凌榮武,王 亮,王 曦,馬靜靜

(1.西南科技大學 土木工程與建筑學院,四川 綿陽 621010;2.四川省建筑設計研究院有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

近年來,隨著裝配式建筑的發(fā)展,裝配式技術也開始應用于暖通行業(yè),從方案設計、工廠預制和施工安裝,都在裝配式設計范圍內。裝配式高效制冷機房是在設計階段將整個項目全過程遇到的問題都考慮在內,并給出解決方案。與傳統(tǒng)制冷機房相比,它能夠節(jié)能環(huán)保、縮短工程周期、提升工程質量以及節(jié)約人力資源[1]。

2019年6月,國家7部委聯(lián)合發(fā)布《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。在公共建筑中,空調系統(tǒng)耗電量占整個建筑總耗電量的40%～60%,而空調制冷機房系統(tǒng)又占空調系統(tǒng)的60%左右,提高機房系統(tǒng)綜合效率對建筑體節(jié)能具有重要作用[2]。裝配式高效制冷機房可以理解為裝配式機房和高效機房,裝配式機房主要解決機房前期建造所造成的能源浪費,高效機房主要解決制冷設備在運行時所造成的能源浪費。

我國力爭在2030年前將二氧化碳排放達到峰值,2060年前實現(xiàn)碳中和。隨著“雙碳”目標的提出,建筑節(jié)能減排工作也逐步展開,很多學者對裝配式制冷機房和高效制冷機房展開了研究。李垚君結合工程案例,分析了BIM技術對裝配式制冷機房的深化設計、模型劃分、施工安裝流程等方面的作用[3]。張珊珊等對制冷機房機電深化設計進行了探討,結合工程案例,給出了設計時的注意要點[4]。苗苗等結合工程項目,介紹了機房BIM模型模擬建造、標準模塊化設計等技術[5]。徐小平等通過高精度建模、預制加工精度控制及現(xiàn)場裝配精準定位等技術,實現(xiàn)制冷機房快速高精度裝配[6]。羅亮等通過仿真設計平臺對制冷機房進行節(jié)能設計,實現(xiàn)在項目初期進行系統(tǒng)設計優(yōu)化與控制策略的定制與調整[7]。王鋒結合實際案例評價并歸納總結了高效制冷機房的性能化設計方法[8]。劉冰韻等提出以制冷機房整體能耗、全年評價效率η、實際綜合部分負荷性能系數(shù)ε作為評價指標,簡單、清晰地評價制冷機房性能,優(yōu)化制冷機房設計方法[9]。彭亮等詳細介紹了海南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院高效制冷機房的冷熱源系統(tǒng)設計、輸配系統(tǒng)設計、制冷機房系統(tǒng)全年平均設計能效比計算及碳排放計算[10]。周鵬對影響暖通高效制冷機房系統(tǒng)能效比的主要技術參數(shù),如冷水機組性能系數(shù)、冷凍水泵揚程、冷卻水泵揚程、冷卻塔能效比等不同能效等級參數(shù)等進行計算,探討了高效制冷機房系統(tǒng)中不同能效等級參數(shù)的設備選擇對碳排放量的影響[11]。張昆等通過梳理制冷機房系統(tǒng)能效比、冷水機組能效比及附屬設備耗電占比三者之間的關系,提出了高效制冷機房性能化設計方法和流程[12]。毛華雄基于我國制冷空調行業(yè)現(xiàn)狀與建筑制冷機房存在的問題,分析制冷機房高效化設計及改造的技術關鍵點,結合現(xiàn)有問題,指出制冷機房高效化實施技術路線及相關要求[13]。蔣慧對制冷空調能耗現(xiàn)狀以及高效制冷機房的發(fā)展進行概述與分析[14]。李元陽等結合實際案例,闡述高效制冷機房標準化設計及其批量化應用思路,從設備精細化選型、系統(tǒng)優(yōu)化形式、智能控制系統(tǒng)構建等方面進行設計與研究分析[15]。然而,上述研究內容都僅僅對裝配式制冷機房的優(yōu)化設計或者高效制冷機房節(jié)能控制展開了研究,并沒有將裝配式制冷機房和高效制冷機機房結合考慮,從制冷機房設計、建造、運行的全生命周期的角度出發(fā),選擇最優(yōu)的制冷機房方案。

因此,本文在前人的研究基礎上,通過正交試驗設計裝配式高效制冷機房布局方案,使用裝配式設計思想,將三維模型建立、工廠預制和后期施工考慮其中,計算出不同方案的制冷機房初投資成本,按照高效制冷機房的標準,計算不同方案的能耗,將能耗轉化為制冷設備運行時產生的電費,最終以制冷機房全生命周期成本最低,來確定機房的最優(yōu)布局方案。

1 以全生命周期成本為指標的優(yōu)化流程

以全生命周期成本為指標的優(yōu)化目的是研究在不同冷負荷條件下,不同冷水機組數(shù)量下的最優(yōu)機房布局。確定冷負荷后,進行設備選型,本文主要研究不同臺數(shù)冷水機組搭配下,其機房的布局方案,并計算出每種方案的初投資成本和運行費用,從經(jīng)濟性的角度出發(fā),選擇最優(yōu)機房布局方案。

通常情況下,不選用單獨的1臺設備作為冷水機組選型。因為系統(tǒng)負荷較小時,1臺冷水機組不利于調節(jié),機組能耗大,而且當機組發(fā)生故障時,1臺機組只能中斷供冷,而2～3臺冷水機組可以根據(jù)實際需求調整機組的運行模式和負荷分配,以適應不同工況下的供冷需求[16]。因此,本文選擇2～3臺冷水機組。然后分析影響制冷機房初投資成本的因素,根據(jù)這些因素,選擇合適的正交表,設計制冷機房布局方案。利用REVIT軟件建立機房三維模型,結合制冷機房BIM設計中的難點[17],參考相應文獻的設計方法[18-19],以及深化設計建議和原則[20-22],對制冷機房做優(yōu)化設計。根據(jù)當?shù)卦靸r定額,使用機房初投資成本計算公式(1),計算每種裝配式制冷機房布局方案的成本,同時通過公式(2)、(3)和(4)計算運行費用,將制冷機房初投資成本和運行費用綜合考慮,從而確定最優(yōu)的制冷機房布局方案。

機房初投資成本計算公式為

C=E+I+A+M+P

(1)

式中:C為機房總造價;E為設備費用;I為設備安裝費用,I=設備安裝綜合基價×設備數(shù)量;A為管道附件費用;M為管道材料費用;P為管道安裝費用,P=管道安裝綜合基價×管道長度。

制冷設備運行費用計算公式為

C=(P1t1+P2t2)R

(2)

式中:C為全年電費;P1為冷水機組的實際功率,kW;t1為冷水機組的運行時間,h;P2為水泵的實際功率,kW;t2為水泵的運行時間,h;R為電價,元/kW·h。

制冷設備實際功率計算公式為

P1=P0RPLα

(3)

(4)

式中:P0為冷水機組的額定功率,kW;RPL為冷水機組的負荷率;α為冷水機組功率修正系數(shù);P20為水泵的額定功率,kW;f0為水泵的額定頻率,Hz;f為水泵的實際頻率,Hz。

2 裝配式高效制冷機房優(yōu)化設計

2.1 正交試驗設計

制冷機房的初投資成本由設備采購費用、設備安裝費用、管道耗材費用、管道附件費用以及管道安裝費用5部分組成。在工程項目中,常見的機組與水泵對應關系有一機對一泵和非一機對一泵2種連接方式,冷水機組和水泵一機對一泵的連接方式是指每臺冷水機組都連接一臺獨立的水泵,非一機對一泵是指多臺冷水機組并聯(lián)后,再以并聯(lián)后的多臺水泵連接的方式。機組與水泵對應關系會影響水泵的數(shù)量,從而導致制冷機房的造價變化。

由于制冷機房的設備管線復雜,設計時為了保證制冷機房布局的美觀性和維修的便利性,同類型的設備都會成排放置。冷凍(卻)水泵放置在冷水機組的兩側還是一側,冷水機組的擺放方位、冷水機組的冷凍端和冷卻端進出水口是否在同一側以及設備進出水口與支管的連接角度等因素,都會對管道的耗材造成影響,進而造成制冷機房的初投資成本的變化。

工程中,為了改善水力工況,將設備進出水口與支管的連接角度設置為45°、60°和90°,本文將常用的60°連接方式和90°連接方式作為研究對象。

綜上所述,將以下5個因素作為實驗對象:冷水機組擺放位置、冷卻(凍)水泵擺放位置、冷水機組進出水口位置、設備進出水口與支管的連接角度以及機組與水泵對應關系。采用5因素2水平的正交表L8(25)進行正交試驗,研究5因素在不同水平下對制冷機房全生命周期成本的影響,各因素正交水平值如表1所示。使用MINITAB軟件,對制冷機房布局的方案設計5因素2水平的正交試驗,具體方案如表2所示。其中,方案1～8是2臺冷水機組的情況,方案9～16是3臺冷水機組的情況。

表 1 制冷機房造價正交試驗的因素與水平

表 2 制冷機房設備擺放位置方案

2.2 模型創(chuàng)建及邊界條件設置

以冷負荷值1100RT為例,分別對2臺、3臺冷水機組的情況進行設備選型,選型結果和管徑如表3所示。

表 3 冷水機組及水泵選型結果

需要說明的是,由于篇幅問題,本文僅以1100RT為例,僅為說明基于全生命周期成本的裝配式高效制冷機房設計優(yōu)化方案思路。不同負荷率下的設計優(yōu)化方案研究結果可能會存在差異,但是其設計優(yōu)化方案思路一致。

通過REVIT軟件建模時,柱子尺寸400 mm×400 mm,柱間距8.4 m,管道標高4.5 m,機組與墻面距離不小于1 m,機房主通道寬度不小于1.5 m,機組與機組之間或其他設備之間距離不小于1.2 m,在管道上安置儀器儀表和經(jīng)常需要人工操作的閥門附件時,要合理布置,便于后期運維人員的操作。建立BIM模型如圖1所示。

(a) 方案1 (b) 方案2

(c) 方案3 (d) 方案4

(e) 方案5 (f) 方案6

(g) 方案7 (h) 方案8

(i) 方案9 (j) 方案10

(k) 方案11 (l) 方案12

(m) 方案13 (n) 方案14

(o) 方案15 (p) 方案16

2.3 初投資成本計算

對各種方案中的設備、管道尺寸、 管道附件等相關信息進行整理, 通過廠家詢價, 結合《四川省建設工程工程量清單計價定額——通用安裝工程》, 確定設備安裝定額和管道安裝定額, 主要設備單價及安裝費用如表4所示。 參照機房初投資成本計算公式(1), 計算每種方案的初投資成本, 結果如圖2所示。

表 4 主要設備單價及安裝費用

圖 2 制冷機房初投資成本Fig.2 Initial investment cost of refrigeration room

從圖2可以看出:2臺冷水機組的方案(方案1～8)初投資成本高于3臺冷水機組的方案(方案9～16)。2臺冷水機組的方案平均初投資成本為419.3萬元,3臺冷水機組的方案平均初投資成本為386.4萬元,兩者相差32.9萬元,這主要是由冷水機組的采購費用和管道耗材費用造成的。方案10為初投資成本最低的方案。通過方案1～8和方案9～16比較得出,如果只考慮初投資成本,3臺冷水機組的布置方案優(yōu)于2臺冷水機組的布置方案。

2.4 裝配式高效制冷機房運行費用計算

在1100RT的情況下,這16種方案包括了4種設備搭配方式,具體結果如表5所示。通過公式(2)、(3)和(4)計算,電價為0.8 元/kW·h,得出上面4種搭配方式的運行費用如圖3所示。

表 5 設備搭配方式

從運行費用角度分析,一機對一泵(方式1、3)的設備搭配方式節(jié)能效果優(yōu)于非一機對一泵(方式2、4)的設備搭配方式。2臺冷水機組的平均運行費用為57.5萬元,3臺冷水機組的平均運行費用為75萬元,前者較后者每年節(jié)約17.5萬元的運行費用,說明2臺冷水機組的布局方案優(yōu)于3臺冷水機組的布局方案。

圖 3 設備運行費用Fig.3 Equipment operating costs

綜上所述,在設計建造過程中,3臺冷水機組布局方案的投入成本低于2臺冷水機組布局方案的投入成本。而在運行過程中,2臺冷水機組布局方案的運行費用低于3臺冷水機組布局方案的運行費用。因此,該現(xiàn)象充分說明進行全生命周期成本分析的重要性。

2.5 全生命周期成本分析

設備搭配方式1每年的運行費用比設備搭配方式3節(jié)約14.4萬元,而該2種設備搭配方式對應的初投資成本最低的方案為方案2和方案10,分別為413.8萬和378.8萬元,二者相差35萬元,方案2需要2.5年的時間就能節(jié)約出比方案10多出的初投資成本費用。因此,假定每種方案運行3年時間,上述16種方案全生命周期成本結果如圖4所示。

圖 4 全生命周期成本Fig.4 Life cycle costs

從圖4可以看出:方案2為全生命周期成本最低的裝配式高效制冷機房。一機對一泵的布局方案和非一機對一泵相比較,前者的全生命周期成本遠低于后者,這也說明一機對一泵設備搭配方式節(jié)能效果高于非一機對一泵的搭配方式。

3 影響因素相關性分析

為了研究冷水機組擺放位置、冷卻(凍)水泵擺放位置、冷水機組的進出水口位置、設備進出水口與支管的連接角度以及機組與水泵對應關系這5個因素對制冷機房全生命周期成本的影響,對其進行極差分析。制冷機房初投資成本極差分析計算結果如表6所示。

表6中,k1為2臺冷水機組的情況下,某因素水平1的所有方案初投資成本的平均值;k2為2臺冷水機組的情況下,某因素水平2的所有方案初投資成本的平均值;k3為3臺冷水機組的情況下,某因素水平1的所有方案初投資成本的平均值;k4為3臺冷水機組的情況下,某因素水平2的所有方案初投資成本的平均值;R1為2臺冷水機組的情況下,某因素不同水平間制冷機房初投資成本的極差值,即k的最大值減去最小值;R2為3臺冷水機組的情況下,某因素不同水平間制冷機房初投資成本的極差值,即k的最大值減去最小值。

表 6 極差計算結果

由表6可知:無論是2臺冷水機組還是3臺冷水機組,機組與水泵的對應關系這一因素的極差值最大,說明機組與水泵對應關系是影響制冷機房造價的主要因素,且裝配式高效制冷機房布局最佳水平組合為 “冷水機組橫側擺放、冷卻和冷凍水泵放置在機組兩側、一機對一泵、設備進出水口與支管的連接角度為90°、冷水機組的進出水口在兩側”,該組合對應方案2和方案10。

根據(jù)5個因素的極差值可以看出對造價的影響程度排序。1)2臺冷水機組:機組與水泵對應關系>設備進出水口與支管的連接角度=冷水機組進出水口位置>冷卻(凍)水泵擺放位置>冷水機組擺放位置。2)3臺冷水機組:機組與水泵對應關系>冷卻(凍)水泵擺放位置>設備進出水口與支管的連接角度=冷水機組進出水口位置>冷水機組擺放位置。

綜上所述,在裝配式高效制冷機房設計時,應優(yōu)先考慮“一機對一泵、設備進出水口與支管的連接角度為90°、冷卻和冷凍水泵放置在機組兩側、冷水機組的進出水口在兩側、冷水機組橫側擺放”的設備布局。

制冷機房大多位于地下室,由于空間有限,制冷機房的面積大小也不能忽視,60°和90°所對應的方案布局對機房面積有一定影響,16種方案的機房面積如圖5所示。

圖 5 制冷機房面積Fig.5 Area of refrigeration room

其中,60°連接方式的機房平均面積為389 m2,90°連接方式的機房平均面積為272 m2,90°連接方式的機房相對減少35%占地面積。根據(jù)表6,60°連接方式的機房平均初投資成本為403.8萬元,90°連接方式的機房平均初投資成本為401.9萬元,后者較前者節(jié)約了1.9萬元的初投資成本。60°連接方式的水流方向與主干管相對平行,減少了水流阻力,改善了水力工況,但卻增加了機房面積。因此,在機房有限的情況下,60°的連接方式不一定是最佳選擇。

4 結 論

1) 在1100RT冷負荷的情況下,僅考慮初投資成本,選擇3臺冷水機組的方案為最優(yōu)方案。考慮全生命周期成本時,選擇2臺冷水機組的方案為最優(yōu)方案,較3臺冷水機組的方案,初投資成本最短回收期為2.5 a。因此在做方案選擇時,應當進行全生命周期成本分析,選擇出的方案才具有更好的經(jīng)濟效益。

2) 機組與水泵的對應關系是對全生命周期成本影響最大的因素,且最佳水平為一機對一泵,較非一機對一泵的方案,運行周期3年,全生命周期成本平均節(jié)約58萬元。

3) 60°連接方式雖然能改善水力工況,但是相對90°連接方式增加了35%的機房面積,且會增加初投資成本。