周 鵬

［同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092］

0 引言

實(shí)現(xiàn)2030年前“碳達(dá)峰”和2060年前“碳中和”目標(biāo)是我國(guó)貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，是統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局做出的重大戰(zhàn)略決策，對(duì)我國(guó)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和提升國(guó)際影響力具有深遠(yuǎn)意義。

建筑領(lǐng)域是碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，建筑運(yùn)行能耗是建筑領(lǐng)域碳排放的主體，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)背景下，減少建筑運(yùn)行能耗碳排放是行業(yè)發(fā)展的必然方向。而暖通空調(diào)系統(tǒng)在建筑運(yùn)行能耗中的占比較高，通常達(dá)40%～50%[1-2]。而系統(tǒng)冷熱源主機(jī)側(cè)，特別是制冷冷源側(cè)的制冷機(jī)房系統(tǒng)，是建筑的耗能大戶。

1 計(jì)算模型

本文以某一高層辦公建筑為計(jì)算模型，該辦公建筑位于上海市，屬夏熱冬冷地區(qū)，總建筑面積38 325 m2，地上9 層，高40.5 m。建筑模型和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)分別如圖1、表1所示。

圖1 建筑模型

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)PKPM2022 版最新綠建節(jié)能系列碳排放計(jì)算軟件計(jì)算得出空調(diào)夏季冷負(fù)荷為3868 kW。

2 碳排放計(jì)算

按照《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）第4.1.4 條，建筑運(yùn)行階段碳排放量應(yīng)根據(jù)各系統(tǒng)不同類型能源消耗量和不同類型能源的碳排放因子確定，建筑運(yùn)行階段單位建筑面積的總碳排放量（CM）按式（1）計(jì)算[3]。

式中：CM——建筑運(yùn)行階段單位建筑面積碳排放量，kg CO2/m2；Ei——建筑第i 類能源年消耗量，（kW·h）/a；EFi——第i 類能源的碳排放因子，t CO2e/（kW·h）；Cp——建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kg CO2/a；y——建筑設(shè)計(jì)壽命，a；A——建筑面積，m2。

電網(wǎng)碳排放因子采用計(jì)算軟件中推薦使用的2022年上海電力排放因子EF=4.2×10-4t CO2e/（kW·h）。

對(duì)于高效制冷機(jī)房，制冷季平均能效是其定性評(píng)價(jià)的主要技術(shù)指標(biāo)。參照美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)中針對(duì)裝配離心式冷水機(jī)組的制冷機(jī)房系統(tǒng)能效評(píng)級(jí)和新加坡綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)基本達(dá)成共識(shí)，制冷機(jī)房制冷季平均能效達(dá)到并超過5.0，即認(rèn)為其達(dá)到高效制冷機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)[4]。

制冷機(jī)房能效比（EERCP）的計(jì)算公式如式（2）所示[4-5]。

式中：EERCP——制冷機(jī)房能效比；EERr——制冷系統(tǒng)能效比，系統(tǒng)制冷量與制冷系統(tǒng)（包括冷水機(jī)組、冷卻水泵及冷卻塔等）能耗之比；COP——制冷機(jī)組運(yùn)行效率性能系數(shù)；WTFcw——冷卻水輸送系數(shù)；WTFchw——冷凍水輸送系數(shù)。

從式（2）可以看出，與制冷機(jī)房能效比相關(guān)的參數(shù)包括制冷機(jī)組運(yùn)行效率性能系數(shù)COP，冷卻水輸送系數(shù)WTFcw和冷凍水輸送系數(shù)WTFchw，均與制冷機(jī)房能效比呈正比關(guān)系，因此對(duì)于高效制冷機(jī)房系統(tǒng)，必然須提高冷水機(jī)組制冷運(yùn)行能效和提高循環(huán)系統(tǒng)冷凍水泵、冷卻水泵的輸送能效。從減小碳排放量角度而言，制冷機(jī)房相關(guān)設(shè)備各自能效參數(shù)提升對(duì)減少碳排放的貢獻(xiàn)程度，是高效制冷機(jī)房低碳化具體設(shè)計(jì)中，措施選擇的重要考慮因素，可用于決定是采取部分措施還是綜合措施進(jìn)行具體項(xiàng)目的減碳設(shè)計(jì)，所以希望能有量化數(shù)據(jù)作為參考。

3 制冷機(jī)房設(shè)備配置及分級(jí)

根據(jù)本文某一辦公建筑計(jì)算模型的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，設(shè)置的空調(diào)系統(tǒng)冷源擬采用兩臺(tái)離心式水冷冷水機(jī)組，單臺(tái)制冷量2000 kW；兩臺(tái)冷凍水循環(huán)泵，單臺(tái)流量350 m3/h；兩臺(tái)冷卻水循環(huán)泵，單臺(tái)流量400 m3/h；冷卻塔流量和冷卻水泵流量相同。

本文對(duì)照高效制冷機(jī)房不同能效比分級(jí)等級(jí)[6]所對(duì)應(yīng)的冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵的不同性能參數(shù)，進(jìn)行碳排放值計(jì)算、比較分析，以探討高效制冷機(jī)房中影響系統(tǒng)能效比的主要因子對(duì)碳排放值的影響權(quán)重。不同能效比分級(jí)等級(jí)對(duì)應(yīng)的主要設(shè)備性能參數(shù)如表2所示。

表2 不同能效比分級(jí)等級(jí)對(duì)應(yīng)的主要設(shè)備性能參數(shù)

本文利用PKPM2022 版最新綠建節(jié)能系列碳排放計(jì)算軟件進(jìn)行建模和碳排放計(jì)算，冷源主機(jī)的性能系數(shù)取值采用《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》中的規(guī)范限值作為三級(jí)系統(tǒng)能效比所對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)計(jì)算值。根據(jù)三級(jí)系統(tǒng)能效比所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，得出空調(diào)制冷年碳排放值，將其作為比較研究的基準(zhǔn)值。

4 主機(jī)側(cè)碳排放比較

經(jīng)計(jì)算，冷水機(jī)組按三級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)基準(zhǔn)冷源設(shè)備配置的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為244.18 t。若其他設(shè)備維持三級(jí)系統(tǒng)能效比基準(zhǔn)配置，則冷水機(jī)組按二級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為236.52 t，按一級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為229.85 t。

從單獨(dú)主機(jī)側(cè)不同分級(jí)對(duì)應(yīng)冷水機(jī)組COP 參數(shù)的碳排放計(jì)算結(jié)果比較來看，以三級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)的空調(diào)制冷年碳排放值作為基準(zhǔn)值，冷水機(jī)組COP 值在規(guī)范規(guī)定值基礎(chǔ)上提高6.00%時(shí)，碳排放計(jì)算值減少3.14%；冷水機(jī)組COP 值提高12.00%時(shí)，碳排放計(jì)算值減少5.87%。

5 冷凍水泵側(cè)碳排放比較

單以冷凍水泵作為比較對(duì)象，其他設(shè)備維持基準(zhǔn)配置，冷凍水泵按二級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)揚(yáng)程參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為237.49 t，按一級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)揚(yáng)程參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為231.92 t。

從單獨(dú)冷凍水泵側(cè)不同分級(jí)揚(yáng)程參數(shù)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的碳排放計(jì)算結(jié)果比較來看，以三級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)的碳排放值作為基準(zhǔn)值，冷凍水泵揚(yáng)程降低至31.0 m 時(shí)，碳排放計(jì)算值減少2.74%；冷凍水泵揚(yáng)程降至27.0 m 時(shí)，碳排放計(jì)算值減少5.02%。

6 冷卻水泵側(cè)碳排放比較

單以冷卻水泵作為比較對(duì)象，其他設(shè)備維持基準(zhǔn)配置，冷卻水泵按二級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)揚(yáng)程參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為236.93 t，按一級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為232.40 t。

從單獨(dú)冷卻水泵側(cè)不同分級(jí)揚(yáng)程參數(shù)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的碳排放計(jì)算結(jié)果比較來看，以三級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)的碳排放值作為基準(zhǔn)值，冷卻水泵揚(yáng)程降低至24.0 m 時(shí)，碳排放計(jì)算值減少2.97%；冷卻水泵揚(yáng)程降至21.5 m 時(shí)，碳排放計(jì)算值減少4.82%。

7 冷卻塔側(cè)碳排放比較

在制冷機(jī)房系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備組成中，冷卻塔自身耗能較小，本文也單以冷卻塔作為比較對(duì)象，其他設(shè)備維持基準(zhǔn)配置，冷卻塔按二級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)能效參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為242.67 t；按一級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)能效參數(shù)計(jì)算的冷源側(cè)空調(diào)年能耗碳排放量為241.66 t。

從單獨(dú)冷卻塔側(cè)不同分級(jí)系統(tǒng)能效比所對(duì)應(yīng)的碳排放計(jì)算結(jié)果比較來看，以三級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)的碳排放值作為基準(zhǔn)值，冷卻塔能效比降至0.032 kW/（m3/h）時(shí)，碳排放計(jì)算值減少0.62%；冷卻塔能效比降至0.030 kW/（m3/h）時(shí)，碳排放計(jì)算值減少1.03%。

8 綜合配置碳排放比較

若將水冷冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔均按二級(jí)系統(tǒng)能效比的性能參數(shù)進(jìn)行綜合配置計(jì)算，得出空調(diào)年能耗碳排放量結(jié)果為221.02 t；均按一級(jí)系統(tǒng)能效比的性能參數(shù)進(jìn)行配置計(jì)算的空調(diào)年能耗碳排放量為203.49 t。

從相應(yīng)年碳排放量的比較來看，若制冷機(jī)房相關(guān)設(shè)備均按二級(jí)系統(tǒng)能效比的性能參數(shù)進(jìn)行配置，年碳排放量比三級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)參數(shù)的基準(zhǔn)值降低9.48%；若均按一級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)進(jìn)行配置，年碳排放量降低16.66%。

9 分析

通過以上量化計(jì)算數(shù)據(jù)可以分析得出以下結(jié)論。

（1）制冷機(jī)房系統(tǒng)中，冷卻塔由于自身能耗量較小，權(quán)重低，冷卻塔本身的性能優(yōu)化并非系統(tǒng)減碳措施的重點(diǎn)。但因?yàn)橄到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，冷卻水水溫對(duì)冷水機(jī)組COP 值的影響明顯，合理控制并適時(shí)降低冷卻水溫是冷卻塔側(cè)減碳運(yùn)行的重點(diǎn)。

（2）冷水機(jī)組、冷凍水泵和冷卻水泵不同分級(jí)系統(tǒng)能效比對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)對(duì)目前軟件計(jì)算降低碳排量的影響度差異不大，其中冷水機(jī)組COP 值分別提升6.00%和12.00%，影響度略高，是制冷機(jī)房系統(tǒng)減碳貢獻(xiàn)的排頭兵，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用高COP 值的機(jī)組。

（3）從軟件計(jì)算減碳程度數(shù)值可以看出，水泵側(cè)輸送能耗的影響度明顯，因此冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)的優(yōu)化及水泵揚(yáng)程的控制也應(yīng)是減碳措施的重點(diǎn)之一。水泵揚(yáng)程的設(shè)置與主機(jī)蒸發(fā)器、冷凝器阻力，末端、冷卻塔阻力及管線阻力相關(guān)。除選用低阻設(shè)備外，管線方面需要更精細(xì)化的設(shè)計(jì)，設(shè)置更優(yōu)的管路路由，避免過多的翻轉(zhuǎn)。具體設(shè)計(jì)中可借助流體輸配管網(wǎng)仿真軟件，定量分析不同降阻措施對(duì)降低輸配能耗的效果，減少局部阻力，降低水泵揚(yáng)程。

（4）對(duì)冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行比較可知，一般工程項(xiàng)目中，冷卻水系統(tǒng)管路更簡(jiǎn)單，管道工程量較少，因此減碳設(shè)計(jì)中，除優(yōu)化局部阻力外，適當(dāng)增加冷卻水管徑，減小流速，降低管道比摩阻，可列為機(jī)房系統(tǒng)減碳的主要措施之一。

（5）制冷機(jī)房系統(tǒng)中各單項(xiàng)設(shè)備性能參數(shù)的提升對(duì)減少碳排放量的影響有限，對(duì)于有較高低碳目標(biāo)的項(xiàng)目，建議采取綜合性措施，多維度提升各系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的性能參數(shù)，以較大幅度地減少項(xiàng)目運(yùn)行能耗碳排放量。

10 結(jié)語

本文以上海地區(qū)某辦公建筑為模型，利用PKPM2022 版最新綠建節(jié)能系列碳排放計(jì)算軟件進(jìn)行建模及碳排放計(jì)算，對(duì)高效制冷機(jī)房系統(tǒng)按系統(tǒng)能效比分級(jí)不同等級(jí)相關(guān)設(shè)備（冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔）參數(shù)，并將參數(shù)輸入軟件進(jìn)行碳排放量化比較并分析，希望在“雙碳”背景下能有助于高效制冷機(jī)房系統(tǒng)低碳化設(shè)計(jì)的方向性策略的選擇與制定。