冷水機(jī)組群控的策略

文/盧桂峰 李春雷 王波 張朝剛 歐陽(yáng)健

在藥品生產(chǎn)企業(yè)，暖通系統(tǒng)的能耗約占到總能耗的65%左右——因此通過(guò)冷水機(jī)組的選型和搭配，再加上采用科學(xué)合理的群控策略，可大幅度提高系統(tǒng)的能效比。在“碳達(dá)峰”、“碳中和”的背景下，伴隨著工藝加工水平提升、設(shè)備控制精度提高、生產(chǎn)效率提升，如何有效降低能源成本的消耗，已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)各企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，本文針對(duì)采用磁懸浮冷水機(jī)組后，如何來(lái)設(shè)計(jì)群控策略進(jìn)行了探討。

1 冷水機(jī)組的選型

冷水機(jī)組在暖通系統(tǒng)中占有很重要的地位，冷水機(jī)組的選擇不僅對(duì)工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而且對(duì)系統(tǒng)的投資和后續(xù)的運(yùn)行都會(huì)有影響。常見(jiàn)的冷水機(jī)組有水冷機(jī)組和風(fēng)冷機(jī)組，具體如何選擇，需要結(jié)合藥廠所在地的氣候條件來(lái)決定。

一般來(lái)講，水冷機(jī)的能效比（COP）要比風(fēng)冷機(jī)高，其原因?yàn)椋嚎諝鉂袂驕囟鹊陀诟汕驕囟龋錂C(jī)冷卻水溫度對(duì)應(yīng)的是濕球溫度而風(fēng)冷機(jī)冷卻溫度對(duì)應(yīng)的是干球溫度，在相同的制冷能力和相同的外界環(huán)境條件下，水冷機(jī)的冷凝飽和溫度小于風(fēng)冷機(jī)冷凝飽和溫度，溫度低對(duì)應(yīng)的壓力低，壓力低做功就少，所以水冷機(jī)的COP 要高于風(fēng)冷機(jī)。

風(fēng)冷機(jī)組是一種室外機(jī)器，可放置在建筑物的屋頂或室外地面上，其冷凍水循環(huán)泵也可與機(jī)組放置在一起，無(wú)需占用機(jī)房。對(duì)水冷機(jī)組而言，應(yīng)提供機(jī)房，以保證設(shè)備（包括冷水機(jī)組、冷凍水循環(huán)泵以及冷卻水循環(huán)泵）的正常運(yùn)行和使用壽命，并在建筑物的屋頂或室外地面上設(shè)置冷卻塔設(shè)備。所以水冷機(jī)組的造價(jià)要高于風(fēng)冷機(jī)組，綜合來(lái)看，在我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)兩者的綜合成本相差不大。

藥廠的冷負(fù)荷不僅來(lái)源于暖通系統(tǒng)，還涉及到工藝設(shè)備也需要冷量，因此藥廠通常還會(huì)配置離心機(jī)。為了避免冷水機(jī)組的故障造成整體冷量的不足，建議冷水機(jī)組配置的臺(tái)數(shù)不少于3 臺(tái)。另外，考慮到冷水機(jī)組在冬季會(huì)有低負(fù)荷的運(yùn)行，建議再配置一臺(tái)較小的磁懸浮冷水機(jī)組。

2 磁懸浮與普通離心機(jī)的對(duì)比

磁懸浮冷水機(jī)會(huì)利用磁力使得轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，因此它具有無(wú)摩擦、低噪聲、無(wú)油運(yùn)行的特點(diǎn)，所以相對(duì)一般的冷機(jī)，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(shù)（即擁有更高的COP）。

此外，磁懸浮冷水機(jī)還擁有很高的IPLV（綜合部分負(fù)荷能效值），絕大多數(shù)時(shí)間都不是滿負(fù)荷運(yùn)行，這個(gè)指標(biāo)有非常高的實(shí)際價(jià)值。表1 中對(duì)磁懸浮離心機(jī)與普通離心機(jī)的一些具體參數(shù)進(jìn)行了比較，圖1 展示了三種類(lèi)型冷水機(jī)組的COP 變化。

3 冷水機(jī)組群控的策略

在進(jìn)行系統(tǒng)群控設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定的目標(biāo)是讓COP 最大化，即讓獲得的總冷量與總耗電量的比值達(dá)到最大（如圖2 所示）。

而不同形式的冷水機(jī)組，在不同工況下的COP 是不一樣的。在選擇機(jī)組和群控策略時(shí)需要考慮到這點(diǎn)，以便系統(tǒng)能始終維持在較高的COP 下運(yùn)行。特別是對(duì)于磁懸浮冷水機(jī)組來(lái)說(shuō)，只有在部分工況下運(yùn)行時(shí)，它的性價(jià)比才會(huì)較高。圖2 與圖3 展示了環(huán)境溫度與負(fù)載對(duì)磁懸浮冷水機(jī)組的影響。

在選擇冷水機(jī)組群控策略時(shí)，應(yīng)該參考圖1、圖3 以及圖4 的數(shù)據(jù)，盡量使機(jī)組維持在高COP 的狀態(tài)，而不僅是將運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制在最少。當(dāng)然，為了獲得更好的節(jié)能效果，還需要考慮系統(tǒng)水力平衡的問(wèn)題。

對(duì)于水力平衡的問(wèn)題，可考 慮在系統(tǒng)中安裝機(jī)械式的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)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(xié)調(diào)水力平衡。只有在確保水力平衡不存在問(wèn)題的情況下，才能夠通過(guò)回水溫度來(lái)判斷并進(jìn)行冷水機(jī)組的加載。

表1 磁懸浮離心機(jī)與普通離心機(jī)的比較

圖2 系統(tǒng)總COP 計(jì)算邏輯

圖3 磁懸浮冷水機(jī)組在不同環(huán)境溫度各負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 磁懸浮冷水機(jī)組在不同負(fù)載各環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 冷水機(jī)組群控邏輯策略

圖6 機(jī)組加載和卸載的邏輯策略

圖5 展示的是一個(gè)冷水機(jī)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(jī)組，所以對(duì)于系統(tǒng)如何來(lái)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(yùn)行臺(tái)數(shù)的原則，不能夠達(dá)到能效利用的最大化，磁懸浮冷水機(jī)組將不能充分發(fā)揮作用。在加載和卸載的過(guò)程中，都需要用磁懸浮冷水機(jī)組來(lái)進(jìn)行銜接。同時(shí)在這個(gè)銜接過(guò)程中，基本上都只是運(yùn)行了磁懸浮冷水機(jī)組的部分工況，以達(dá)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(jī)組型號(hào)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(jī)組的COP。

4 結(jié)論

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

冷機(jī)群控的目的是在確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下最大限度降低整體能耗，不僅要關(guān)注冷水機(jī)、冷塔、水泵等設(shè)備的配置選型，還要關(guān)注到各設(shè)備的運(yùn)行是否在高效區(qū)間內(nèi)。因?yàn)榇艖腋±渌畽C(jī)組擁有更高的IPLV（綜合部分負(fù)荷能效值），所以群控的策略已經(jīng)不是減少使用的機(jī)組臺(tái)數(shù)，而是需要充分地利用磁懸浮冷水機(jī)組的IPLV 優(yōu)勢(shì)。在冷負(fù)荷需要加載或者卸載的時(shí)候，都要采用磁懸浮來(lái)進(jìn)行銜接，以獲得最大的運(yùn)行效率，并避免冷機(jī)頻繁加減機(jī)。

除此之外，水力平衡的設(shè)計(jì)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(jī)組的加載才是合理的選擇。