺寸，例如下接管管長(zhǎng)，在主管接入口開(kāi)口角度等。

（3）在獲得細(xì)節(jié)的BIM 圖紙后，現(xiàn)場(chǎng)取相同施工方法的同一接管方式的部件中的一個(gè)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣，試做。

（4）試做完成后進(jìn)行復(fù)檢，與BIM 圖紙進(jìn)行核對(duì)，核對(duì)無(wú)誤后，方可進(jìn)行大規(guī)模預(yù)制。

（5）在大規(guī)模預(yù)制時(shí)，采用工廠化預(yù)制，控制施工精度，避免由于現(xiàn)場(chǎng)施工造成的配管不準(zhǔn)確，誤差過(guò)大，進(jìn)而返工的損失。

3.3 項(xiàng)目調(diào)試階段的精細(xì)化管理

項(xiàng)目調(diào)試階段，除了一般項(xiàng)目單點(diǎn)調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)以外，精細(xì)化的要求會(huì)伴隨整個(gè)調(diào)試過(guò)程，由于大溫差系統(tǒng)高效機(jī)房需要進(jìn)行投運(yùn)后的能效保證，調(diào)試的難度和精細(xì)化要求遠(yuǎn)高于一般系統(tǒng)，原因是由于設(shè)計(jì)時(shí)，本就采用較小的誤差要求，施工時(shí)盡管以高標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行施工，但是正由于整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)論管網(wǎng)總體阻力損失，還是運(yùn)行點(diǎn)的運(yùn)行工況要求值的范圍，都較之一般系統(tǒng)要低，整個(gè)系統(tǒng)管路上在初始調(diào)試時(shí)，一個(gè)閥門的調(diào)節(jié)開(kāi)度的變化，對(duì)系統(tǒng)的影響都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般系統(tǒng)內(nèi)相同閥門開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)的影響。

調(diào)試時(shí)，由于一般調(diào)試器具，例如流量計(jì)，溫度計(jì)等的精度要求達(dá)不到調(diào)試精度需求，所以需要進(jìn)行自控系統(tǒng)的傳感器等的預(yù)先調(diào)試，在自控系統(tǒng)元器件調(diào)試完成后，才能進(jìn)行高效機(jī)房系統(tǒng)的精細(xì)化調(diào)試，同時(shí)，還需要再另外配置一套精度達(dá)到系統(tǒng)調(diào)試要求的調(diào)試工具，例如高精度的便攜式流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)等，通過(guò)施工時(shí)在管道系統(tǒng)中預(yù)留的校驗(yàn)孔，進(jìn)行雙重校驗(yàn)，才能保證調(diào)試過(guò)程的精度要求。

同時(shí)，詳細(xì)記錄每一次調(diào)試時(shí)，系統(tǒng)的各部分的參數(shù)的變化，形成完善的調(diào)試記錄，便于運(yùn)行維保期間系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的再次調(diào)試。

3.4 項(xiàng)目維保階段的精細(xì)化管理

項(xiàng)目維保階段，除了需要制定相關(guān)的維保方案，確保所有設(shè)備常規(guī)項(xiàng)的運(yùn)行檢查以外，還需要制定適時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)檢查及聯(lián)系制度，不僅對(duì)涉及的所有設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行檢查以外還需要進(jìn)行運(yùn)行精度檢查，避免因設(shè)備老化造成的能效下降，同時(shí)不僅是對(duì)制冷機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備進(jìn)行檢查外，還應(yīng)對(duì)末端設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的檢查，避免因?yàn)槟┒嗽O(shè)備的不規(guī)范控制，造成系統(tǒng)能耗的無(wú)謂損失。

4 結(jié)論

綜上所述，高效機(jī)房正逐漸成為業(yè)界的普遍共識(shí)和目標(biāo)，在我國(guó)努力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，開(kāi)源節(jié)流的技術(shù)開(kāi)發(fā)必將成為主流。而作為樓宇能耗占比50%或以上的暖通空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)能減排已箭在弦上不得不發(fā)。作為暖通空調(diào)系統(tǒng)中的用電大戶的制冷機(jī)房及其附屬設(shè)備及配件，也必將順應(yīng)這個(gè)潮流，把高效節(jié)能甚至零碳作為目標(biāo)，高效機(jī)房系統(tǒng)必將成為業(yè)界以后的建設(shè)工程的標(biāo)準(zhǔn)化要求之一。

筆者作為該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一，在過(guò)程中充分發(fā)揮自己的所學(xué)所長(zhǎng)，將高效機(jī)房，并且能效保證的該項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)際落地，從中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，從高效機(jī)房系統(tǒng)的能耗模擬、設(shè)備配置、系統(tǒng)建立、項(xiàng)目執(zhí)行、施工管理、系統(tǒng)調(diào)試及精細(xì)化調(diào)試等方面提出了自己的意見(jiàn)及建議，解決了項(xiàng)目過(guò)程中遇到的種種難題，對(duì)高效機(jī)房在業(yè)界的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)高效機(jī)房系統(tǒng)如何在內(nèi)地落地實(shí)施提供了范例樣本。

高效機(jī)房系統(tǒng)，要將精細(xì)化貫穿于項(xiàng)目整體過(guò)程，乃至項(xiàng)目的全生命周期中，進(jìn)行不斷的PDCA 循環(huán)管理，從項(xiàng)目初始就要以精細(xì)化管理為依據(jù)將整個(gè)項(xiàng)目統(tǒng)一整合、統(tǒng)一管理，才能使項(xiàng)目真實(shí)落地，獲得良好社會(huì)評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)效益。

誠(chéng)然，高效機(jī)房系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)方興未艾，筆者將繼續(xù)學(xué)習(xí)深造，刻苦鉆研，為祖國(guó)的零碳事業(yè)添磚加瓦。