基于建筑热工分区的高效制冷机房系统能效比评价分区研究

黄冬娜 ^1,2,3   屈国伦 ^1,2,3  谭海阳 ^1,2,3   姜少华 ^1,2,3   何恒钊 ^1,2,3   林辉 ^1,2,3   李翔 ^1,2,3

（1.广州市设计院集团有限公司；2.广州建筑股份有限公司；3.广州市建筑集团有限公司）

公共建筑中，集中空调系统能耗占建筑总能耗的25%~60%，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%，因此，高效制冷机房技术成为降低公共建筑整体能耗的重要手段。随着技术的不断发展，高效制冷机房的评价也成为行业关注的焦点。

DBJ/T 15-129—2017《集中空调制冷机房系统能效比监测及评价标准》首次对我国制冷机房系统进行能效比等级评价，但该标准主要针对广东省等夏热冬暖地区，目前尚未有适用于全国范围内的高效制冷机房能效比评价标准。

我国幅员辽阔，各地区气象条件悬殊，GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》根据建筑室外气候将我国划分为五大建筑热工设计分区。GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》为了提高建筑用能系统的能源利用效率，降低建筑的能耗水平，已根据各建筑热工分区对建筑围护结构热工性能和空调系统用能设备能效比等进行分区要求，而这些均影响了制冷机房系统的能效比，因此制冷机房能效比评价应基于建筑热工分区进行。在建筑热工分区中，每个热工一级区划的地理范围非常大，为了对制冷机房系统进行合理能效比评价，是否应根据制冷机房系统运行特点制定能效比评价区划指标，并在现有建筑热工分区基础上细分子区，还需要进一步研究分析。

GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》规定建筑热工设计区一级区划的主要指标为最冷月平均温度（累年1月平均温度的平均值）和最热月平均温度（累年7月平均温度的平均值），辅助指标为供暖度日数 HDD 18（历年供暖度日数的平均值）和空调度日数 CDD 26（历年空调度日数的平均值），区划指标主要参考的热工分区气象参数为室外干球温度。

除了室外干球温度外，在制冷机房能效比计算中，室外湿球温度的变化会引起空调负荷、设备能效的变化，是影响制冷机房系统能效比的关键因素，因此考虑以供冷季室外湿球温度为制冷机房系统能效比评价区划的指标进行研究。

参照相关标准和各热工分区空调实际运行经验，本文计算模型中的供冷季时间选取如表1所示。

1.1 供冷季室外湿球温度

采用中国标准气象数据库（CSWD）中的气象数据，每一热工分区选取5个代表城市，对供冷季室外湿球温度进行研究，各典型城市供冷季室外湿球温度逐时分布和室外湿球温度分布频率如图1所示。从图1可以看出，在严寒地区和寒冷地区，同一热工分区不同典型城市之间供冷季室外湿球温度差异较大，分布跨度也较大，主要分布范围为5~25 ℃，温度跨度达到20 ℃，其中严寒地区有70%以上的时间集中在10~20 ℃，寒冷地区东部城市有80%以上的时间集中在15~25 ℃。在夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区，同一热工分区不同典型城市之间供冷季室外湿球温度差异较小，分布跨度也较小。夏热冬冷地区供冷季室外湿球温度主要分布范围为15~25 ℃，温度跨度为10 ℃；夏热冬暖地区供冷季室外湿球温度主要分布范围为20~30 ℃，温度跨度为10 ℃；温和地区供冷季室外湿球温度主要分布范围为15~20 ℃，温度跨度为5 ℃。

本文参考建筑热工分区的区划指标，即采用最冷月平均温度和最热月平均温度进行划分，进一步研究各热工分区供冷季室外平均湿球温度分布情况。根据CSWD中的气象数据，5个热工分区中的典型城市和全部270个气象站点供冷季室外平均湿球温度分布结果如图2、3所示。

从图2、3可知，在夏热冬暖、夏热冬冷和温和地区各典型城市供冷季室外平均湿球温度分布相对集中，其中夏热冬暖、夏热冬冷地区主要集中在20~25 ℃之间，温和地区主要集中在15~20 ℃之间。

在寒冷地区和严寒地区，各典型城市供冷季室外平均湿球温度分布则存在明显的数据离散特征，东北部各城市之间的供冷季室外平均湿球温度相对集中，主要分布在15~20 ℃之间；西北干旱半干旱区的各典型城市之间的供冷季室外平均湿球温度波动较大，范围在3~17 ℃之间，大部分低于15 ℃。

通过各建筑热工分区典型城市供冷季室外湿球温度的分布情况，以及全国270个气象站点供冷季室外平均湿球温度的分布情况可以看出，在温和地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区供冷季室外湿球温度在时间和空间上的分布均较为集中，利用供冷季室外平均湿球温度可以较好地反映各城市供冷季室外湿球温度的情况。严寒地区和寒冷地区各城市供冷季室外平均湿球温度分布跨度大，波动范围相对较广，但整体上供冷季室外平均湿球温度还是可以反映各城市室外湿球温度的水平。因此，选取供冷季室外平均湿球温度作为制冷机房能效比评价分区指标，进一步通过研究制冷机房系统能效比和供冷季室外平均湿球温度之间的关系，确定制冷机房系统能效比等级评价是否需要对各建筑热工分区进行细化。

2.1 全年负荷计算模型

建筑模型选用简化的典型筒式办公建筑，如图4所示。选取空调系统容量为7 034 kW（2 000 rt）的大系统进行模拟计算，热工参数参照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》选取，其他参数参照JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》选取。

2.2 全年制冷机房系统能效比计算模型

冷源系统模型分为3级、2级、1级和领跑级4个等级模型。
2.3 空调制冷机房系统预测能效比

在考虑标准气象年条件、冷负荷特性变化及各设备变工况运行的基础上，预测的空调制冷机房系统全年累计总制冷量与全年累计总耗电量的比值为

2.4 制冷机房系统能效比计算结果与分析

通过对全国5个热工分区共计270个城市，采用4个能效比分级冷源系统模型进行制冷机房系统能效比全年模拟计算，各热工分区制冷机房系统能效比随供冷季室外平均湿球温度的分布见图5。选取各热工分区不同系统等级下的制冷机房系统能效比的平均值，根据式（2）计算制冷机房系统能效比在相同系统等级下的达标偏离率，计算结果见图6。

式中 ε 为达标偏离率； 为各热工分区不同系统等级下的制冷机房系统能效比的平均值。

通过图5、6可看出： 1） 各建筑热工分区内不同系统等级下，制冷机房系统能效比均随供冷季室外平均湿球温度的降低而提高。 2） 严寒地区和寒冷地区领跑级的制冷机房系统能效比随供冷季室外平均湿球温度的变化最为明显，这是由于领跑级中磁悬浮冷水机组在室外湿球温度较低时，能效比提升显著。 3） 各建筑热工分区中制冷机房系统能效比指标的达标偏离率最高达到14.9%，除夏热冬暖地区外，其他建筑热工分区内制冷机房系统能效比指标的达标偏离率均大于5%。因此，制冷机房系统能效比仅基于建筑热工分区进行评价时，各分区内制冷机房能效比差异较大，存在一定的不公平和不合理性。

2.5 制冷机房系统能效比评价建筑热工分区子区

为了确保所提出的制冷机房系统能效比指标在全国范围内的适用性及合理性，根据模拟计算结果，在建筑热工分区的基础上，根据各城市供冷季室外平均湿球温度将每个热工分区进一步划分为2个子区，如表2所示。

1） 结合建筑热工分区区划指标和各建筑热工分区室外湿球温度分布情况，选取供冷季室外平均湿球温度作为制冷机房系统能效比评价分区的区划指标。

2） 通过对全国5个热工分区共计270个气象站点，采用4个能效比分级冷源系统模型进行制冷机房系统能效比全年模拟计算，发现相同建筑热工分区、相同能效比等级下制冷机房系统能效比最大相差14.5%。

3） 以供冷季室外平均湿球温度为区划指标将每个热工分区进一步划分为2个子区，不同建筑热工分区内各城市的制冷机房系统能效比与各子区内制冷机房系统能效比指标的达标偏离率均控制在10%以内，大部分小于5%，制冷机房系统能效比指标更为合理公平。

4） 结合制冷机房系统能效比评价子区，考虑各气候区内各城市经济水平的差异，选取各热工分区、各能效比等级下制冷机房系统能效比的最小值作为制冷机房系统能效比指标，得出高效制冷机房系统能效比分级评价标准。