翁 政 軍

(蘇寧置業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210042)

全變頻冷凍站技術(shù)在上海某商辦樓項(xiàng)目中的應(yīng)用

翁 政 軍

(蘇寧置業(yè)集團(tuán)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(tǒng)，即冷凍站中的冷凍機(jī)、水泵和冷卻塔風(fēng)扇全部變頻調(diào)速，著重介紹了超高效全變頻制冷站技術(shù)哈特曼控制回路的特點(diǎn)，為正在評估全變頻冷凍站技術(shù)的設(shè)計師提供借鑒。

全變頻冷凍站，哈特曼控制算法，節(jié)能

1 項(xiàng)目概況

該商辦樓發(fā)展項(xiàng)目是整個太平橋商業(yè)規(guī)劃的重要區(qū)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(yè)，地下2層～4層為庫房和車庫；地上3層商業(yè)裙房，24層甲級辦公，為超高層建筑。本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)夏季設(shè)計總冷負(fù)荷為3 270 RT，全變頻冷凍站采用一次泵變頻變流量系統(tǒng)，冷源選用4臺制冷性能優(yōu)越的離心式變頻電制冷機(jī)組，為離心式冷水機(jī)組設(shè)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(fēng)扇設(shè)置變頻器。造成制冷站能耗高的主要原因有：冷凍站主要設(shè)備定頻運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備非高效運(yùn)轉(zhuǎn)；冷凍站設(shè)備不能關(guān)聯(lián)運(yùn)行；并聯(lián)設(shè)備不能以高綜合效率運(yùn)行；水泵流量偏大、系統(tǒng)大流量小溫差、水力失衡明顯等。該項(xiàng)目采用全變頻冷凍站節(jié)能控制技術(shù)控制設(shè)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(yùn)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(shè)備變頻運(yùn)行壽命較長，維護(hù)費(fèi)用低，運(yùn)行穩(wěn)定。

2 哈特曼算法

哈特曼算法由美國職業(yè)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(jī)組、水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行存在其離心機(jī)組自身固有的最佳效率運(yùn)行曲線，哈特曼稱此運(yùn)行曲線為自然曲線。在進(jìn)行軟件編制過程中，先將各個設(shè)備的最佳運(yùn)行效率曲線作為程序的邊界條件輸入到電腦芯片中，在運(yùn)用全變頻控制軟件控制各設(shè)備過程中，將系統(tǒng)負(fù)荷變化形成的實(shí)時設(shè)備實(shí)際運(yùn)行效率與自然曲線進(jìn)行比較，調(diào)整設(shè)備的啟動和停止以使實(shí)際運(yùn)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(guān)聯(lián)控制的一種應(yīng)用。在不減損冷量需求的情況下，相等邊際效能原則能夠?qū)?yōu)找到冷水機(jī)組、冷水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等設(shè)備間最佳功率關(guān)系，令冷凍站總的功耗大量降低。其工作工程如下：

a.在實(shí)時負(fù)荷需求下，全變頻控制系統(tǒng)采用的高速芯片記錄下每個設(shè)備消耗的功率和冷凍站的輸出冷量。在進(jìn)行實(shí)時控制的過程中，遵循策略性的只調(diào)節(jié)其中某一個具有可調(diào)節(jié)性的變頻設(shè)備而暫時維持其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度不變，記錄下該調(diào)節(jié)設(shè)備的功率消耗增量及其由此設(shè)備功率消耗增量而產(chǎn)生的冷凍站的邊際冷量。b.維持步驟a.中的設(shè)備原始速度運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)第二臺變頻設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)至與第一臺設(shè)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(yùn)用相同的方法重復(fù)上述調(diào)節(jié)步驟，得出每臺設(shè)備在輸入相等功率增量情況下對于邊際冷量的貢獻(xiàn)是不同的。即在調(diào)節(jié)不同設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度而生成的相同功率增量下，對邊際冷量貢獻(xiàn)大小不一。換言之，在相同的系統(tǒng)負(fù)荷需求下，設(shè)備效率有大有小。c.同時調(diào)節(jié)兩臺設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，對效率高的設(shè)備給出不大于上步驟的功率增量，對效率低的設(shè)備給出絕對值等于上步驟的功率負(fù)增量。通過上述調(diào)節(jié)，冷凍站總的冷量輸出不變，但輸入總功率變小了。d.重復(fù)上述步驟，可以得出當(dāng)相等的功率增量加載于冷凍站每個設(shè)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(yōu)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(jù)實(shí)時負(fù)荷需求對變頻設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)實(shí)時跟蹤冷凍站設(shè)備及水力系統(tǒng)的運(yùn)行曲線，當(dāng)感知到系統(tǒng)的負(fù)荷需求時，能夠按照軟件中預(yù)設(shè)的各個設(shè)備對應(yīng)的最佳功率關(guān)系，主動調(diào)節(jié)每臺設(shè)備在某一固定功率數(shù)值上，主動尋優(yōu)，直到新的最佳功率關(guān)系出現(xiàn)而穩(wěn)定運(yùn)行各個設(shè)備。按需主動控制固有原理是關(guān)聯(lián)控制，是一種功率型和數(shù)字型的前饋控制方式，相較PID反饋控制相比，在反應(yīng)時間、能量最優(yōu)化處理等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)方案

該項(xiàng)目采用自動尋優(yōu)的超高效冷凍站節(jié)能控制系統(tǒng)對整個冷凍站設(shè)備進(jìn)行控制。該節(jié)能控制系統(tǒng)(如圖1所示)為在哈特曼算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。該控制系統(tǒng)以這個冷凍站能耗最低、效率最高為控制目標(biāo)，以機(jī)房內(nèi)各個調(diào)節(jié)性設(shè)備最佳功率關(guān)系特性為基礎(chǔ)，以實(shí)時負(fù)荷需求為控制依據(jù)，通過尋優(yōu)識別算法對冷凍站內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行前饋控制。該控制系統(tǒng)為兩層架構(gòu)，上位機(jī)為工業(yè)級控制計算機(jī)對冷凍機(jī)房設(shè)備和設(shè)定進(jìn)行中央控制，下位機(jī)為工業(yè)級可編程控制器PLC，實(shí)時監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行(見圖1)。

冷凍站群控系統(tǒng)集中管理和控制整個制冷機(jī)房內(nèi)的所有空調(diào)設(shè)備、探測器及控制器。中央控制站以工業(yè)級控制計算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，安裝有尋優(yōu)控制軟件。數(shù)學(xué)建模、程序優(yōu)化構(gòu)建而成的尋優(yōu)計算模塊為計算機(jī)程序核心。中央控制站由一系列設(shè)置控制子站組成。每個子站內(nèi)安裝有工業(yè)級別的PLC控制器，各控制子站采集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和執(zhí)行中央控制站對子站發(fā)出的指令，通過以太網(wǎng)傳送至中央控制站參與尋優(yōu)計算。

制冷機(jī)組控制：群控系統(tǒng)根據(jù)冷機(jī)模型計算出最佳運(yùn)行工況，讓機(jī)組的運(yùn)行盡量接近其自有的效率自然曲線進(jìn)行主動式寫入控制，以整個機(jī)房能耗最低為目標(biāo)。

冷凍水泵控制：變頻，根據(jù)冷凍水回水溫度的變化、供/回水系統(tǒng)的壓差，變頻調(diào)速、臺數(shù)控制運(yùn)行以達(dá)到按冷量需求調(diào)節(jié)。

冷卻水泵控制：變頻，根據(jù)冷卻水供水溫度的變化，變頻調(diào)速、臺數(shù)控制運(yùn)行以達(dá)到按冷量需求調(diào)節(jié)。

冷卻塔控制：風(fēng)速變頻，根據(jù)冷卻水回水溫度的變化，變頻調(diào)速、臺數(shù)控制運(yùn)行以達(dá)到按冷量需求調(diào)節(jié)。

通過上述對冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的全變頻關(guān)聯(lián)運(yùn)行，在設(shè)備模型及管網(wǎng)模型的聯(lián)合求解和尋優(yōu)計算下，實(shí)現(xiàn)對整個冷凍站的節(jié)能運(yùn)行。

4 結(jié)語

全變頻冷凍站系統(tǒng)已經(jīng)全自動運(yùn)行了兩年多，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作便捷。在哈特曼控制算法基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計的專業(yè)軟件對冷凍站設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行尋優(yōu)控制后，整體能耗降低40%～60%以上，顯現(xiàn)突出的節(jié)能效益，為冷凍站的設(shè)計提供了一個新的選擇。這篇文章介紹了全變頻冷凍站節(jié)能技術(shù)在某商辦樓項(xiàng)目中的應(yīng)用及運(yùn)行，是一種可供推廣的節(jié)能應(yīng)用技術(shù)。

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

[2] 葛宏明，姜衛(wèi)東，惠廣海. Armstrong超高效冷凍機(jī)房自動控制系統(tǒng)及全新控制方法[J].暖通空調(diào),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