高效制冷系統(tǒng)建設(shè)與工程實(shí)踐淺析
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摘要：結(jié)合高效制冷機(jī)房項(xiàng)目建設(shè)，總結(jié)了高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)與建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題。通過高效制冷機(jī)房全流程方案的應(yīng)用與實(shí)施，對設(shè)計(jì)與建設(shè)高效制冷機(jī)房全壽命周期流程進(jìn)行了驗(yàn)證與優(yōu)化，為高效機(jī)房的實(shí)施提供有效的方案。在高效制冷機(jī)房設(shè)計(jì)階段，采用仿真模擬項(xiàng)目全年冷負(fù)荷，依據(jù)廠房全年負(fù)荷需求及機(jī)房高效設(shè)備選型建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了項(xiàng)目全年能效模擬。建立了整個(gè)制冷機(jī)房的能量平衡數(shù)學(xué)模型及能耗數(shù)學(xué)模型，通過聯(lián)合求解尋優(yōu)，使機(jī)房總能耗最低（即整體效率最高），達(dá)到一級能效標(biāo)準(zhǔn)，提升了高效制冷機(jī)房的整體能效比。
關(guān)鍵詞：高效制冷系統(tǒng)；全年負(fù)荷模擬；能耗數(shù)學(xué)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(jī)房系統(tǒng)（含冷水機(jī)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(biāo)”的實(shí)施，需要提高制冷機(jī)房的能效比，滿足節(jié)能減排的目標(biāo)。
1高效機(jī)房系統(tǒng)技術(shù)方案
高效制冷機(jī)房項(xiàng)目建設(shè)全周期主要內(nèi)容包括：全年負(fù)荷模擬、高效機(jī)房設(shè)備選型、全年能效模擬、建立高效機(jī)房能源管理系統(tǒng)、高效機(jī)房施工要點(diǎn)、高效機(jī)房能效分析。1）全年負(fù)荷模擬：依據(jù)廠房設(shè)計(jì)負(fù)荷需求表，以及夏季、冬季和過渡季的冷負(fù)荷需求及全年室外環(huán)境參數(shù)，利用設(shè)備和系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型模擬項(xiàng)目全年冷負(fù)荷。2）高效機(jī)房設(shè)備選型：選用磁懸浮冷水機(jī)組，能效比高、制冷效率高；水泵選擇一級能效電動機(jī)，滿足節(jié)能要求；冷卻塔采用變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整通風(fēng)量。3）全年能效模擬：依據(jù)廠房全年負(fù)荷需求及高效機(jī)房設(shè)備選型建立數(shù)學(xué)模型，模擬制冷機(jī)房全年冷負(fù)荷，并使用高效制冷機(jī)房全局尋優(yōu)控制策略，利用設(shè)備數(shù)學(xué)模型模擬全年運(yùn)行，根據(jù)冷負(fù)荷需求，計(jì)算設(shè)備所消耗功率，最終得出制冷系統(tǒng)模擬能效。4）高效機(jī)房能源管理：安裝多功能電表采集設(shè)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(jì)算輸出冷量，通過能源管理系統(tǒng)分析機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)與效果；使用智能優(yōu)化控制算法，利用基于設(shè)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(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化控制。5）管路優(yōu)化：適當(dāng)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(jī)組冷凝器采用在線清洗裝置，降低管道阻力。6）高效機(jī)房能效分析：通過能源管理軟件，實(shí)時(shí)查看制冷機(jī)房瞬時(shí)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(yùn)行狀態(tài)；全面監(jiān)控機(jī)房能源輸入與輸出，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與評價(jià)。
2高效機(jī)房設(shè)備選型
冷水機(jī)組為高效機(jī)房中耗電量最大的設(shè)備，使高性能冷水機(jī)組始終在高效率點(diǎn)附近運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)高效機(jī)房最核心的保證。按照已建廠房的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，通常冷水機(jī)組大部分時(shí)間運(yùn)行在30％～70％區(qū)間范圍內(nèi)。定頻冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下的性能較變頻冷水機(jī)組低，因此在高效機(jī)房的設(shè)計(jì)中通常采用部分負(fù)荷下性能更好的變頻冷水機(jī)組。磁懸浮變頻冷水機(jī)組，采用永磁同步電動機(jī)驅(qū)動，可采用多機(jī)頭、無須油潤滑，因此具有控制精度高、機(jī)械效率高、傳熱效率高、低負(fù)荷工況下整機(jī)的能效比高等優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)組的能效比特別是部分負(fù)荷工況下的能效比高于普通離心式冷水機(jī)組。不同機(jī)組效率對比如圖1所示。磁懸浮冷水機(jī)組技術(shù)目前已趨于成熟，但是價(jià)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(jī)組高1．6倍左右，因此在高效機(jī)房的設(shè)計(jì)與選型中應(yīng)對機(jī)房的綜合COP及初投資綜合評估后進(jìn)行選取。水泵作為輸送流體設(shè)備，其輸送動力能耗占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的20％左右，應(yīng)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(jī)房各設(shè)備阻力之和作為確定水泵揚(yáng)程的依據(jù)，故應(yīng)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(yáng)程；2）選用高效、變頻水泵，電動機(jī)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(shè)備，目的是給制冷主機(jī)創(chuàng)造連續(xù)、可靠的運(yùn)行條件，把制冷主機(jī)的冷凝熱量轉(zhuǎn)移到大氣中去。在室外濕球溫度一定時(shí)，壓縮機(jī)冷凝溫度越低，越有利于制冷主機(jī)高效運(yùn)行［2］，如圖2、3所示。
3高效機(jī)房負(fù)荷模擬
高效制冷機(jī)房項(xiàng)目建設(shè)過程中，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)、地域氣候、能耗特征、負(fù)荷強(qiáng)度、逐時(shí)冷量需求等條件及全年負(fù)荷變化規(guī)律，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、能耗分析來確定節(jié)能途徑。依據(jù)空調(diào)計(jì)算書的數(shù)據(jù)及夏季、冬季和過渡季的冷負(fù)荷比例，預(yù)測冬季和過渡季的冷負(fù)荷，基于以上設(shè)計(jì)參數(shù)，采用能效模擬軟件，建立冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等設(shè)備工況模型，采用實(shí)時(shí)尋優(yōu)控制策略，模擬項(xiàng)目全年冷負(fù)荷。模擬結(jié)果如圖4所示。使用高效制冷機(jī)房全局尋優(yōu)控制策略，利用設(shè)備數(shù)學(xué)模型模擬全年運(yùn)行，根據(jù)冷負(fù)荷需求計(jì)算設(shè)備所消耗功率。經(jīng)過模擬，本項(xiàng)目制冷機(jī)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(jī)房每月都處于高效運(yùn)行范圍，這與冷水機(jī)組的性能特性、水泵變頻特性密切相關(guān)。一般情況下，磁懸浮冷水機(jī)組在30％～80％負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的能效最高，且負(fù)荷越低，能效越高。通過模擬冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)及運(yùn)行負(fù)載分析，在冬季運(yùn)行2臺磁懸浮冷水機(jī)組，每臺冷水機(jī)組的負(fù)載率在35％左右，而運(yùn)行1臺磁懸浮冷水機(jī)組的話，負(fù)載率約在70％，磁懸浮冷水機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行的能效比要高于高負(fù)荷下運(yùn)行。在過渡季節(jié)運(yùn)行3臺磁懸浮冷水機(jī)組時(shí)，每臺機(jī)組的負(fù)載率在40％左右，能效比大大提升。在部分負(fù)荷的情形下，整個(gè)制冷機(jī)房的節(jié)能效果非常明顯。
4高效機(jī)房管路優(yōu)化
通過BIM設(shè)計(jì)進(jìn)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(dāng)增大管徑，降低流速。2）合理布置管道及設(shè)備，縮短管道長度。3）減少管路彎頭。4）采用順?biāo)ㄌ娲ā?）選取阻力低的閥門。6）取消不必要的閥門和管件。7）冷水機(jī)組冷凝器采用在線清洗裝置，清除水垢，主機(jī)自身節(jié)能。
5高效機(jī)房控制策略
高效制冷機(jī)房的節(jié)能不能單看某個(gè)設(shè)備的節(jié)能效果，而要將制冷機(jī)房內(nèi)的所有設(shè)備作為一個(gè)整體看待，保證整體的節(jié)能，而不是單個(gè)設(shè)備的節(jié)能。整體節(jié)能需綜合考慮所有設(shè)備的各項(xiàng)能效影響因素，當(dāng)供冷量相同，改變冷卻水溫度、冷卻水泵運(yùn)行頻率、冷卻塔運(yùn)行頻率時(shí)，存在很多的調(diào)節(jié)組合，總有一個(gè)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(jī)房節(jié)能控制系統(tǒng)采用全局實(shí)時(shí)尋優(yōu)控制策略，達(dá)到制冷機(jī)房整體能效最高。系統(tǒng)架構(gòu)模型如圖6所示。通過建立系統(tǒng)各設(shè)備數(shù)學(xué)模型，根據(jù)制冷機(jī)房內(nèi)各設(shè)備的特性建立各自的能耗數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立整個(gè)制冷機(jī)房的能量平衡數(shù)學(xué)模型及能耗數(shù)學(xué)模型。利用聯(lián)合求解尋優(yōu)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制計(jì)算機(jī)以一定的時(shí)間間隔測量制冷負(fù)荷的實(shí)時(shí)值，并據(jù)此進(jìn)行各能耗數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合求解，找出能夠滿足此制冷負(fù)荷、且整個(gè)制冷機(jī)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(chǔ)上，控制計(jì)算機(jī)確定各受控變量的設(shè)定值，并將之傳送到對應(yīng)的PLC中，再由PLC控制各臺設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使得整個(gè)制冷機(jī)房運(yùn)行在效率最高的狀態(tài)下。
6高效機(jī)房能源管理
高效機(jī)房節(jié)能控制系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立的智能群控系統(tǒng)，包括一個(gè)計(jì)算機(jī)工作平臺、多個(gè)可編程邏輯控制器（PLC），以及符合ASHRAEGuide22和AHRI550／590標(biāo)準(zhǔn)要求的固定測量裝置，能在制冷機(jī)房監(jiān)控中心顯示整個(gè)制冷系統(tǒng)各主要設(shè)備、控制閥門、裝置、管路（水路流程）的運(yùn)行狀態(tài)，且開放數(shù)據(jù)接口以接入FMCS（廠務(wù)管理系統(tǒng)）。高效機(jī)房能源管理系統(tǒng)，出于遠(yuǎn)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(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器，在配電回路安裝智能電表等計(jì)量裝置。通過高效機(jī)房能源管理軟件，實(shí)時(shí)采集設(shè)備消耗電力，統(tǒng)計(jì)每日、每周、每月、每年設(shè)備消耗電力，形成數(shù)據(jù)報(bào)表。利用高效機(jī)房能源管理系統(tǒng)，通過高效機(jī)房實(shí)時(shí)能耗統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)房實(shí)時(shí)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(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)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(jī)房能源管理系統(tǒng)與高效率、高制冷
量冷水機(jī)組及高效水泵、冷卻塔組合，建設(shè)高效機(jī)房。在相同制冷量條件下，采用傳統(tǒng)運(yùn)行策略時(shí)該制冷機(jī)房的全年平均能效為3．80，而采用高效機(jī)房設(shè)計(jì)建設(shè)方案后，能效比提高到5．8，節(jié)能率達(dá)33．91％，如表1所示。
8結(jié)語
高效機(jī)房項(xiàng)目實(shí)施，結(jié)合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，通過高效機(jī)房設(shè)計(jì)、選型、施工、調(diào)試、控制策略、能源管理系統(tǒng)，達(dá)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(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，為今后制冷動力系統(tǒng)節(jié)能減排、設(shè)計(jì)與實(shí)施提供解決方案。
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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(shè)有限公司