高效制冷系統(tǒng)建設與工程實踐淺析

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摘要：結合高效制冷機房項目建設，總結了高效制冷機房設計與建設的關鍵技術難題。通過高效制冷機房全流程方案的應用與實施，對設計與建設高效制冷機房全壽命周期流程進行了驗證與優(yōu)化，為高效機房的實施提供有效的方案。在高效制冷機房設計階段，采用仿真模擬項目全年冷負荷，依據(jù)廠房全年負荷需求及機房高效設備選型建立數(shù)學模型，進行了項目全年能效模擬。建立了整個制冷機房的能量平衡數(shù)學模型及能耗數(shù)學模型，通過聯(lián)合求解尋優(yōu)，使機房總能耗最低（即整體效率最高），達到一級能效標準，提升了高效制冷機房的整體能效比。

關鍵詞：高效制冷系統(tǒng)；全年負荷模擬；能耗數(shù)學模型；能源管理系統(tǒng)

0引言

工業(yè)建筑中空調(diào)耗電量占建筑總耗電量的50％左右，而空調(diào)耗電量中，制冷機房系統(tǒng)（含冷水機組、水泵及冷卻塔）耗電量又占空調(diào)系統(tǒng)耗電量的80％左右［1］。隨著國家“雙碳戰(zhàn)略目標”的實施，需要提高制冷機房的能效比，滿足節(jié)能減排的目標。

1高效機房系統(tǒng)技術方案

高效制冷機房項目建設全周期主要內(nèi)容包括：全年負荷模擬、高效機房設備選型、全年能效模擬、建立高效機房能源管理系統(tǒng)、高效機房施工要點、高效機房能效分析。1）全年負荷模擬：依據(jù)廠房設計負荷需求表，以及夏季、冬季和過渡季的冷負荷需求及全年室外環(huán)境參數(shù)，利用設備和系統(tǒng)的仿真計算模型模擬項目全年冷負荷。2）高效機房設備選型：選用磁懸浮冷水機組，能效比高、制冷效率高；水泵選擇一級能效電動機，滿足節(jié)能要求；冷卻塔采用變頻風機，根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整通風量。3）全年能效模擬：依據(jù)廠房全年負荷需求及高效機房設備選型建立數(shù)學模型，模擬制冷機房全年冷負荷，并使用高效制冷機房全局尋優(yōu)控制策略，利用設備數(shù)學模型模擬全年運行，根據(jù)冷負荷需求，計算設備所消耗功率，最終得出制冷系統(tǒng)模擬能效。4）高效機房能源管理：安裝多功能電表采集設備用電信息，冷水主管安裝流量傳感器及溫度變送器，采集并計算輸出冷量，通過能源管理系統(tǒng)分析機房運行狀態(tài)與效果；使用智能優(yōu)化控制算法，利用基于設備與系統(tǒng)的數(shù)字化模型，通過全局最優(yōu)的方式對系統(tǒng)進行持續(xù)的優(yōu)化控制。5）管路優(yōu)化：適當增大管徑，降低流速；采取斜三通替代正三通；減少管路彎頭；冷水機組冷凝器采用在線清洗裝置，降低管道阻力。6）高效機房能效分析：通過能源管理軟件，實時查看制冷機房瞬時能效、能效變化趨勢及電力消耗情況、冷量輸出情況、系統(tǒng)運行狀態(tài)；全面監(jiān)控機房能源輸入與輸出，進行統(tǒng)計分析與評價。

2高效機房設備選型

冷水機組為高效機房中耗電量最大的設備，使高性能冷水機組始終在高效率點附近運行是實現(xiàn)高效機房最核心的保證。按照已建廠房的運維經(jīng)驗，通常冷水機組大部分時間運行在30％～70％區(qū)間范圍內(nèi)。定頻冷水機組在部分負荷下的性能較變頻冷水機組低，因此在高效機房的設計中通常采用部分負荷下性能更好的變頻冷水機組。磁懸浮變頻冷水機組，采用永磁同步電動機驅(qū)動，可采用多機頭、無須油潤滑，因此具有控制精度高、機械效率高、傳熱效率高、低負荷工況下整機的能效比高等優(yōu)點，使得機組的能效比特別是部分負荷工況下的能效比高于普通離心式冷水機組。不同機組效率對比如圖1所示。磁懸浮冷水機組技術目前已趨于成熟，但是價空調(diào)制冷暖通空調(diào)HV＆AC2022年第52卷增刊1·921·格比普通變頻離心式冷水機組高1．6倍左右，因此在高效機房的設計與選型中應對機房的綜合COP及初投資綜合評估后進行選取。水泵作為輸送流體設備，其輸送動力能耗占整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的20％左右，應盡量減少制冷系統(tǒng)輸送動力能耗。水泵選型：1）空調(diào)水系統(tǒng)最不利環(huán)路阻力加上機房各設備阻力之和作為確定水泵揚程的依據(jù)，故應盡量縮小最不利環(huán)路的長度，選擇低阻力閥門閥件或增大管徑，減小水泵揚程；2）選用高效、變頻水泵，電動機選用一級能效［3］。冷卻塔常常作為大型集中空調(diào)系統(tǒng)的冷卻設備，目的是給制冷主機創(chuàng)造連續(xù)、可靠的運行條件，把制冷主機的冷凝熱量轉(zhuǎn)移到大氣中去。在室外濕球溫度一定時，壓縮機冷凝溫度越低，越有利于制冷主機高效運行［2］，如圖2、3所示。

3高效機房負荷模擬

高效制冷機房項目建設過程中，結合項目特點、地域氣候、能耗特征、負荷強度、逐時冷量需求等條件及全年負荷變化規(guī)律，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、能耗分析來確定節(jié)能途徑。依據(jù)空調(diào)計算書的數(shù)據(jù)及夏季、冬季和過渡季的冷負荷比例，預測冬季和過渡季的冷負荷，基于以上設計參數(shù)，采用能效模擬軟件，建立冷水機組、水泵、冷卻塔等設備工況模型，采用實時尋優(yōu)控制策略，模擬項目全年冷負荷。模擬結果如圖4所示。使用高效制冷機房全局尋優(yōu)控制策略，利用設備數(shù)學模型模擬全年運行，根據(jù)冷負荷需求計算設備所消耗功率。經(jīng)過模擬，本項目制冷機房全年平均能效（EER）為5．6，全年制冷站COP高于5．0。模擬全年能效比如圖5所示。從圖5可以看到，在節(jié)能優(yōu)化控制策略下，制冷機房每月都處于高效運行范圍，這與冷水機組的性能特性、水泵變頻特性密切相關。一般情況下，磁懸浮冷水機組在30％～80％負荷區(qū)間內(nèi)的能效最高，且負荷越低，能效越高。通過模擬冷水機組運行臺數(shù)及運行負載分析，在冬季運行2臺磁懸浮冷水機組，每臺冷水機組的負載率在35％左右，而運行1臺磁懸浮冷水機組的話，負載率約在70％，磁懸浮冷水機組在低負荷下運行的能效比要高于高負荷下運行。在過渡季節(jié)運行3臺磁懸浮冷水機組時，每臺機組的負載率在40％左右，能效比大大提升。在部分負荷的情形下，整個制冷機房的節(jié)能效果非常明顯。

4高效機房管路優(yōu)化

通過BIM設計進行配管降阻優(yōu)化；通過合理布置管路，減小管路系統(tǒng)阻力，減少能源消耗。主要優(yōu)化方法如下：1）適當增大管徑，降低流速。2）合理布置管道及設備，縮短管道長度。3）減少管路彎頭。4）采用順水三通替代正三通。5）選取阻力低的閥門。6）取消不必要的閥門和管件。7）冷水機組冷凝器采用在線清洗裝置，清除水垢，主機自身節(jié)能。

5高效機房控制策略

高效制冷機房的節(jié)能不能單看某個設備的節(jié)能效果，而要將制冷機房內(nèi)的所有設備作為一個整體看待，保證整體的節(jié)能，而不是單個設備的節(jié)能。整體節(jié)能需綜合考慮所有設備的各項能效影響因素，當供冷量相同，改變冷卻水溫度、冷卻水泵運行頻率、冷卻塔運行頻率時，存在很多的調(diào)節(jié)組合，總有一個參數(shù)組合可以滿足整體節(jié)能乃至整體能耗最低。高效制冷機房節(jié)能控制系統(tǒng)采用全局實時尋優(yōu)控制策略，達到制冷機房整體能效最高。系統(tǒng)架構模型如圖6所示。通過建立系統(tǒng)各設備數(shù)學模型，根據(jù)制冷機房內(nèi)各設備的特性建立各自的能耗數(shù)學模型，在此基礎上建立整個制冷機房的能量平衡數(shù)學模型及能耗數(shù)學模型。利用聯(lián)合求解尋優(yōu)，在系統(tǒng)運行時，控制計算機以一定的時間間隔測量制冷負荷的實時值，并據(jù)此進行各能耗數(shù)學模型的聯(lián)合求解，找出能夠滿足此制冷負荷、且整個制冷機房總能耗最低（即整體效率最高）的工作狀態(tài)，輸出最佳控制參數(shù)。最后，控制參數(shù)下發(fā)給PLC執(zhí)行，在此基礎上，控制計算機確定各受控變量的設定值，并將之傳送到對應的PLC中，再由PLC控制各臺設備的運行狀態(tài)，使得整個制冷機房運行在效率最高的狀態(tài)下。

6高效機房能源管理

高效機房節(jié)能控制系統(tǒng)為一個獨立的智能群控系統(tǒng)，包括一個計算機工作平臺、多個可編程邏輯控制器（PLC），以及符合ASHRAEGuide22和AHRI550／590標準要求的固定測量裝置，能在制冷機房監(jiān)控中心顯示整個制冷系統(tǒng)各主要設備、控制閥門、裝置、管路（水路流程）的運行狀態(tài)，且開放數(shù)據(jù)接口以接入FMCS（廠務管理系統(tǒng)）。高效機房能源管理系統(tǒng)，出于遠程監(jiān)控、高效控制和安全監(jiān)控等需求，需在管道上安裝流量計、溫度傳感器、壓力傳感器，在配電回路安裝智能電表等計量裝置。通過高效機房能源管理軟件，實時采集設備消耗電力，統(tǒng)計每日、每周、每月、每年設備消耗電力，形成數(shù)據(jù)報表。利用高效機房能源管理系統(tǒng)，通過高效機房實時能耗統(tǒng)計，計算機房實時能效比，生成能效比趨勢曲線；分析日、月、年平均能效比，形成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計系統(tǒng)節(jié)能效果。能源管理界面如圖7所示。

7節(jié)能效果采用高效機房能源管理系統(tǒng)與高效率、高制冷

量冷水機組及高效水泵、冷卻塔組合，建設高效機房。在相同制冷量條件下，采用傳統(tǒng)運行策略時該制冷機房的全年平均能效為3．80，而采用高效機房設計建設方案后，能效比提高到5．8，節(jié)能率達33．91％，如表1所示。

8結語

高效機房項目實施，結合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標，通過高效機房設計、選型、施工、調(diào)試、控制策略、能源管理系統(tǒng)，達到降低電力消耗、提升系統(tǒng)整體能效，節(jié)約能源、減少碳排放，實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標，為今后制冷動力系統(tǒng)節(jié)能減排、設計與實施提供解決方案。

參考文獻：

［1］孔令昱．某工廠能耗狀況分析及節(jié)能分析［J］．建筑設計管理，2009（5）：29－32．

［2］韓彥斌，張彥昌．水冷式冷水機組大溫差運行特性試驗［J］．制冷與空調(diào)，2016，16（2）：56－61．

［3］楊光．中央空調(diào)大溫差系統(tǒng)應用及節(jié)能設計分析［J］．綠色建筑，2013（6）：40－42．

作者:吳峰 李華新 陳金虎 單位:中國電子系統(tǒng)工程第四建設有限公司