高效制冷系统建设与工程实践浅析

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摘要：结合高效制冷机房项目建设，总结了高效制冷机房设计与建设的关键技术难题。通过高效制冷机房全流程方案的应用与实施，对设计与建设高效制冷机房全寿命周期流程进行了验证与优化，为高效机房的实施提供有效的方案。在高效制冷机房设计阶段，采用仿真模拟项目全年冷负荷，依据厂房全年负荷需求及机房高效设备选型建立数学模型，进行了项目全年能效模拟。建立了整个制冷机房的能量平衡数学模型及能耗数学模型，通过联合求解寻优，使机房总能耗最低（即整体效率最高），达到一级能效标准，提升了高效制冷机房的整体能效比。

关键词：高效制冷系统；全年负荷模拟；能耗数学模型；能源管理系统

0引言

工业建筑中空调耗电量占建筑总耗电量的50％左右，而空调耗电量中，制冷机房系统（含冷水机组、水泵及冷却塔）耗电量又占空调系统耗电量的80％左右［1］。随着国家“双碳战略目标”的实施，需要提高制冷机房的能效比，满足节能减排的目标。

1高效机房系统技术方案

高效制冷机房项目建设全周期主要内容包括：全年负荷模拟、高效机房设备选型、全年能效模拟、建立高效机房能源管理系统、高效机房施工要点、高效机房能效分析。1）全年负荷模拟：依据厂房设计负荷需求表，以及夏季、冬季和过渡季的冷负荷需求及全年室外环境参数，利用设备和系统的仿真计算模型模拟项目全年冷负荷。2）高效机房设备选型：选用磁悬浮冷水机组，能效比高、制冷效率高；水泵选择一级能效电动机，满足节能要求；冷却塔采用变频风机，根据环境温度调整通风量。3）全年能效模拟：依据厂房全年负荷需求及高效机房设备选型建立数学模型，模拟制冷机房全年冷负荷，并使用高效制冷机房全局寻优控制策略，利用设备数学模型模拟全年运行，根据冷负荷需求，计算设备所消耗功率，最终得出制冷系统模拟能效。4）高效机房能源管理：安装多功能电表采集设备用电信息，冷水主管安装流量传感器及温度变送器，采集并计算输出冷量，通过能源管理系统分析机房运行状态与效果；使用智能优化控制算法，利用基于设备与系统的数字化模型，通过全局最优的方式对系统进行持续的优化控制。5）管路优化：适当增大管径，降低流速；采取斜三通替代正三通；减少管路弯头；冷水机组冷凝器采用在线清洗装置，降低管道阻力。6）高效机房能效分析：通过能源管理软件，实时查看制冷机房瞬时能效、能效变化趋势及电力消耗情况、冷量输出情况、系统运行状态；全面监控机房能源输入与输出，进行统计分析与评价。

2高效机房设备选型

冷水机组为高效机房中耗电量最大的设备，使高性能冷水机组始终在高效率点附近运行是实现高效机房最核心的保证。按照已建厂房的运维经验，通常冷水机组大部分时间运行在30％～70％区间范围内。定频冷水机组在部分负荷下的性能较变频冷水机组低，因此在高效机房的设计中通常采用部分负荷下性能更好的变频冷水机组。磁悬浮变频冷水机组，采用永磁同步电动机驱动，可采用多机头、无须油润滑，因此具有控制精度高、机械效率高、传热效率高、低负荷工况下整机的能效比高等优点，使得机组的能效比特别是部分负荷工况下的能效比高于普通离心式冷水机组。不同机组效率对比如图1所示。磁悬浮冷水机组技术目前已趋于成熟，但是价空调制冷暖通空调HV＆AC2022年第52卷增刊1·921·格比普通变频离心式冷水机组高1．6倍左右，因此在高效机房的设计与选型中应对机房的综合COP及初投资综合评估后进行选取。水泵作为输送流体设备，其输送动力能耗占整个空调系统能耗的20％左右，应尽量减少制冷系统输送动力能耗。水泵选型：1）空调水系统最不利环路阻力加上机房各设备阻力之和作为确定水泵扬程的依据，故应尽量缩小最不利环路的长度，选择低阻力阀门阀件或增大管径，减小水泵扬程；2）选用高效、变频水泵，电动机选用一级能效［3］。冷却塔常常作为大型集中空调系统的冷却设备，目的是给制冷主机创造连续、可靠的运行条件，把制冷主机的冷凝热量转移到大气中去。在室外湿球温度一定时，压缩机冷凝温度越低，越有利于制冷主机高效运行［2］，如图2、3所示。

3高效机房负荷模拟

高效制冷机房项目建设过程中，结合项目特点、地域气候、能耗特征、负荷强度、逐时冷量需求等条件及全年负荷变化规律，通过数据统计、能耗分析来确定节能途径。依据空调计算书的数据及夏季、冬季和过渡季的冷负荷比例，预测冬季和过渡季的冷负荷，基于以上设计参数，采用能效模拟软件，建立冷水机组、水泵、冷却塔等设备工况模型，采用实时寻优控制策略，模拟项目全年冷负荷。模拟结果如图4所示。使用高效制冷机房全局寻优控制策略，利用设备数学模型模拟全年运行，根据冷负荷需求计算设备所消耗功率。经过模拟，本项目制冷机房全年平均能效（EER）为5．6，全年制冷站COP高于5．0。模拟全年能效比如图5所示。从图5可以看到，在节能优化控制策略下，制冷机房每月都处于高效运行范围，这与冷水机组的性能特性、水泵变频特性密切相关。一般情况下，磁悬浮冷水机组在30％～80％负荷区间内的能效最高，且负荷越低，能效越高。通过模拟冷水机组运行台数及运行负载分析，在冬季运行2台磁悬浮冷水机组，每台冷水机组的负载率在35％左右，而运行1台磁悬浮冷水机组的话，负载率约在70％，磁悬浮冷水机组在低负荷下运行的能效比要高于高负荷下运行。在过渡季节运行3台磁悬浮冷水机组时，每台机组的负载率在40％左右，能效比大大提升。在部分负荷的情形下，整个制冷机房的节能效果非常明显。

4高效机房管路优化

通过BIM设计进行配管降阻优化；通过合理布置管路，减小管路系统阻力，减少能源消耗。主要优化方法如下：1）适当增大管径，降低流速。2）合理布置管道及设备，缩短管道长度。3）减少管路弯头。4）采用顺水三通替代正三通。5）选取阻力低的阀门。6）取消不必要的阀门和管件。7）冷水机组冷凝器采用在线清洗装置，清除水垢，主机自身节能。

5高效机房控制策略

高效制冷机房的节能不能单看某个设备的节能效果，而要将制冷机房内的所有设备作为一个整体看待，保证整体的节能，而不是单个设备的节能。整体节能需综合考虑所有设备的各项能效影响因素，当供冷量相同，改变冷却水温度、冷却水泵运行频率、冷却塔运行频率时，存在很多的调节组合，总有一个参数组合可以满足整体节能乃至整体能耗最低。高效制冷机房节能控制系统采用全局实时寻优控制策略，达到制冷机房整体能效最高。系统架构模型如图6所示。通过建立系统各设备数学模型，根据制冷机房内各设备的特性建立各自的能耗数学模型，在此基础上建立整个制冷机房的能量平衡数学模型及能耗数学模型。利用联合求解寻优，在系统运行时，控制计算机以一定的时间间隔测量制冷负荷的实时值，并据此进行各能耗数学模型的联合求解，找出能够满足此制冷负荷、且整个制冷机房总能耗最低（即整体效率最高）的工作状态，输出最佳控制参数。最后，控制参数下发给PLC执行，在此基础上，控制计算机确定各受控变量的设定值，并将之传送到对应的PLC中，再由PLC控制各台设备的运行状态，使得整个制冷机房运行在效率最高的状态下。

6高效机房能源管理

高效机房节能控制系统为一个独立的智能群控系统，包括一个计算机工作平台、多个可编程逻辑控制器（PLC），以及符合ASHRAEGuide22和AHRI550／590标准要求的固定测量装置，能在制冷机房监控中心显示整个制冷系统各主要设备、控制阀门、装置、管路（水路流程）的运行状态，且开放数据接口以接入FMCS（厂务管理系统）。高效机房能源管理系统，出于远程监控、高效控制和安全监控等需求，需在管道上安装流量计、温度传感器、压力传感器，在配电回路安装智能电表等计量装置。通过高效机房能源管理软件，实时采集设备消耗电力，统计每日、每周、每月、每年设备消耗电力，形成数据报表。利用高效机房能源管理系统，通过高效机房实时能耗统计，计算机房实时能效比，生成能效比趋势曲线；分析日、月、年平均能效比，形成统计数据，统计系统节能效果。能源管理界面如图7所示。

7节能效果采用高效机房能源管理系统与高效率、高制冷

量冷水机组及高效水泵、冷却塔组合，建设高效机房。在相同制冷量条件下，采用传统运行策略时该制冷机房的全年平均能效为3．80，而采用高效机房设计建设方案后，能效比提高到5．8，节能率达33．91％，如表1所示。

8结语

高效机房项目实施，结合国家“双碳”战略目标，通过高效机房设计、选型、施工、调试、控制策略、能源管理系统，达到降低电力消耗、提升系统整体能效，节约能源、减少碳排放，实现“双碳”战略目标，为今后制冷动力系统节能减排、设计与实施提供解决方案。

参考文献：

［1］孔令昱．某工厂能耗状况分析及节能分析［J］．建筑设计管理，2009（5）：29－32．

［2］韩彦斌，张彦昌．水冷式冷水机组大温差运行特性试验［J］．制冷与空调，2016，16（2）：56－61．

［3］杨光．中央空调大温差系统应用及节能设计分析［J］．绿色建筑，2013（6）：40－42．

作者:吴峰 李华新 陈金虎 单位:中国电子系统工程第四建设有限公司