基于绿色节能的装配式防火管建设（创造单位：浙江中创节能科技有限公司 ）
创造单位：浙江中创节能科技有限公司
参与创造人：房中华 袁伟 张继旺 李超 周毅 袁仁贵 吴锦斌 刘耀综
浙江中创节能科技有限公司位于浙江.德清中科卫星应用大厦，是国家级高新技术企业，公司以科技兴企为导向，以追求节能低碳环保为己任，重塑资源整合，致力于多方合作，2015年与南京银行总行达成投资合作，正式成为战略合作伙伴，在技术上引入国外先进科技，研发出装配式智能高效能源站、轨道交通（建筑）机电设备智能运营及节能管控系统、新型通风管道系列产品。中创科技现有在职员工1000余人，专家博士硕士等科研高级人才20余人，专业技术人员200余人，在全国拥有16个营销机构和10个分厂，现已公布46项专利，其中18项发明专利，28项实用型专利，并参与编制装配式智能高效能源站及新型通风管道产品国家行业标准。
一、基于绿色节能的装配式智能高效能源站建设的实施背景
（一）当今能源站建设现状
目前中央空调系统普遍应用于建筑行业，但均采用传统能源站建设模式。通常是由建设单位根据设计单位的设计文件进行能源站主体设备的采购，然后由安装单位在现场安装的暖通工程。
（二）业主对传统能源站的期待与结果
结论：理想很丰满，现实很骨感
（三）装配式能源站理念创新
装配式智能高效能源站是采用系统集成模式，系统集成商责任归一（见图1），通过优化设备匹配选型，协调各设备间关联运营参数，实现系统的整体性能最优！该产品以满足用户的需求为根本出发点，以全生命周期运行能耗最低为目标，以实时响应空调系统运营策略最优为核心，集成计算机软件、硬件、操作系统技术、数据库技术、网络通信技术以及不同供应商空调设备的选型、组合，实现产品的自主运营，关联控制，在线监测，远程管理，并通过工厂预制，性能检测，模块运输，现场装配，交付的智能机电一体化的系统产品（见图2）。
图1 系统集成商责任归一
图2 智能机电一体化的系统产品
（四）装配式能源站的优势
1.系统集成商责任归一，降低业主协调难度，省心省力！
2.可实现并行施工，缩短4/5现场建设周期！
3.通过关联预测控制系统，实现空调负荷快速响应条件，保证各耗电设备高效率运行，综合节能率达到20%-50%！
4.三维立体布局，空间结构紧凑，可节省机房面积30-50%，降低项目的建设费用！
5.人值守、一键开关机，后期运营维护便捷，运营费用低！
（五）传统能源站与装配式能源站的比较
装配式能源站解决了常规建造模式下设计、安装、调试过程中的各项技术难点，打通了传统建造环节壁垒，通过从现场施工到工厂预制生产的方式变化，实现了由实施工程项目向提供系统产品的转变。
传统模式：现场串行施工，彼此独立，无关联，影响总体工期的时间
装配模式：并行施工,大量工作在进场前提前完成，大大缩短工期
（六）国家政策出台
2019年6月13日国家发展改革委等七部委联合印发的《绿色高效制冷行动方案》明确提出”到2030年,大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平提升25%以上,绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上”，实现年节电4000亿千瓦时左右。节能减排是转变经济发展方式的主要切入点和重要途径。装配式高效节能能源站必将成为大型公共建筑必备的绿色节能产品。
七）机房能效评价标准
1.美国标准
ASHRAE制定的制冷机房能效分级
2.新加坡标准（强制性）
新加坡BCA《空调系统设计运行规范》 SS553:2016
3.广东省标准（指导性）
广东省标准《集中空调制冷机房系统能效监测及评价标准》
（DBJ/T15-129-2017）已于2018年4月1日起实施。
制冷机房系统全年平均运行能效比(年平均综合能效）：
EER大于5.0（即小于0.70kw/RT）
为高效机房最低标准！
而当今我国的制冷机房EER普遍低于 3.5
（八）装配式空调冷冻站标准
浙江中创节能科技有限公司参与了由中国建筑科学研究院牵头机电一体化装配式空调冷冻站标准的编制。
二、基于绿色节能的装配式智能高效能源站建设的内涵
该产品采用系统集成模式，通过优化设备匹配选型，协调各设备间关联运营参数，实现系统的整体性能最优，有以下7大特点：
（一）安全可靠
经性能检测合格后方可出厂安装和调试使用，采用关联预测控制，系统设备联锁控制，受控设备使用寿命长，专家式诊断，超前预判故障，自动调整设备运行状态，通过远程控制系统向设备运行管理者发送故障信息，可自动转换到应急模式，系统仍可正常运行。
（二）智能便捷
通过智能化控制可实现一键启停，在线监测，云数据分析，采用关联控制能根据使用情况自动增减运行设备、调节设备运行状态，实现智能化调节控制，维护人员可通过云平台、手机APP远程管理，无需值守，软件操作界面直观简单，操作便捷易用。
（三）高效节能
采用高效节能设备、低阻水系统设计，控制上采用按需主动控制、能耗自寻优关联控制、最佳效率曲线、滚动优化控制策略，保证机房设备最优匹配运行，采用全变频控制技术,按运行参数需求，实现主要耗电设备低能耗运行，使综合节能率达20%-50%。
（四）运维方便
设备管道模块化，接口标准化，部件更换灵活方便，系统故障预判、自动检测故障及排查提示、远程提示，无需人工检测，维护成本低。
（五）便于管理
采用工厂预制，并行施工，避免工程现场的交叉施工，集成商责任主体归一，业主管理协调接口少，降低业主的管理难度，缩短4/5现场建设周期。
（六）节省面积
通过系统集成，模块化设计，节约30%以上占地面积，适应特定的安装空间要求，特别适用于改造机房。
（七）绿色环保
采用整体减震平台设计，减少了振动噪声对环境的影响，采用现场装配施工工艺，施工过程中无切割、焊接，无噪声无粉尘等污染。
三、基于绿色节能的装配式智能高效能源站建设的主要做法
图3 装配式智能高效能源站实施流程
装配式智能高效能源站实施主要分为六个步骤：第一步进行系统二次深化设计，第二步三维建模仿真，第三步工厂预制，第四步性能测试，第五步模块拆解、运输现场装配，第六步系统关联控制调试。其中第一步系统二次深化设计尤为重要。
（一）系统二次深化设计
1.确定控制策略
在整理设计单位空调系统设计参数基础上，通过系统典型运行工况分析，确定适宜的节能控制策略和算法。
整理设计单位提供的机房建设各项设计参数：
(1)空调系统的总制冷量、空调负荷的变化特性；
(2)冷冻水供回水温度；
(3)冷却塔安装位置，进入供冷站的路径；
(4)冷冻水的回路数量、管径、压差；
(5)空调系统的膨胀水量和定压点要求；
(6)冷却水和冷冻水的水质处理要求；
(7)机房平面尺寸和净高，现场设备入口尺寸或现场设备吊装口尺寸。
2.设备合理选型
智能高效集成冷冻站系统的高效性离不开单设备的高效性，更离不开对全系统整合优化。我们首选高效冷源、热源、水泵、冷却塔，根据空调负荷变化特性，确定冷水机组及冷却塔的匹配组合，根据优化后的管路重新计算阻力，选取冷冻水泵、冷却水泵参数（如下图）。
3.优化管路布置
管路采用分层立体布置，减少占地面积，管路走向平直通顺，采用低阻水系统设计（采用低水阻阀门、低阻管道、大半径弯头、斜插式三通）降低管道阻力。（如下图）
优化前冷站机房管路布局 优化后冷站机房管路布局
经过优化布局后，能使水泵扬程降低3-5m，输送能耗降低15-20%。
4.确定系统网络架构
5.确定关联控制策略
(1)按需主动控制
控制系统采用负荷预判断控制技术，建立强大的数据库及末端负荷预测库、智能控制规则库，动态精确的预测未来负荷，自动控制主要设备运行，准确的控制输出冷量和末端负荷相平衡，解决了冷冻水系统大时滞性的控制滞后问题，实现系统对负荷变化的快速响应，极大的提高了设备的节能效果。
(2)最佳效率曲线控制
关联控制最终让冷水机组等主要耗电设备工作在性能最优的最佳效率曲线附近。
(3)能耗自寻优控制，滚动优化控制
通过能耗自寻有算法根据冷水机组、水泵等设备在不同冷负荷需求时,找到设备之间的实时最佳运行匹配关系，在满足冷量需求的前提下，控制各设备协同、关联运行，同时优化关联数据库，形成最适宜当前系统的数据库，让系统高效运行，实现系统整体能耗降低。
6.优化控制技术
(1)制冷机组优化序列控制技术
制冷机组可根据实际负荷进行优化的序列控制。在实际运行时制冷机有一个高效区，通常压缩机的高效区大约在负荷65%—85%的范围内如下图所示。在实际的优化序列控制中，一般考虑制冷机在这个高效区工作。在加载一台制冷机或卸载一台制冷机的同时，冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔也相应要增加一台或减少一台，因此考虑制冷机的高效工作区时还要考虑水泵、冷却塔的功耗。一般通过优化算法，在满足系统冷量要求的同时，确保控制冷冻水泵始终运行在最优区内，使运行能耗最低，维持制冷机、泵、冷却塔的总功耗最小。如果冷冻水流量达到机组最小流量限制或水泵最小频率限制，按关联控制算法调整机组冷冻出水温度，从而达到最佳节能效果。
在实际的优化序列控制中还要考虑每台制冷机的实际运行时间，使每台制冷机的实际运行时间一致，达到延长设备使用寿命。
（2）制冷机冷冻水出水温度优化控制技术
当空调冷负荷不变时，随着冷冻水出口水温的增加，制冷机的能耗不断减少，冷冻水出水温度每升高1℃，制冷机的COP升高2～3％。而降低机组冷冻侧的水流量，机组COP值几乎没有变化，一般将最佳的冷冻水出口水温作为制冷机冷冻水出口温度的设定值。但随着空调负荷的不断变化，这个最佳的冷冻水出口水温也不断变化。
（3）冷冻水供回水压差设定值优化技术
冷冻水供回水压差设定值优化，即水系统变压差控制，如上图，是指在系统运行过程中，冷冻水压差优化算法模块通过采集的分集水器之间的压差以及各末端支路水阀开度的反馈对压差设定值进行在线优化计算，然后将优化的设定值发送到末端节能控制单元，用以控制水泵的运行频率，使得冷冻水泵的能耗最小。
（4）冷却水回水温度优化控制技术
当空调冷负荷不变时，随着冷却水回水温度的不断增加，制冷机的能耗不断增加，冷却塔风机的能耗不断减少，如果随冷却回水温度的降低，制冷机的能耗减小，而冷却泵、风机能耗增加，那么就存在一个最佳的冷却水回水温度，使得制冷机与冷却塔风机的总功耗最小。这就必然存在系统总功耗最低的冷却水温度点，一般将这个最佳的冷却水回水水温点作为制冷机冷却水回水温度的设定值，通过变流量控制达到冷却水系统节能的效果。通过干湿球探测，随着室外温湿度的不断变化，这个最佳的冷却水回水温度也不断变化。同时接入当地气象预报，提前预判控制。
(5)可选系统间歇控制优化技术
通过与BA系统或节能管理平台交互信息，探测到在系统小负荷时，造成制冷机能效低，频繁启停。可向上级管理平台交互反馈充分利用水体的冷量对末端进行供冷。自动择优控制冷冻泵循环运行，制冷机停止运行时冷却水泵、冷却塔风机停止运行。减少机组的频次，提高机组能效，减少冷却水泵及冷却塔的运行，节约能耗。如何设置制冷机的运行时长与停机时长，需要根据上级系统反馈的特征进行状态识别，优化制冷机的运行时间长度及停机时间长度。
2.三维仿真建模
基于计算机BIM平台完成所有设备、附件、材料的三维仿真设计用于工厂预制（模块分割尺寸考虑吊装口尺寸）。
三维仿真成型 模块化设计 力学、共振分析
首先建立系统设备及管路模型，对设计参数二次校核，通过三维仿真成型，模块化设计分割（模块化设计要考虑设备维护及更换操作空间），力学、共振分析，同时对传感器、仪表定位。
3.工厂预制
工厂根据前面设计出的图纸加工、编码、组装。
工厂预制调试
(1)组装标准预制构件（带编号及二维码）；
(2)传感器及仪表定位：对所有在管路上安装的传感器及仪表精准定位，由第三方计量机构校正，出具校验证书；
(3)完成管道除锈、焊接、吹扫、防腐、冲洗及试压；
(4)最后一次完成冷冻水管的工厂预制保温。
4.性能检测
生产完成后在中创自主设计并建造的工况模拟检测平台上模拟建筑室内环境动态变化对装配式智能高效能源站进行加载负荷模拟检测，保证每套出厂设备能达到设计要求，实现安全、可靠、智能运行。
5.模块拆解、运输、现场装配
整套系统设备检验合格后，再按照模块拆解装箱运输，到现场进行模块化装配，从传统的串行施工到并行施工，传统安装到工厂化专业安装，实现了“零”焊接、“零”损耗、“零”变更，降低安装难度，缩短了现场的安装周期。
6.系统关联控制调试
装配式智能高效能源站系统设备现场装配完毕后，连接室外管道，采用关联控制的办法，实行系统联调，同时检测能源站设备各项参数指标，便于修正，保证系统安全稳定的运行。
(1)通过控制系统一键启停、远程启停，自动加减各运行设备
(2)收集可视化的系统实时参数：
a.用管道温度自记仪，安装于冷却水及冷冻水管壁分别记录冷冻及冷却水温度，对比系统传感器数值进行校核；
b.用超声波流量计现场测试总管流量，分别测试冷却塔支管流量，对比流量数值差异，校核流量计数值；
c.用电能分析仪测主机电流，再用钳形表测主机电流，校核主机电表，用钳形表测各设备的功率，校核各设备电表，对于数据异常的电表进行参数重设修正；
d.通过调节水泵频率，改变阀门前后压差测试，记录每个压差在不同开度下的流量数据，确定控制阀是否满足压差无关控制，确定控制阀的最小使用压差；
（3）通过数据分析来验证控制系统计算出来的结果，并实时反馈修正调节冷源系统的冷冻泵流量及冷水机组的负荷，测量冷却水总回水温度，控制冷却塔风机的运行台数。
完成各种联动控制及备用设备的转换。自动监测各关键设备的运行状态，故障报警，手/自动状态，并按照程序及实际情况自动启动备用设备。
三、基于绿色节能的装配式智能高效能源站建设的实施效果
1.实现的经济效益
装配式智能高效能源站系统，与传统冷热源系统相比，整体性能可提升20%以上。
以建筑面积10万平米，制冷量12660KW的建筑为例，若以年均制冷时间1720小时计算，对中央空调智能控制系统使用前后进行对比分析，如下所示：
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传统中央空调系统 |
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冷热源一年能耗费用测算 |
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1 |
负荷冷量(kw) |
12660 |
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2 |
供冷季日平均单位小时负荷冷量(kw) |
8862 |
系统运行的前期和中期，取总负荷的0.7系数 |
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3 |
年平均运行小时数(hr) |
1720 |
|
|
4 |
一年总冷负荷(kwh) |
15242640 |
（2×3） |
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5 |
冷热源一年总耗电量（kwh） |
4330295 |
冷热源综合运行能效系数为3.52kw/kw |
|
6 |
一年总运行电费（元） |
4330295 |
每kwh按1元人民币计算 |
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使用中央空调智慧节能控制系统 |
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|
装配式智能高效能源站系统一年能耗费用测算 |
|||
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1 |
负荷冷量(kw) |
12660 |
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|
2 |
供冷季日平均单位小时负荷冷量(kw) |
8862 |
系统运行的前期和中期，取总负荷的0.7系数 |
|
3 |
年平均运行小时数(hr) |
1590 |
采用中央空调智慧节能控制系统，减少了冷热源运行时间 |
|
4 |
一年总冷负荷(kwh) |
14090580 |
（2*3） |
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5 |
冷热源一年总耗电量（kwh） |
3261708 |
冷热源综合运行能效系数为4.32kw/kw |
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6 |
一年总运行电费（元） |
3261708 |
每kwh按1元人民币计算 |
传统冷热源年均运行费用约433万元；若采用装配式智能高效能源站系统年均运行费用约326万元，年均节省107万元，系统节能率24.7%；
中央空调系统实现全自动无人值守运行，大大节省人力成本支出，可节省4名运维管理人员，每年节省人力开支约20万元。
2.实现的社会效益
（1）本项目响应了当前国家节能减排的政策性需求
装配式智能高效能源站系统的推广应用响应了当前国家节能减排的政策性需求，贯彻落实了《节能减排“十二五”规划》中提出的“强化建筑节能。开展绿色建筑行动，从规划、法规、技术、标准、设计等方面全面推进建筑节能，提高建筑能效水平。”的要求。
（2）项目的实施有利于加快创建资源节约型、环境友好型社会
近年来，我国经济快速增长，但以加工贸易为主的高投入、高消耗、高污染的增长方式付出了巨大的资源和环境代价。我国每单位GDP的能源消耗为发达国家的4-6倍，钢材、水泥、铝材等原材料的消耗量已占全球的40%以上，这种粗放型增长模式难以为继。这与产业结构总体偏重制造业、重工业直接相关。大力推进节能环保产业，促进节能环保产品产业化，是推动产业结构合理化、有效缓解经济发展与资源环境矛盾的必然选择，是节能减排的重要抓手。本项目的实施，有利于节约能源资源、保护生态环境，促进资源节约型、环境友好型社会的建设。
装配式智能高效能源站系统的推广应用不仅推进了节能减排工作，也为建设资源节约和环境友好型城市提供了坚实、可靠的保证。
（3）本项目将对建筑节能起到示范及带头作用
通过在国家重点工程中综合利用节能技术及节能产品，可起到对既有建筑的节能改造工程的示范带头作用，同时在新建项目中引入了全新的节能产品，能够树立低碳节能环保示范性项目的标杆。
（4）本项目的建设将带动相关产业的发展，促进经济发展
通过装配式智能高效能源站系统的局部跨越，带动其他科技整体提升，并培育新的产业群，形成国民经济新的增长点。同时利用集成装配的相关技术优势，促进技术变革创新，提高市场竞争力和竞争意识、提高精细化管理能力，促进人才成长的新局面。
（5）推动传统行业与智慧化的产业融合
通过智能化控制产品及智慧化管理系统的研发与推广，可有效提升传统暖通行业的智能化、智慧化水平，提高运维管理效率，提高空调系统的稳定性与舒适性，满足人民不断提高的舒适性、便捷性、高效性需求。同时，可以推进前沿智能科技与建筑节能产业的融合，优化传统行业服务结构，推动产业升级，优化行业的经济运作模式和资源配置，有效带动经济增长。
3.生态效益评价
生态效益也叫环境效益，这里主要指自然环境效益，装配式智能高效能源站系统的环境影响主要体现在节能、 节材和废物产生等三种因素。设备和管道工厂预制耗能量和耗材量是环境效益指标体系中权重最重要的两个指标。和经济性一样，装配式智能高效能源站系统的节能性主要取决于工厂化预制阶段中是否能节省能源和材料。因此环境效益主要是从能耗、建筑垃圾、建筑污水和噪音等因素进行考虑。其中，能耗消耗既包括能源消耗量，也包含材料消耗量。前面已经提到过经过二次深化设计，设备系统最优匹配后经过三维仿真模块化设计后，对材料能做到精准下料加工，避免材料浪费，通过智能化控制产品及智慧化管理系统的运维，使整个机房系统达到高效运行。
建筑垃圾和污水是指建筑在建设施工过程中，单位或个人所产生的废弃物和污水。传统建筑冷冻站建设中产生的建筑垃圾主要是冷冻站安装过程中产生的废金属、管线和钢材等。装配式智能高效能源站系统采用了预制工厂化生产和安装，即把生产和安装的过程搬到工厂中进行，减少了现场施工和安装过程，建筑垃圾和建筑污水量相应减少。管道打压冲洗水经过处理后循环利用，根据相关的统计数据，采用预制工厂化安装，建筑垃圾将减少 70%~90%， 钢材节约 2%，混凝土节约 7%，节电 10%以上，节水 40%左右。采用预制工厂化生产和安装，现场采用法兰拼装，没有切割电焊，大大减少了噪声污染、粉尘污染、化学污染，对周围环境的噪声环境有很大的改善。
六、现场照片
冷机 分集水器
冷却水泵 水管
冷冻水泵 智能控制柜
责编：王 珂
校对：舒 彤
监审：曹 江
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