上海某制藥廠冷凍機房自控改造節能分析

王欣

上海旭東海普藥業有限公司

0 引言

中央空調的負荷隨著季節、天氣、時間等因素的變化而動態變化[1]。傳統做法從總管的溫差和壓差以及流量判斷空調的負荷需求[2]。傳統運行方式在大多數時間段采用的是相對固定和機械的設定，以簡單的策略應付不斷變化的使用環境，以大的制冷/熱量“富余”應付一天中不同時段的制冷/熱需求。這種“省心”的做法導致了能源的浪費。

由于冷凍站運行過程中可能面臨各種不同的情況，人工設計群控系統的控制邏輯與策略在很多情況下是一項艱巨的任務。人工設計不可能覆蓋這么多可能性，通常會在控制器中植入幾種控制預案。然而，現場出現的情況極有可能不在這些預案覆蓋的范圍內，此時控制系統就可能不作為或者誤動作[3]。這也是群控系統自動化投用率低的根本原因之一。

本項目節能改造方案中，采用先進智能控制系統對整個冷凍站系統進行優化控制，采用機器而不是人 解決了能源中心節能運行面臨的各種復雜問題。

1 項目概況

上海某制藥廠采用分期建設模式，中央空調系統冷源分別采用 2 臺螺桿式冷水機組、6 臺離心式冷水機組供冷，共4 批次。夏季室內溫度設定值為22± 2 ℃。除了每年定期的設備維護保養，制冷機房系統全天24 小時運行。冷水機組手動開啟，出水溫度設置為 7 ℃。目前冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔風機均采用手動開啟，頻率為50Hz。制冷系統采用并聯模式，即多機對多泵。機組的加減載根據總管回水溫度調節。冷凍水泵的運行數量根據人員操作經驗，以保障末端冷凍水流量供應為主。

2 項目運行現狀

根據 2017 年制冷機房系統全年耗電量逐月統計如下：

圖1 2017 年制冷機房逐月耗電量

圖2 2017 年制冷系統主要設備逐月能耗占比

從全年總體角度來分析，冷水機組能耗占比低于 42%（考慮到冷卻塔部分沒有計入統計），而冷凍泵和冷卻泵的綜合能耗比例達到58%以上，高于一般冷凍站的各個子系統的能耗分布。1～4 月，包括 12 月水泵能耗占比均遠遠大約冷水機組能耗占比，尤其是 1～3 月，冷凍水泵和冷卻水泵的能耗基本占到系統總能耗的 90%以上，說明在系統負荷較低的情況下，基本依靠水泵空轉即可滿足系統負荷，但同時也帶來很大的能源使用浪費。

根據運行記錄顯示（圖 3）：系統冷凍水供水溫度實際值全年在7～12 ℃（最高達到14 ℃）之間波動，尤其是在負荷較低的情況下，冷凍水供水溫度不低于 10 ℃，甚至完全處于不受控的狀態，同時冷凍水供回水溫差在3～4 ℃之間波動，并沒有達到一般空調系統設定溫差 5 ℃，說明當前的運行模式為“大流量，小溫差”的運行狀態，節能潛力巨大[4]。

圖3 2017 年制冷系統冷凍水運行工況

冷卻水運行記錄（圖 4）和冷凍水運行記錄類似：冷卻水供回水溫差全年幾乎不超過 4 ℃，“大流量，小溫差”現象較為嚴重。

圖4 2017 年制冷系統冷卻水運行工況

3 節能優化措施

根據系統的全年能耗以及運行記錄，采用先進的“按需供應”控制策略對該冷凍站系統進行自動控制。

先進智能控制系統利用人工智能技術的方式提高中央空調冷熱源控制系統對環境的適應能力，設備的互相協作能力和運行方式的自主規劃能力。

先進智能控制系統從樓宇自動化系統或者直接從控制器獲得實時的運行數據。優化引擎以3 分鐘的間隔（當空調設備的狀態發生突變時，優化引擎會被立即喚醒）根據負荷數據，參考用戶輸入的設備維護計劃和節能設定，依據設備性能數據和整個空調系統的熱響應模型對各設備（冷機、水泵等）的啟停、切換、參數設定等生成3 小時或更長時間內的優化運行方案。方案中針對當前時刻的運行指令和設定將通過樓宇自動化系統或者直接從控制器發往相應的設備。

該項目改造前為手動控制，所有設備均為手動啟停。手動控制運行狀態下，開啟的1 臺3275 kW 冷水機組24 小時不間斷運行，為了保證機組冷卻效果，至少開啟 2 臺冷卻水泵（流量分別為 400 m3/ h、580 m3/ h），期間維持各設備穩定運行，不再進行其他設備的運行調整。而切換到先進智能控制系統后，將根據室內負荷需求不斷調整冷凍站系統各設備的運行，在設備選擇上考慮更多可能。

在確定節能改造方案之后，分別從冷凍站系統，能源管理平臺，系統接口通訊及電耗計量等方面進行了現場施工。整個改造的實施過程主要包括DDC 控制箱，水泵和風機變頻配電柜的制作和現場安裝，橋架的鋪設，電纜的布置，傳感器，電量儀等設備和部件的安裝，控制箱和各設備部件的接線及通電調試等過程。現場能源管理平臺如圖5 所示。

圖5 冷凍站系統界面

4 節能效果分析

從 2019 年 9 月取連續 3 天“改造后”的室內參數以及運行數據，并從日常手動運行階段取連續3 天氣象參數相近的數據作為“改造前”參照依據，如表 1：

表1 測試日室內外參數及系統用電量

在室外氣象參數相同、同時保證滿足室內參數要求的條件下，冷凍站系統在優化控制運行比手動控制運行節能（表2）。由表2 可計算得：連續 3 天自動運行節省用電量為4452 kWh，節能率24.8%。

表2 連續3 天測試系統總用電量及節能率

2019 年8～10 月冷凍站系統各主要設備逐月用電量對比如圖6～7：

圖6 改造前后水泵能耗對比

圖7 改造前后制冷主機能耗對比

由圖6、7 可知，水泵節省能耗占比較大，尤其是 9、10 月份，因為原有定頻水泵額定功率較大、數量較多，而在實際運行中，“小溫差，大流量”現象較為嚴重，所以改造后其節能潛力較大。另外，通過優化制冷主機的啟停、冷凍水溫重設，主機在8 月份用冷高峰期節能不是很明顯，但在9 月有較大的節能量。冷凍站系統整體節能量如表3：

表3 改造前后冷凍站房總體能耗對比

5 結論

系統改造完成后，經過一段時間的運行，設備運行穩定，先進智能控制系統能實現一鍵啟停優化運行，提高了系統運行的可靠性。新增的BAS 一體化集中管理平臺能對冷凍站系統各設備的運行狀態，系統能耗及 COP 能效狀態進行實時監控，并能對系統的運行狀態、能耗、能效進行全面分析。該站冷凍站系統進行優化改造后，采用既有手動運行模式與自動優化運行模式交替運行的方式測評了系統的節能效果。相對于手動運行模式，自動優化運行模式 3 天系統節省電量 4452 kWh，平均節能率為24.8%。在 8～10 月份的測試中，系統整體節省電量 958687 kWh，平均節能率為 23%。