模塊化高效機房發展的回顧與思考

馬劍云，陳少杰，張歡，牛慧

摘 要：中央空調冷凍站主要是由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統、制冷季循環系統和電器自控系統等分系統組成的一個整體，是一個機電一體化系統級產品。按照系統級產品交付實施的模塊化高效機房，很好地解決了國內中央空調冷凍站建設占地面積大、現場交叉施工周期長、接口協調復雜、能耗大的問題，并形成產品化、標準化，是對暖通空調帶來重大機遇的一次行業變革。

關鍵詞：模塊化；高效機房；工廠預制；行業變革

中圖分類號：TU203? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）10-0116-03

0 引言

中央空調冷凍站主要由冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、水處理設備、管道、管道支架、電線電纜及各類閥門、傳感器等組成，先由土建總包單位依據設計院提供的設備定位圖和業主（甲方）提供的設備尺寸圖制作設備的水泥基礎，再由機電安裝單位按照設計院的設計圖紙將業主（甲方）提供的設備（單獨設備招標）落位在水泥基礎上，并在現場連接相應的管道，給各設備配電，各設備由各自廠家負責調試，最后由機電安裝單位移交給運營單位。設備質保由各廠家負責，工程建設質保由機電安裝單位負責。

中央空調冷凍站（包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔）電耗占空調系統電耗的70%～80%[1]，存在建設占地面積大、現場交叉施工周期長、接口協調復雜、運營管理困難、責任分散、單點控制等問題。在碳達峰、碳中和目標愿景下，提高系統的運行效率，降低中央空調系統能耗，實現建筑能耗迫在眉睫。

2019年，發改委、工信部等國家七部委聯合印發了《綠色高效制冷行動方案》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，綠色高效制冷產品市場占有率提高40%以上，實現年節電4 000億kW·h左右。模塊化高效機房（簡稱高效機房）是在傳統冷凍站技術和工程建設的基礎上，對核心技術和商務運作模式不斷創新和應用，而形成的機電一體化系統級產品。與傳統冷凍站相比，其年均運行效率提高20%～50%，占地面積節省1/3，建設周期縮短1/2，可大幅降低中央空調系統運行費用和維護難度，是對暖通空調行業帶來重大機遇的一次變革。

1 高效機房簡介

《集成式制冷機房應用技術標準》 T/SDCEAS 10008-2022[2]對高效機房的定義是：以提高系統能效為原則，選擇制冷設備及其控制策略，利用計算機輔助設計軟件，對管道及設備安裝進行優化集成，形成工廠化預制、模塊化運輸、裝配化施工的制冷機房系統。

《高效制冷機房技術規程》T/CECS 1012-2022[3]對高效機房的定義是：在滿足室內熱舒適度和經濟合理性的前提下，通過采用性能化設計、精細化施工、全過程調適、持續運行優化等措施，使得系統綜合能效比符合本標準規定的制冷機房系統，簡稱高效機房。高效機房三維效果圖如圖1所示。

2 高效機房促進暖通空調行業發展變革

中央空調冷凍站主要是由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統、制冷季循環系統和電器自控系統等分系統組成的一個整體，實質上是一個機電一體化系統級產品。本文嘗試研究高效機房在促進暖通空調行業發展中的探索與思考，在以下4個方面進行了變革，并促進了行業發展。

2.1 從現場到工廠

目前國內中央空調冷凍站普遍采用各設備分開招標，由機電總包負責在現場直接按照設計院初步設計的圖紙進行安裝，各設備之間沒有相互聯系和相互制約關系，不能從整體協調的需要出發，沒有按照系統級產品來組織實施，實際是一種單一的工程機電安裝模式。

高效機房是追求以最優化的方式滿足系統各方面的要求，是從技術研發、產品設計、生產制造、安裝調試到系統運維全生命周期管理的理念。在建筑初步設計基礎上，其以節能控制技術和系統集成技術為核心，開展二次深化設計和三維仿真，取消水泥基礎，是對各設備進行參數優化的機電一體化系統級產品，提供全過程一站式服務，減少客戶對機房內所有設備從進場安裝到后期維修產生的多方溝通的繁雜過程，為整體機房節能負責，保證客戶利益最大化，改變了原有的產業模式。

2.2 誤差從厘米級到毫米級

高效機房不是對其組成設備進行簡單的供貨和拼裝，而是把中央空調冷凍站作為一個系統整體來分析。在詳細了解設計院的技術要求和充分考慮了冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設備廠家所生產設備的運行性能的基礎上，分析各個部分之間的相互聯系和相互制約關系，使總體中的各個部分相互協調配合，服從整體優化要求。在分析局部問題時，從整體協調的需要出發，選擇優化方案，綜合評價系統的效果。

根據現場情況及產品特點，應用模塊化設計將高效機房的各個主要組成設備模塊化分割，并實現模塊化、標準化設計，以確保高效機房結構緊湊、布局合理和占地面積小。高效機房通過三維仿真設計，建立標準的冷水機組模塊、水泵模塊、輔機模塊、冷卻塔模塊，根據產品需求隨時調用，快速成型，通過承載結構力學分析和仿真校核，將系統各種設備模塊化劃分，并集成安裝到設計好的高精度鋼結構平臺上，再將各模塊拆解成標準的生產圖紙，提交工廠進行生產加工，用產業技術工人替代現場安裝工作，可以將現場安裝施工厘米級誤差降低為工廠制造毫米級誤差，大大提高機房安裝質量。

2.3 從串行到并行

中央空調傳統冷凍站主要是由土建總包單位依據設計院提供的設備定位圖和業主（甲方）提供的設備尺寸圖制作設備的水泥基礎，再由機電安裝單位按照設計院的設計圖紙，將業主（甲方）提供的設備（單獨設備招標）落位在水泥基礎上，并在現場連接相應的管道，給各設備配電。各設備由各自廠家負責調試，最后由機電安裝單位移交給運營單位，形成一種串行的機電安裝模式。

高效機房作為模塊化、標準化產品，經過水系統二次優化設計、設備選型匹配、系統集成設計、模塊化設計、結構仿真校核及生產圖紙深化設計，已經具備生產加工的基礎。在工廠進行高效機房鋼結構平臺、管道、管道支架等的預制加工，并進行預安裝、系統水壓試驗、系統清洗及系統測試，可形成完整的產品。

高效機房的核心部件節能控制系統是通過結構化的綜合布線系統和計算機網絡技術，將各個分離的設備、功能和信息等集成到相互關聯、統一和協調的系統之中，使資源達到充分共享，實現集中、高效、便利的管理，并采用功能集成、網絡集成、軟件界面集成等多種集成技術。對高效機房的外部環境和變化規律進行分析，形成一種全自動、高效集成化的控制系統，能自動根據室內負荷變化和室外溫度變化，高效協調系統各子設備的運行模式，使得整個系統效率達到最佳。

由于模塊化設計時，對高效機房主要設備進行了模塊劃分，因此工廠預制完成后可以分模塊運輸到現場，并在現場進行模塊化拼裝。高效機房產品大同小異，可按產品的模式實現批量化生產[4-5]，從而大幅減少了現場安裝時間以及各廠家、各專業的交叉施工，降低了施工難度，提高了施工質量，可保證整個集成冷熱源系統的整體性能達到最優。

高效機房作為系統級產品，模塊化設計完成后，生產圖設計、采購設備生產、工藝管路加工、控制系統生產等同時進行。工廠模塊化拼裝完成后，進行模塊化運輸、現場模塊化拼裝，可實現快速交付，是一種并行的產品交付模式。

以某工業廠房中央空調冷凍站為例，配置兩臺制冷量1 758 kW（500 RT）的冷水機組，水泵、冷卻塔與冷水機組一對一配置。中央空調傳統冷凍站需有專用制冷機房，各設備生產完成后，運輸到現場落位安裝，連接相應管道，再進行各設備接線、系統弱電接線、各設備單機試運轉，再進行系統調試，最后驗收交付使用，共計用時106 d。具體實施步驟如圖2所示。

高效機房可選用兩臺室外型高效機房，單臺制冷量1 758 kW（500RT）的標準型產品，可以放置在工業廠房的屋頂或綠化帶，無需專用機房。各設備生產的同時，進行工藝管路加工和控制系統生產，在工廠進行模塊拼裝，同時對單臺標準型產品（單個模塊）進行打壓保溫。出廠前進行單機調試和系統測試，模塊運輸到現場后吊裝落位，再將兩臺標準型產品連管接線（包含冷卻塔配管接線），進行系統聯調，最后驗收交付使用，共計用時52 d。具體實施步驟如圖3所示。

2.4 從2年到20年

我國目前處于城市建設高峰期，城市建設的飛速發展促使建筑業、建材業飛速發展，由此造成的能源消耗已達到我國社會總能耗的20%～30%。而在建筑的全生命周期中，大部分能源消耗發生在建筑物運行過程中，占其總能源消耗的80%左右[6]，中央空調冷凍站作為能耗大戶，在全生命周期中占用了大部分的能源消耗。為了降低中央空調冷凍站的運行費用，高效機房常采用智慧運維服務平臺來提升運維水平，將中央空調冷凍站納入全生命周期管理。

智慧運維服務平臺借助云平臺和大數據專業分析，實現全國各地高效機房的大數據分析及全面監控管理。它以信息化平臺為基礎，以核心資源數據庫和客戶端控制系統為載體，可為高效機房的建設運營提供技術咨詢、運營維護和節能改造服務。中央空調傳統冷凍站運行效率低、維護管理難，集成冷熱源通過智慧運維服務平臺，將中央空調冷凍站由建設型向服務主導型轉化，開辟了空調暖通行業新型咨詢服務模式，提高了中央空調冷凍站的綜合能效管理水平，將項目建設質保2年變為20年全生命周期管理的全新模式。

清華大學對我國5座城市40余座典型傳統制冷機房進行現場測試，多數冷水機組能效比COP處于3.0～5.0，若考慮冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔耗電后，制冷機房EER＜3.5。《集成式制冷機房應用技術標準》 T/SDCEAS 10008-2022中1級能效標準為5.5。以某商業綜合體空調系統使用20年為例，不同空調系統冷源全生命周期費用對比差距巨大，詳情見表1。

3 結束語

高效機房由起初只進行單一設計研發，針對具體項目定向開發，到全生命周期服務，從技術研發、產品設計、生產制造、安裝調試到系統運維，每一個環節都有成熟的解決方案。通過系統集成設計、模塊化設計和智慧運維服務等措施，可降低產品的風險、提高產品的能效。面對碳達峰、碳中和進入倒計時，高效機房產品也必須積極謀變，主動應對，以系統級產品理念為指導，構建適應市場并服務產業融合發展的產品體系，形成圍繞核心技術面向多元市場的發展格局，加快產業化發展的腳步，真正實現行業變革。

參考文獻

[1] 龍惟定.建筑能耗比例與建筑節能目標[J].中國能源，2005，27 （10）：23-27.

[2] 山東建筑設計研究院.集成式制冷機房應用技術標準：T/SDCEAS 10008－2022[S].北京：中國建筑工業出版社，2022.

[3] 中國建筑科學研究院.高效制冷機房技術規程：T/CECS 1012 -20222[S].北京：中國建筑工業出版社，2022.

[4] 張亞新.模塊化設計在工程建設中的應用探析[J].硫磷設計與粉體工程，2020（2）：1-3+12.

[5] 顧新建，楊青海.機電產品模塊化設計方法和案例[M].機械工業出版社，2014.

[6] 吳曉紅，楊祖貴，李穎謙.基于全生命周期的建筑節能研究[J].建筑節能，2011，39（10）：75-77.