绿色高效制冷机房深化及研究

绿色高效制冷机房深化及研究

董玲 

上海建工四建集团安装工程有限公司   上海市 200030

摘要：本文以我司在上海南站万科项目中高效机房的实际施工应用为案例进行分析说明，讨论在高效机房深化和BIM工作中，如何从优化系统、施工前期策划、机房三维建模和施工中节点控制等方面来诠释实现高效机房的“高效”概念。

关键词：系统优化 、减阻、建模、节点控制

引言：随着双碳政策的发展以及建筑节能减排政策的不断推进，高效机房对于节能的意义非凡，也在一定程度上节约设备的运行成本。对于施工单位来说，安装高效机房是我们开始研究探索的方向。

一、系统优化：由减阻方法带来的机房管线排布特点

1.1.冷却水管和冷冻水管管路优化

冷却水管采用1个90°弯头和一个斜向插入的顺水三通；冷冻水管采用了1个45°弯头、1个90°弯头和一个斜向插入的顺水三通。相比普通机房的做法，将45°弯头改为90°弯头，略微增加了局部阻力，但在相当程度上节省了管线对通行空间的占用，也回避了三维空间双45度夹角管线的定位问题，使施工难度大大降低，可谓是性价比较高的方案。

1.2. 水泵优化

水泵方面，常规排布的弯头不多。端吸泵(下进上出的水泵形态):水泵吸入端常规来说是一个三通和一个90°弯头。若考虑节省阻力，可采用类似冷机进出口的45°斜向上弯头。那么如果按照水泵进口和主管高差3m计算，则简单计算可得，管道从弯头开始向水泵的轴向和水平向均需要伸出3*1.41=4.24m。显然，对机房空间的要求极高，一般的机房无法容纳如此跨度的直管。故南站项目采用了90°弯头加顺水三通的形式，将机房的空间需求保持在常规机房的水平。

水泵出口端是垂直向上的接口，若以正三通接入， 则整段出水管除了不可省略的阀门附件外仅有一个三通。若是采用斜向插入主管的支管，则原本竖直一根的管道需要添加一个45°弯头，则会成为一个弯头加一个斜三通的形式。

从阻力系数上分析，按红宝书给出的数据，一个合流正三通是1.5，一个合流斜三通是0.5，一个45°弯最大是1.0，最小是0.5。表格中未明确所用的弯头的半径，三通是否变径或其他造型，按默认的标准情况来看，弯头加斜三通的形式所产生的阻力系数小于等于单纯正三通的，仅当支管管径为DN80和DN100时两者相等，其他管径下弯头加三通的形式更优。南站的支管管径大于DN100，故采用了此种接管形式。

一般提及高效机房设计和施工，往往第一反应是要尽力将机房内的阻力降低。但在实际系统运行中，一味地降低系统阻力，视不同系统形式，不一定能有效降低系统能耗，在某些特殊情况下甚至可能反而增加能耗。下文将简单阐述典型冷冻水系统设计逻辑和可能存在的水泵功耗浪费问题。

空调冷水系统分为冷冻水系统和冷却水系统。在机房内，冷冻水系统分类较为复杂，分为定流量水系统和变流量水系统。定流量系统的用户侧和主机流量始终不变，用户的调节通过设置在末端的三通阀旁通多余冷水来实现，适用于小型系统，不太常见。

变流量系统又可以进一步分为一级泵变流量系统和二级泵变流量系统，当然对于更大的项目还存在多级泵系统。按照主机是否定频，一级泵系统有一级泵压差旁通和一级泵变频变流量两种形式。一级泵压差旁通从原理上看与定流量系统差异不大，负荷较大时无法节省水泵能耗，仅当用户冷负荷降低至一台机组容量以下时，只运行一台主机和对应的水泵来节能。

一级泵变频变流量系统在管道系统形式上与前者没有区别，但在用户需求变化时可以通过水泵变频来节能。此系统可能有两种浪费能量的情况：1.水泵扬程过大，多余的流量将从旁通流过，导致浪费；2.当用户侧冷负荷太小，为保证冷机安全运行所需的最小系统流量，水泵仍需满负荷运行，导致大流量小温差。第二种情况的问题主要在于设备选型的匹配和主机性能，暂且不做论述，而第一种情况的另一种表述是水泵的扬程相对管道系统阻力更大，无论是设备选型的问题还是管道实际阻力太小，都存在节能的潜力。

二级泵系统存在两组泵，一次侧水泵定流量运行，二次侧变流量，两组水泵各自独立运行，这是中大型项目比较常见的形式。其中二次泵如果扬程选择过大，除了会造成如上述系统的旁通浪费之外，还可能导致盈亏管中的水逆流，即二次泵从盈亏管中抽水，由于此流向的水属于冷冻水回水，其温度较高，与供水浑水后会导致用户侧供水温度升高，使得用户侧“感到”冷量不足，从而“要求”二次泵增加流量，导致二次泵进一步提高扬程，恶化整个情况，最终导致大量的能量损失。

通过以上系统分析可知，在制冷系统的运行中，文献中提及的水泵扬程过高、旁通水回流属于冷冻水系统的典型不良运行状况。冷冻水旁通水回流是纯粹的能量的浪费部分。旁通原因在于，二次侧水系统提供的水压和流量超过了二次侧用户的需求，而为保证冷冻机在一定的流量下运行所采取的安全措施。在二级泵系统中，水泵提供的压头过大甚至会反过来导致恶性循环，使得系统始终运行在满负荷状态下的同时，用户舒适性反而降低。

故总结来看，即便降低管路阻力，也必须针对当前冷水系统，并且准确匹配设备的性能，否则可能达不到节能效果或者反而增加系统能耗。

1.3.阀门优化

在南站万科的模式下，机房群控均在冷机厂家的合同内，由此带来的一个优势是，机房内部的传感器和部分控制阀门可以由冷机来取代，从而减少部分阀门仪表，系统取消了所有的温度传感器和定流量阀，优化了出口的金属软接。

另外，规模不太大的系统可以通过计算严控水力平衡取消分集水器，从而降低阻力。

1.4. 减阻能力分析

南站初始设计做法阻力计算和后期优化的阻力计算分析对比

一次侧冷水优化前                    一次侧冷水优化后

可以看到，主要优化的内容在于弯头数量，温度计的影响不大。通过弯头的优化，总体阻力从9.87m降低为9.62，降低了2.53%。其中蒸发器压降为7.1m，故对于输配系统而言优化幅度为9.03%。

二、施工前策划

高效制冷机房采用高效设备，而机房优化设计需要大量的方案对比和技术优化，这就加长了设备的选型周期，个别项目甚至采用了非常规设备，更增加了设备的生产时间。因此，机房的前期工程需提前进行，设备采购环节也较常规项目要提前，预留足够的时间，避免影响后续工程。

T4制冷机房位于地下三层，大型设备吊装历来是机电施工项目危险性较大的分部分项工程，设备的吊装、运输安全管理是关键，因此为确保本项目吊装工程安全有序，需协调供应商对吊装设备行走路线、吊装方案及相关配合措施进行前期策划。

针对高效制冷机房管线走位复杂，以满足机房高效工况，复核水力计算为图纸深化前提，运用BIM模型对机房进行深化设计，作为现场实施前的一个施工模拟，对施工面狭窄，工序交叉多的重难点提前预判，展开技术策划，并对安装施工过程关键工艺进行提前交底、关键节点现场监督和检查，在系统安装符合规范的前提下，通过精细化施工确保系统水力平衡和压降可控，确保高效机房配套电气系统、智能控制及能效监测系统设备、管线安装符合要求。

三、三维建模

高效机房由于降阻需要，通过“异形角度连接”造成管线密布，传统机房横平竖直，而高效机房把原来水平干管下的立管挪到外侧，斜接至主管，影响面扩大，施工空间缩小。有效的施工空间不仅是施工质量保证的前提，也是工人施工效率提高的重要因素。因此需要采用必要的保障措施。

在前期BIM深化环节，在满足机房高效工况，复核水力计算为图纸深化前提，同时也要最大限度的考虑未来物业巡视维修的主通道，并将其作为后期施工的主要通道，必须保证主通道上的施工空间，所有管线为此而优化避让。

在安排施工顺序时，由上而下，先水平主管再立管斜接，由内而外依次施工，避免施工面的重叠，同时，鉴于立管段配件安装较多，可以采用局部预制化技术，先在加工场预制好再在现场与主管连接，提高施工效率的同时，也节减少了机房施工空间的影响。

四、节点控制

安装施工过程关键工艺进行提前交底、关键节点现场监督和检查，在系统安装符合规范的前提下，通过精细化施工确保系统水力平衡和压降可控，确保高效机房配套电气系统、智能控制及能效监测系统设备、管线安装符合要求。

五、运维配合

通过对空调系统联合运行时各项功能和系统综合效果验证，确保高效制冷机房和整个系统的运转良好，以及各项供能均能正常实现。对于施工单位而言，保证传感器的稳定传输是对后续运维工作开展的重要保证。

六、总结

万科南站商务城三期项目共涉及4个高效机房施工，其中2022年先行完成两个机房。高效制冷机房不能简单地说是制冷机房的高效升级，尽管其整体的施工流程和传统制冷机房并没有本质区别，但在一些施工要点和细节上大相径庭，上主攻精细化地施工，为后续精细化的运维保驾护航。

通过对于T4高效制冷机房的施工实施要点进行归纳总结，形成一套通用性、泛用性的技术方案。能为本项目的后续施工及其它类似新建项目提供技术参考。

参考文献：1.陆耀庆，《实用供热空调设计手册》 中国建筑工业出版社，2008.05

2. GB50243-2016，《通风与空调工程施工质量验收规范》【s】.北京：中国计划出版社，2016
3. 胡宇光,高书辰,周佳新.公共建筑高效制冷机房智能化技术探讨[J].信息技术与标准化,2022(12):74-77.