模塊化高效機(jī)房發(fā)展的回顧與思考

馬劍云，陳少杰，張歡，?；?/p>

摘 要：中央空調(diào)冷凍站主要是由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、制冷季循環(huán)系統(tǒng)和電器自控系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成的一個(gè)整體，是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。按照系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品交付實(shí)施的模塊化高效機(jī)房，很好地解決了國(guó)內(nèi)中央空調(diào)冷凍站建設(shè)占地面積大、現(xiàn)場(chǎng)交叉施工周期長(zhǎng)、接口協(xié)調(diào)復(fù)雜、能耗大的問(wèn)題，并形成產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化，是對(duì)暖通空調(diào)帶來(lái)重大機(jī)遇的一次行業(yè)變革。

關(guān)鍵詞：模塊化；高效機(jī)房；工廠(chǎng)預(yù)制；行業(yè)變革

中圖分類(lèi)號(hào)：TU203? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）10-0116-03

0 引言

中央空調(diào)冷凍站主要由冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、管道、管道支架、電線(xiàn)電纜及各類(lèi)閥門(mén)、傳感器等組成，先由土建總包單位依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的設(shè)備定位圖和業(yè)主（甲方）提供的設(shè)備尺寸圖制作設(shè)備的水泥基礎(chǔ)，再由機(jī)電安裝單位按照設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)圖紙將業(yè)主（甲方）提供的設(shè)備（單獨(dú)設(shè)備招標(biāo)）落位在水泥基礎(chǔ)上，并在現(xiàn)場(chǎng)連接相應(yīng)的管道，給各設(shè)備配電，各設(shè)備由各自廠(chǎng)家負(fù)責(zé)調(diào)試，最后由機(jī)電安裝單位移交給運(yùn)營(yíng)單位。設(shè)備質(zhì)保由各廠(chǎng)家負(fù)責(zé)，工程建設(shè)質(zhì)保由機(jī)電安裝單位負(fù)責(zé)。

中央空調(diào)冷凍站（包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔）電耗占空調(diào)系統(tǒng)電耗的70%～80%[1]，存在建設(shè)占地面積大、現(xiàn)場(chǎng)交叉施工周期長(zhǎng)、接口協(xié)調(diào)復(fù)雜、運(yùn)營(yíng)管理困難、責(zé)任分散、單點(diǎn)控制等問(wèn)題。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)愿景下，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低中央空調(diào)系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)建筑能耗迫在眉睫。

2019年，發(fā)改委、工信部等國(guó)家七部委聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》要求，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，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電4 000億kW·h左右。模塊化高效機(jī)房（簡(jiǎn)稱(chēng)高效機(jī)房）是在傳統(tǒng)冷凍站技術(shù)和工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)核心技術(shù)和商務(wù)運(yùn)作模式不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，而形成的機(jī)電一體化系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。與傳統(tǒng)冷凍站相比，其年均運(yùn)行效率提高20%～50%，占地面積節(jié)省1/3，建設(shè)周期縮短1/2，可大幅降低中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)難度，是對(duì)暖通空調(diào)行業(yè)帶來(lái)重大機(jī)遇的一次變革。

1 高效機(jī)房簡(jiǎn)介

《集成式制冷機(jī)房應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》 T/SDCEAS 10008-2022[2]對(duì)高效機(jī)房的定義是：以提高系統(tǒng)能效為原則，選擇制冷設(shè)備及其控制策略，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，對(duì)管道及設(shè)備安裝進(jìn)行優(yōu)化集成，形成工廠(chǎng)化預(yù)制、模塊化運(yùn)輸、裝配化施工的制冷機(jī)房系統(tǒng)。

《高效制冷機(jī)房技術(shù)規(guī)程》T/CECS 1012-2022[3]對(duì)高效機(jī)房的定義是：在滿(mǎn)足室內(nèi)熱舒適度和經(jīng)濟(jì)合理性的前提下，通過(guò)采用性能化設(shè)計(jì)、精細(xì)化施工、全過(guò)程調(diào)適、持續(xù)運(yùn)行優(yōu)化等措施，使得系統(tǒng)綜合能效比符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的制冷機(jī)房系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)高效機(jī)房。高效機(jī)房三維效果圖如圖1所示。

2 高效機(jī)房促進(jìn)暖通空調(diào)行業(yè)發(fā)展變革

中央空調(diào)冷凍站主要是由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、制冷季循環(huán)系統(tǒng)和電器自控系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成的一個(gè)整體，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。本文嘗試研究高效機(jī)房在促進(jìn)暖通空調(diào)行業(yè)發(fā)展中的探索與思考，在以下4個(gè)方面進(jìn)行了變革，并促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展。

2.1 從現(xiàn)場(chǎng)到工廠(chǎng)

目前國(guó)內(nèi)中央空調(diào)冷凍站普遍采用各設(shè)備分開(kāi)招標(biāo)，由機(jī)電總包負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)直接按照設(shè)計(jì)院初步設(shè)計(jì)的圖紙進(jìn)行安裝，各設(shè)備之間沒(méi)有相互聯(lián)系和相互制約關(guān)系，不能從整體協(xié)調(diào)的需要出發(fā)，沒(méi)有按照系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品來(lái)組織實(shí)施，實(shí)際是一種單一的工程機(jī)電安裝模式。

高效機(jī)房是追求以最優(yōu)化的方式滿(mǎn)足系統(tǒng)各方面的要求，是從技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試到系統(tǒng)運(yùn)維全生命周期管理的理念。在建筑初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，其以節(jié)能控制技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)為核心，開(kāi)展二次深化設(shè)計(jì)和三維仿真，取消水泥基礎(chǔ)，是對(duì)各設(shè)備進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的機(jī)電一體化系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，提供全過(guò)程一站式服務(wù)，減少客戶(hù)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備從進(jìn)場(chǎng)安裝到后期維修產(chǎn)生的多方溝通的繁雜過(guò)程，為整體機(jī)房節(jié)能負(fù)責(zé)，保證客戶(hù)利益最大化，改變了原有的產(chǎn)業(yè)模式。

2.2 誤差從厘米級(jí)到毫米級(jí)

高效機(jī)房不是對(duì)其組成設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的供貨和拼裝，而是把中央空調(diào)冷凍站作為一個(gè)系統(tǒng)整體來(lái)分析。在詳細(xì)了解設(shè)計(jì)院的技術(shù)要求和充分考慮了冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備廠(chǎng)家所生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行性能的基礎(chǔ)上，分析各個(gè)部分之間的相互聯(lián)系和相互制約關(guān)系，使總體中的各個(gè)部分相互協(xié)調(diào)配合，服從整體優(yōu)化要求。在分析局部問(wèn)題時(shí)，從整體協(xié)調(diào)的需要出發(fā)，選擇優(yōu)化方案，綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的效果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及產(chǎn)品特點(diǎn)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)將高效機(jī)房的各個(gè)主要組成設(shè)備模塊化分割，并實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以確保高效機(jī)房結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理和占地面積小。高效機(jī)房通過(guò)三維仿真設(shè)計(jì)，建立標(biāo)準(zhǔn)的冷水機(jī)組模塊、水泵模塊、輔機(jī)模塊、冷卻塔模塊，根據(jù)產(chǎn)品需求隨時(shí)調(diào)用，快速成型，通過(guò)承載結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和仿真校核，將系統(tǒng)各種設(shè)備模塊化劃分，并集成安裝到設(shè)計(jì)好的高精度鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，再將各模塊拆解成標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)圖紙，提交工廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)加工，用產(chǎn)業(yè)技術(shù)工人替代現(xiàn)場(chǎng)安裝工作，可以將現(xiàn)場(chǎng)安裝施工厘米級(jí)誤差降低為工廠(chǎng)制造毫米級(jí)誤差，大大提高機(jī)房安裝質(zhì)量。

2.3 從串行到并行

中央空調(diào)傳統(tǒng)冷凍站主要是由土建總包單位依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的設(shè)備定位圖和業(yè)主（甲方）提供的設(shè)備尺寸圖制作設(shè)備的水泥基礎(chǔ)，再由機(jī)電安裝單位按照設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)圖紙，將業(yè)主（甲方）提供的設(shè)備（單獨(dú)設(shè)備招標(biāo)）落位在水泥基礎(chǔ)上，并在現(xiàn)場(chǎng)連接相應(yīng)的管道，給各設(shè)備配電。各設(shè)備由各自廠(chǎng)家負(fù)責(zé)調(diào)試，最后由機(jī)電安裝單位移交給運(yùn)營(yíng)單位，形成一種串行的機(jī)電安裝模式。

高效機(jī)房作為模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)水系統(tǒng)二次優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備選型匹配、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真校核及生產(chǎn)圖紙深化設(shè)計(jì)，已經(jīng)具備生產(chǎn)加工的基礎(chǔ)。在工廠(chǎng)進(jìn)行高效機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)、管道、管道支架等的預(yù)制加工，并進(jìn)行預(yù)安裝、系統(tǒng)水壓試驗(yàn)、系統(tǒng)清洗及系統(tǒng)測(cè)試，可形成完整的產(chǎn)品。

高效機(jī)房的核心部件節(jié)能控制系統(tǒng)是通過(guò)結(jié)構(gòu)化的綜合布線(xiàn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各個(gè)分離的設(shè)備、功能和信息等集成到相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并采用功能集成、網(wǎng)絡(luò)集成、軟件界面集成等多種集成技術(shù)。對(duì)高效機(jī)房的外部環(huán)境和變化規(guī)律進(jìn)行分析，形成一種全自動(dòng)、高效集成化的控制系統(tǒng)，能自動(dòng)根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化和室外溫度變化，高效協(xié)調(diào)系統(tǒng)各子設(shè)備的運(yùn)行模式，使得整個(gè)系統(tǒng)效率達(dá)到最佳。

由于模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)高效機(jī)房主要設(shè)備進(jìn)行了模塊劃分，因此工廠(chǎng)預(yù)制完成后可以分模塊運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊化拼裝。高效機(jī)房產(chǎn)品大同小異，可按產(chǎn)品的模式實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)[4-5]，從而大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間以及各廠(chǎng)家、各專(zhuān)業(yè)的交叉施工，降低了施工難度，提高了施工質(zhì)量，可保證整個(gè)集成冷熱源系統(tǒng)的整體性能達(dá)到最優(yōu)。

高效機(jī)房作為系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，模塊化設(shè)計(jì)完成后，生產(chǎn)圖設(shè)計(jì)、采購(gòu)設(shè)備生產(chǎn)、工藝管路加工、控制系統(tǒng)生產(chǎn)等同時(shí)進(jìn)行。工廠(chǎng)模塊化拼裝完成后，進(jìn)行模塊化運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)模塊化拼裝，可實(shí)現(xiàn)快速交付，是一種并行的產(chǎn)品交付模式。

以某工業(yè)廠(chǎng)房中央空調(diào)冷凍站為例，配置兩臺(tái)制冷量1 758 kW（500 RT）的冷水機(jī)組，水泵、冷卻塔與冷水機(jī)組一對(duì)一配置。中央空調(diào)傳統(tǒng)冷凍站需有專(zhuān)用制冷機(jī)房，各設(shè)備生產(chǎn)完成后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)落位安裝，連接相應(yīng)管道，再進(jìn)行各設(shè)備接線(xiàn)、系統(tǒng)弱電接線(xiàn)、各設(shè)備單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，最后驗(yàn)收交付使用，共計(jì)用時(shí)106 d。具體實(shí)施步驟如圖2所示。

高效機(jī)房可選用兩臺(tái)室外型高效機(jī)房，單臺(tái)制冷量1 758 kW（500RT）的標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品，可以放置在工業(yè)廠(chǎng)房的屋頂或綠化帶，無(wú)需專(zhuān)用機(jī)房。各設(shè)備生產(chǎn)的同時(shí)，進(jìn)行工藝管路加工和控制系統(tǒng)生產(chǎn)，在工廠(chǎng)進(jìn)行模塊拼裝，同時(shí)對(duì)單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品（單個(gè)模塊）進(jìn)行打壓保溫。出廠(chǎng)前進(jìn)行單機(jī)調(diào)試和系統(tǒng)測(cè)試，模塊運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后吊裝落位，再將兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品連管接線(xiàn)（包含冷卻塔配管接線(xiàn)），進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最后驗(yàn)收交付使用，共計(jì)用時(shí)52 d。具體實(shí)施步驟如圖3所示。

2.4 從2年到20年

我國(guó)目前處于城市建設(shè)高峰期，城市建設(shè)的飛速發(fā)展促使建筑業(yè)、建材業(yè)飛速發(fā)展，由此造成的能源消耗已達(dá)到我國(guó)社會(huì)總能耗的20%～30%。而在建筑的全生命周期中，大部分能源消耗發(fā)生在建筑物運(yùn)行過(guò)程中，占其總能源消耗的80%左右[6]，中央空調(diào)冷凍站作為能耗大戶(hù)，在全生命周期中占用了大部分的能源消耗。為了降低中央空調(diào)冷凍站的運(yùn)行費(fèi)用，高效機(jī)房常采用智慧運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)來(lái)提升運(yùn)維水平，將中央空調(diào)冷凍站納入全生命周期管理。

智慧運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)借助云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)分析，實(shí)現(xiàn)全國(guó)各地高效機(jī)房的大數(shù)據(jù)分析及全面監(jiān)控管理。它以信息化平臺(tái)為基礎(chǔ)，以核心資源數(shù)據(jù)庫(kù)和客戶(hù)端控制系統(tǒng)為載體，可為高效機(jī)房的建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)咨詢(xún)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和節(jié)能改造服務(wù)。中央空調(diào)傳統(tǒng)冷凍站運(yùn)行效率低、維護(hù)管理難，集成冷熱源通過(guò)智慧運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)，將中央空調(diào)冷凍站由建設(shè)型向服務(wù)主導(dǎo)型轉(zhuǎn)化，開(kāi)辟了空調(diào)暖通行業(yè)新型咨詢(xún)服務(wù)模式，提高了中央空調(diào)冷凍站的綜合能效管理水平，將項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)保2年變?yōu)?0年全生命周期管理的全新模式。

清華大學(xué)對(duì)我國(guó)5座城市40余座典型傳統(tǒng)制冷機(jī)房進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，多數(shù)冷水機(jī)組能效比COP處于3.0～5.0，若考慮冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔耗電后，制冷機(jī)房EER＜3.5。《集成式制冷機(jī)房應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》 T/SDCEAS 10008-2022中1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)為5.5。以某商業(yè)綜合體空調(diào)系統(tǒng)使用20年為例，不同空調(diào)系統(tǒng)冷源全生命周期費(fèi)用對(duì)比差距巨大，詳情見(jiàn)表1。

3 結(jié)束語(yǔ)

高效機(jī)房由起初只進(jìn)行單一設(shè)計(jì)研發(fā)，針對(duì)具體項(xiàng)目定向開(kāi)發(fā)，到全生命周期服務(wù)，從技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試到系統(tǒng)運(yùn)維，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有成熟的解決方案。通過(guò)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)和智慧運(yùn)維服務(wù)等措施，可降低產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)、提高產(chǎn)品的能效。面對(duì)碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，高效機(jī)房產(chǎn)品也必須積極謀變，主動(dòng)應(yīng)對(duì)，以系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品理念為指導(dǎo)，構(gòu)建適應(yīng)市場(chǎng)并服務(wù)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的產(chǎn)品體系，形成圍繞核心技術(shù)面向多元市場(chǎng)的發(fā)展格局，加快產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的腳步，真正實(shí)現(xiàn)行業(yè)變革。

參考文獻(xiàn)

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