上海某制藥廠冷凍機(jī)房自控改造節(jié)能分析

王欣

上海旭東海普藥業(yè)有限公司

0 引言

中央空調(diào)的負(fù)荷隨著季節(jié)、天氣、時(shí)間等因素的變化而動(dòng)態(tài)變化[1]。傳統(tǒng)做法從總管的溫差和壓差以及流量判斷空調(diào)的負(fù)荷需求[2]。傳統(tǒng)運(yùn)行方式在大多數(shù)時(shí)間段采用的是相對(duì)固定和機(jī)械的設(shè)定，以簡單的策略應(yīng)付不斷變化的使用環(huán)境，以大的制冷/熱量“富余”應(yīng)付一天中不同時(shí)段的制冷/熱需求。這種“省心”的做法導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。

由于冷凍站運(yùn)行過程中可能面臨各種不同的情況，人工設(shè)計(jì)群控系統(tǒng)的控制邏輯與策略在很多情況下是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。人工設(shè)計(jì)不可能覆蓋這么多可能性，通常會(huì)在控制器中植入幾種控制預(yù)案。然而，現(xiàn)場出現(xiàn)的情況極有可能不在這些預(yù)案覆蓋的范圍內(nèi)，此時(shí)控制系統(tǒng)就可能不作為或者誤動(dòng)作[3]。這也是群控系統(tǒng)自動(dòng)化投用率低的根本原因之一。

本項(xiàng)目節(jié)能改造方案中，采用先進(jìn)智能控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)冷凍站系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，采用機(jī)器而不是人 解決了能源中心節(jié)能運(yùn)行面臨的各種復(fù)雜問題。

1 項(xiàng)目概況

上海某制藥廠采用分期建設(shè)模式，中央空調(diào)系統(tǒng)冷源分別采用 2 臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組、6 臺(tái)離心式冷水機(jī)組供冷，共4 批次。夏季室內(nèi)溫度設(shè)定值為22± 2 ℃。除了每年定期的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，制冷機(jī)房系統(tǒng)全天24 小時(shí)運(yùn)行。冷水機(jī)組手動(dòng)開啟，出水溫度設(shè)置為 7 ℃。目前冷水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)均采用手動(dòng)開啟，頻率為50Hz。制冷系統(tǒng)采用并聯(lián)模式，即多機(jī)對(duì)多泵。機(jī)組的加減載根據(jù)總管回水溫度調(diào)節(jié)。冷凍水泵的運(yùn)行數(shù)量根據(jù)人員操作經(jīng)驗(yàn)，以保障末端冷凍水流量供應(yīng)為主。

2 項(xiàng)目運(yùn)行現(xiàn)狀

根據(jù) 2017 年制冷機(jī)房系統(tǒng)全年耗電量逐月統(tǒng)計(jì)如下：

圖1 2017 年制冷機(jī)房逐月耗電量

圖2 2017 年制冷系統(tǒng)主要設(shè)備逐月能耗占比

從全年總體角度來分析，冷水機(jī)組能耗占比低于 42%（考慮到冷卻塔部分沒有計(jì)入統(tǒng)計(jì)），而冷凍泵和冷卻泵的綜合能耗比例達(dá)到58%以上，高于一般冷凍站的各個(gè)子系統(tǒng)的能耗分布。1～4 月，包括 12 月水泵能耗占比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大約冷水機(jī)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(tǒng)總能耗的 90%以上，說明在系統(tǒng)負(fù)荷較低的情況下，基本依靠水泵空轉(zhuǎn)即可滿足系統(tǒng)負(fù)荷，但同時(shí)也帶來很大的能源使用浪費(fèi)。

根據(jù)運(yùn)行記錄顯示（圖 3）：系統(tǒng)冷凍水供水溫度實(shí)際值全年在7～12 ℃（最高達(dá)到14 ℃）之間波動(dòng)，尤其是在負(fù)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(tài)，同時(shí)冷凍水供回水溫差在3～4 ℃之間波動(dòng)，并沒有達(dá)到一般空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定溫差 5 ℃，說明當(dāng)前的運(yùn)行模式為“大流量，小溫差”的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能潛力巨大[4]。

圖3 2017 年制冷系統(tǒng)冷凍水運(yùn)行工況

冷卻水運(yùn)行記錄（圖 4）和冷凍水運(yùn)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(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖4 2017 年制冷系統(tǒng)冷卻水運(yùn)行工況

3 節(jié)能優(yōu)化措施

根據(jù)系統(tǒng)的全年能耗以及運(yùn)行記錄，采用先進(jìn)的“按需供應(yīng)”控制策略對(duì)該冷凍站系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

先進(jìn)智能控制系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)的方式提高中央空調(diào)冷熱源控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，設(shè)備的互相協(xié)作能力和運(yùn)行方式的自主規(guī)劃能力。

先進(jìn)智能控制系統(tǒng)從樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)或者直接從控制器獲得實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。優(yōu)化引擎以3 分鐘的間隔（當(dāng)空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，優(yōu)化引擎會(huì)被立即喚醒）根據(jù)負(fù)荷數(shù)據(jù)，參考用戶輸入的設(shè)備維護(hù)計(jì)劃和節(jié)能設(shè)定，依據(jù)設(shè)備性能數(shù)據(jù)和整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的熱響應(yīng)模型對(duì)各設(shè)備（冷機(jī)、水泵等）的啟停、切換、參數(shù)設(shè)定等生成3 小時(shí)或更長時(shí)間內(nèi)的優(yōu)化運(yùn)行方案。方案中針對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)行指令和設(shè)定將通過樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)或者直接從控制器發(fā)往相應(yīng)的設(shè)備。

該項(xiàng)目改造前為手動(dòng)控制，所有設(shè)備均為手動(dòng)啟停。手動(dòng)控制運(yùn)行狀態(tài)下，開啟的1 臺(tái)3275 kW 冷水機(jī)組24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，為了保證機(jī)組冷卻效果，至少開啟 2 臺(tái)冷卻水泵（流量分別為 400 m3/ h、580 m3/ h），期間維持各設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，不再進(jìn)行其他設(shè)備的運(yùn)行調(diào)整。而切換到先進(jìn)智能控制系統(tǒng)后，將根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷需求不斷調(diào)整冷凍站系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行，在設(shè)備選擇上考慮更多可能。

在確定節(jié)能改造方案之后，分別從冷凍站系統(tǒng)，能源管理平臺(tái)，系統(tǒng)接口通訊及電耗計(jì)量等方面進(jìn)行了現(xiàn)場施工。整個(gè)改造的實(shí)施過程主要包括DDC 控制箱，水泵和風(fēng)機(jī)變頻配電柜的制作和現(xiàn)場安裝，橋架的鋪設(shè)，電纜的布置，傳感器，電量儀等設(shè)備和部件的安裝，控制箱和各設(shè)備部件的接線及通電調(diào)試等過程?，F(xiàn)場能源管理平臺(tái)如圖5 所示。

圖5 冷凍站系統(tǒng)界面

4 節(jié)能效果分析

從 2019 年 9 月取連續(xù) 3 天“改造后”的室內(nèi)參數(shù)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)，并從日常手動(dòng)運(yùn)行階段取連續(xù)3 天氣象參數(shù)相近的數(shù)據(jù)作為“改造前”參照依據(jù)，如表 1：

表1 測試日室內(nèi)外參數(shù)及系統(tǒng)用電量

在室外氣象參數(shù)相同、同時(shí)保證滿足室內(nèi)參數(shù)要求的條件下，冷凍站系統(tǒng)在優(yōu)化控制運(yùn)行比手動(dòng)控制運(yùn)行節(jié)能（表2）。由表2 可計(jì)算得：連續(xù) 3 天自動(dòng)運(yùn)行節(jié)省用電量為4452 kWh，節(jié)能率24.8%。

表2 連續(xù)3 天測試系統(tǒng)總用電量及節(jié)能率

2019 年8～10 月冷凍站系統(tǒng)各主要設(shè)備逐月用電量對(duì)比如圖6～7：

圖6 改造前后水泵能耗對(duì)比

圖7 改造前后制冷主機(jī)能耗對(duì)比

由圖6、7 可知，水泵節(jié)省能耗占比較大，尤其是 9、10 月份，因?yàn)樵卸l水泵額定功率較大、數(shù)量較多，而在實(shí)際運(yùn)行中，“小溫差，大流量”現(xiàn)象較為嚴(yán)重，所以改造后其節(jié)能潛力較大。另外，通過優(yōu)化制冷主機(jī)的啟停、冷凍水溫重設(shè)，主機(jī)在8 月份用冷高峰期節(jié)能不是很明顯，但在9 月有較大的節(jié)能量。冷凍站系統(tǒng)整體節(jié)能量如表3：

表3 改造前后冷凍站房總體能耗對(duì)比

5 結(jié)論

系統(tǒng)改造完成后，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，先進(jìn)智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一鍵啟停優(yōu)化運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。新增的BAS 一體化集中管理平臺(tái)能對(duì)冷凍站系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)能耗及 COP 能效狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、能耗、能效進(jìn)行全面分析。該站冷凍站系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造后，采用既有手動(dòng)運(yùn)行模式與自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行模式交替運(yùn)行的方式測評(píng)了系統(tǒng)的節(jié)能效果。相對(duì)于手動(dòng)運(yùn)行模式，自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行模式 3 天系統(tǒng)節(jié)省電量 4452 kWh，平均節(jié)能率為24.8%。在 8～10 月份的測試中，系統(tǒng)整體節(jié)省電量 958687 kWh，平均節(jié)能率為 23%。