全變頻冷凍站技術在上海某商辦樓項目中的應用

翁 政 軍

(蘇寧置業集團有限公司，江蘇 南京 210042)

全變頻冷凍站技術在上海某商辦樓項目中的應用

翁 政 軍

(蘇寧置業集團有限公司，江蘇 南京 210042)

介紹了上海市某商辦樓制冷站采用的全變頻控制系統，即冷凍站中的冷凍機、水泵和冷卻塔風扇全部變頻調速，著重介紹了超高效全變頻制冷站技術哈特曼控制回路的特點，為正在評估全變頻冷凍站技術的設計師提供借鑒。

全變頻冷凍站，哈特曼控制算法，節能

1 項目概況

該商辦樓發展項目是整個太平橋商業規劃的重要區域，商辦樓的地塊面積為13 000 m2，總建筑面積約為12萬m2。地下4層，地下1層為商業，地下2層～4層為庫房和車庫；地上3層商業裙房，24層甲級辦公，為超高層建筑。本項目空調系統夏季設計總冷負荷為3 270 RT，全變頻冷凍站采用一次泵變頻變流量系統，冷源選用4臺制冷性能優越的離心式變頻電制冷機組，為離心式冷水機組設置5臺變頻冷凍水泵(四用一備)，5臺變頻冷卻水泵(四用一備)；8臺開式橫流冷卻塔風扇設置變頻器。造成制冷站能耗高的主要原因有：冷凍站主要設備定頻運轉，設備非高效運轉；冷凍站設備不能關聯運行；并聯設備不能以高綜合效率運行；水泵流量偏大、系統大流量小溫差、水力失衡明顯等。該項目采用全變頻冷凍站節能控制技術控制設備變頻，控制軟件基于哈特曼算法，哈特曼算法成功解決全變頻冷凍站運行效率問題，年平均綜合單位能耗范圍在0.5 kW/RT～0.7 kW/RT，且設備變頻運行壽命較長，維護費用低，運行穩定。

2 哈特曼算法

哈特曼算法由美國職業工程師托馬斯·哈特曼提出。該控制算法的專利包括三條：自然曲線、相等邊際效能原則、按需主動控制。

1)自然曲線。冷水機組、水泵和冷卻塔風機運行存在其離心機組自身固有的最佳效率運行曲線，哈特曼稱此運行曲線為自然曲線。在進行軟件編制過程中，先將各個設備的最佳運行效率曲線作為程序的邊界條件輸入到電腦芯片中，在運用全變頻控制軟件控制各設備過程中，將系統負荷變化形成的實時設備實際運行效率與自然曲線進行比較，調整設備的啟動和停止以使實際運行效率貼合自然曲線。

2)相等邊際效能原則。相等邊際效能原則是關聯控制的一種應用。在不減損冷量需求的情況下，相等邊際效能原則能夠尋優找到冷水機組、冷水泵和冷卻塔風機等設備間最佳功率關系，令冷凍站總的功耗大量降低。其工作工程如下：

a.在實時負荷需求下，全變頻控制系統采用的高速芯片記錄下每個設備消耗的功率和冷凍站的輸出冷量。在進行實時控制的過程中，遵循策略性的只調節其中某一個具有可調節性的變頻設備而暫時維持其他設備運轉速度不變，記錄下該調節設備的功率消耗增量及其由此設備功率消耗增量而產生的冷凍站的邊際冷量。b.維持步驟a.中的設備原始速度運轉，調節第二臺變頻設備的運轉速度，調節至與第一臺設備輸入功率增量相同，記錄下此次生成的冷凍站邊際冷量。運用相同的方法重復上述調節步驟，得出每臺設備在輸入相等功率增量情況下對于邊際冷量的貢獻是不同的。即在調節不同設備的運轉速度而生成的相同功率增量下，對邊際冷量貢獻大小不一。換言之，在相同的系統負荷需求下，設備效率有大有小。c.同時調節兩臺設備的運轉，對效率高的設備給出不大于上步驟的功率增量，對效率低的設備給出絕對值等于上步驟的功率負增量。通過上述調節，冷凍站總的冷量輸出不變，但輸入總功率變小了。d.重復上述步驟，可以得出當相等的功率增量加載于冷凍站每個設備上，冷凍站能夠輸出相等的邊際冷量時，整個冷凍站效率是最優的。

3)按需主動控制。在基于相等邊際效能原則原理上，按需主動控制根據實時負荷需求對變頻設備進行調節控制。系統實時跟蹤冷凍站設備及水力系統的運行曲線，當感知到系統的負荷需求時，能夠按照軟件中預設的各個設備對應的最佳功率關系，主動調節每臺設備在某一固定功率數值上，主動尋優，直到新的最佳功率關系出現而穩定運行各個設備。按需主動控制固有原理是關聯控制，是一種功率型和數字型的前饋控制方式，相較PID反饋控制相比，在反應時間、能量最優化處理等方面具有明顯的優點。

3 系統方案

該項目采用自動尋優的超高效冷凍站節能控制系統對整個冷凍站設備進行控制。該節能控制系統(如圖1所示)為在哈特曼算法的基礎上進行開發設計。該控制系統以這個冷凍站能耗最低、效率最高為控制目標，以機房內各個調節性設備最佳功率關系特性為基礎，以實時負荷需求為控制依據，通過尋優識別算法對冷凍站內各設備進行前饋控制。該控制系統為兩層架構，上位機為工業級控制計算機對冷凍機房設備和設定進行中央控制，下位機為工業級可編程控制器PLC，實時監控各設備運行(見圖1)。

冷凍站群控系統集中管理和控制整個制冷機房內的所有空調設備、探測器及控制器。中央控制站以工業級控制計算機為硬件基礎，安裝有尋優控制軟件。數學建模、程序優化構建而成的尋優計算模塊為計算機程序核心。中央控制站由一系列設置控制子站組成。每個子站內安裝有工業級別的PLC控制器，各控制子站采集系統運行參數和執行中央控制站對子站發出的指令，通過以太網傳送至中央控制站參與尋優計算。

制冷機組控制：群控系統根據冷機模型計算出最佳運行工況，讓機組的運行盡量接近其自有的效率自然曲線進行主動式寫入控制，以整個機房能耗最低為目標。

冷凍水泵控制：變頻，根據冷凍水回水溫度的變化、供/回水系統的壓差，變頻調速、臺數控制運行以達到按冷量需求調節。

冷卻水泵控制：變頻，根據冷卻水供水溫度的變化，變頻調速、臺數控制運行以達到按冷量需求調節。

冷卻塔控制：風速變頻，根據冷卻水回水溫度的變化，變頻調速、臺數控制運行以達到按冷量需求調節。

通過上述對冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的全變頻關聯運行，在設備模型及管網模型的聯合求解和尋優計算下，實現對整個冷凍站的節能運行。

4 結語

全變頻冷凍站系統已經全自動運行了兩年多，目前系統運行穩定可靠、操作便捷。在哈特曼控制算法基礎上開發設計的專業軟件對冷凍站設備運行進行尋優控制后，整體能耗降低40%～60%以上，顯現突出的節能效益，為冷凍站的設計提供了一個新的選擇。這篇文章介紹了全變頻冷凍站節能技術在某商辦樓項目中的應用及運行，是一種可供推廣的節能應用技術。

[1] Hartman T. All variable speed chilled water plants[J]. ASHRAE Journal，2001，43(9)：76-79.

[2] 葛宏明，姜衛東，惠廣海. Armstrong超高效冷凍機房自動控制系統及全新控制方法[J].暖通空調,2013(8)：11-15.

Applicationofall-variablespeedchillerstationtechnologyinacommercialofficebuilding

WengZhengjun

(SuningRealEstateGroupCo.,Ltd,Nanjing210042,China)

Introduction of all-variable speed control system which all the chillers, pumps and cooling tower fans are variable speed in a commercial office building’s chiller station. Emphatically introduces the distinguishing feature of ultrahigh-efficiency all-variable speed chiller station technology on the understructure of Hartman LoopTMControl, and give designers reference needed to evaluate applying these new technologies.

all-variable speed chiller station, Hartman LoopTMControl, energy conservation

TU201.5

A

1009-6825(2017)27-0160-02

2017-07-13

翁政軍(1982- )，男，工程師