冷水機組群控的策略

文/盧桂峰 李春雷 王波 張朝剛 歐陽健

在藥品生產企業，暖通系統的能耗約占到總能耗的65%左右——因此通過冷水機組的選型和搭配，再加上采用科學合理的群控策略，可大幅度提高系統的能效比。在“碳達峰”、“碳中和”的背景下，伴隨著工藝加工水平提升、設備控制精度提高、生產效率提升，如何有效降低能源成本的消耗，已經成為行業內各企業關注的焦點。為此，本文針對采用磁懸浮冷水機組后，如何來設計群控策略進行了探討。

1 冷水機組的選型

冷水機組在暖通系統中占有很重要的地位，冷水機組的選擇不僅對工程設計來說至關重要，而且對系統的投資和后續的運行都會有影響。常見的冷水機組有水冷機組和風冷機組，具體如何選擇，需要結合藥廠所在地的氣候條件來決定。

一般來講，水冷機的能效比（COP）要比風冷機高，其原因為：空氣濕球溫度低于干球溫度，水冷機冷卻水溫度對應的是濕球溫度而風冷機冷卻溫度對應的是干球溫度，在相同的制冷能力和相同的外界環境條件下，水冷機的冷凝飽和溫度小于風冷機冷凝飽和溫度，溫度低對應的壓力低，壓力低做功就少，所以水冷機的COP 要高于風冷機。

風冷機組是一種室外機器，可放置在建筑物的屋頂或室外地面上，其冷凍水循環泵也可與機組放置在一起，無需占用機房。對水冷機組而言，應提供機房，以保證設備（包括冷水機組、冷凍水循環泵以及冷卻水循環泵）的正常運行和使用壽命，并在建筑物的屋頂或室外地面上設置冷卻塔設備。所以水冷機組的造價要高于風冷機組，綜合來看，在我國長三角地區兩者的綜合成本相差不大。

藥廠的冷負荷不僅來源于暖通系統，還涉及到工藝設備也需要冷量，因此藥廠通常還會配置離心機。為了避免冷水機組的故障造成整體冷量的不足，建議冷水機組配置的臺數不少于3 臺。另外，考慮到冷水機組在冬季會有低負荷的運行，建議再配置一臺較小的磁懸浮冷水機組。

2 磁懸浮與普通離心機的對比

磁懸浮冷水機會利用磁力使得轉子處于懸浮狀態，因此它具有無摩擦、低噪聲、無油運行的特點，所以相對一般的冷機，在制備相同冷水量的情況下，它的耗電量更低，也就是具備更高的性能系數（即擁有更高的COP）。

此外，磁懸浮冷水機還擁有很高的IPLV（綜合部分負荷能效值），絕大多數時間都不是滿負荷運行，這個指標有非常高的實際價值。表1 中對磁懸浮離心機與普通離心機的一些具體參數進行了比較，圖1 展示了三種類型冷水機組的COP 變化。

3 冷水機組群控的策略

在進行系統群控設計時，設定的目標是讓COP 最大化，即讓獲得的總冷量與總耗電量的比值達到最大（如圖2 所示）。

而不同形式的冷水機組，在不同工況下的COP 是不一樣的。在選擇機組和群控策略時需要考慮到這點，以便系統能始終維持在較高的COP 下運行。特別是對于磁懸浮冷水機組來說，只有在部分工況下運行時，它的性價比才會較高。圖2 與圖3 展示了環境溫度與負載對磁懸浮冷水機組的影響。

在選擇冷水機組群控策略時，應該參考圖1、圖3 以及圖4 的數據，盡量使機組維持在高COP 的狀態，而不僅是將運行臺數控制在最少。當然，為了獲得更好的節能效果，還需要考慮系統水力平衡的問題。

對于水力平衡的問題，可考 慮在系統中安裝機械式的靜態和動態水力平衡閥。另外，需考慮在必要的支路上安裝二次泵，以更好地協調水力平衡。只有在確保水力平衡不存在問題的情況下，才能夠通過回水溫度來判斷并進行冷水機組的加載。

表1 磁懸浮離心機與普通離心機的比較

圖2 系統總COP 計算邏輯

圖3 磁懸浮冷水機組在不同環境溫度各負載下的實驗數據

圖4 磁懸浮冷水機組在不同負載各環境溫度下的實驗數據

圖5 冷水機組群控邏輯策略

圖6 機組加載和卸載的邏輯策略

圖5 展示的是一個冷水機組是否需要加載和卸載的邏輯策略，由于采用了磁懸浮的冷水機組，所以對于系統如何來加載和卸載須采用特殊的邏輯策略間（如圖6 所示）。否則僅按照最少運行臺數的原則，不能夠達到能效利用的最大化，磁懸浮冷水機組將不能充分發揮作用。在加載和卸載的過程中，都需要用磁懸浮冷水機組來進行銜接。同時在這個銜接過程中，基本上都只是運行了磁懸浮冷水機組的部分工況，以達到最大化COP 的目的。此外，在冬季室外氣溫較低的情況下，有的冷水機組型號還具有自由冷卻功能，可以最大限度地獲取外界的冷量，也有助于提高機組的COP。

4 結論

選擇合適的冷水機組，不僅需要考慮系統的冷負荷大小，還需要參考使用地的氣候條件。如果采用了離心機組之后還需要搭配小容量的機組，這個小容量的機組建議采用磁懸浮冷水機組。

冷機群控的目的是在確保系統安全穩定運行的前提下最大限度降低整體能耗，不僅要關注冷水機、冷塔、水泵等設備的配置選型，還要關注到各設備的運行是否在高效區間內。因為磁懸浮冷水機組擁有更高的IPLV（綜合部分負荷能效值），所以群控的策略已經不是減少使用的機組臺數，而是需要充分地利用磁懸浮冷水機組的IPLV 優勢。在冷負荷需要加載或者卸載的時候，都要采用磁懸浮來進行銜接，以獲得最大的運行效率，并避免冷機頻繁加減機。

除此之外，水力平衡的設計要能夠有效地避免不必要的能耗，只有在水力平衡滿足條件，而且回水溫度還偏高的情況下，冷水機組的加載才是合理的選擇。