林滿陽(yáng)，黃俊(信達(dá)生制藥集團(tuán)，江蘇 蘇州 215000)

1 高效機(jī)房的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

根 據(jù)ASHRAE 對(duì) 高 效 機(jī) 房(high-efficiency optimized chiller plants)的定義，能效比EER 大于5.0(0.7kW/RT)的制冷機(jī)房為優(yōu)秀(excellent)，稱(chēng)為高效機(jī)房，其中以水冷式冷水機(jī)組為例:

國(guó)內(nèi)的制冷機(jī)房實(shí)測(cè)EER 大多在3.5 以下。導(dǎo)致機(jī)房能效比偏低的主要原因有以下幾點(diǎn)：第一，系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)間占比過(guò)大；第二，制冷機(jī)房的控制邏輯混亂；第三，水泵揚(yáng)程選擇過(guò)大從而增大了水泵運(yùn)行能耗；第四，機(jī)房設(shè)備主要由人工操作和維護(hù)，導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)期帶病運(yùn)行等狀況。

高效機(jī)房的建設(shè)正是針對(duì)上述痛點(diǎn)，在機(jī)房的設(shè)計(jì)和改造過(guò)程中系統(tǒng)性地實(shí)施下列措施：一是對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在高效率區(qū)；二是對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，以高效設(shè)備汰換低效設(shè)備；三是對(duì)管路進(jìn)行優(yōu)化，減少沿程與局部阻力；四是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房無(wú)人值守運(yùn)行，排除人工操作的不確定性。

2019 年6 月，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部等七部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動(dòng)方案》。方案中指出“到2030 年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平提升25% 以上，綠色高效制冷產(chǎn)品市場(chǎng)占有率提高40%以上，年節(jié)電4 000 億kWh 左右”。高效機(jī)房作為制冷系統(tǒng)節(jié)能的重要手段在這一政策背景下有望成為新的熱點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)高效機(jī)房的技術(shù)與市場(chǎng)在未來(lái)都會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。

2 高效機(jī)房改造項(xiàng)目背景

生物制藥車(chē)間為了保證生產(chǎn)環(huán)境，公用工程都是全年24 h運(yùn)行的，車(chē)間能耗主要是公用工程的耗電，占比約達(dá)80%。而制冷機(jī)房(冷水機(jī)組、循環(huán)水系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)等)的耗電量又占了公用工程耗電量的64.3%，是能耗大戶(hù)。案例車(chē)間制冷機(jī)房由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造較早，運(yùn)行監(jiān)控和管理相對(duì)簡(jiǎn)單，有較大提升空間。公用工程用電組成如表1 所示。

表1 公用工程用電組成

案例車(chē)間高效制冷機(jī)房包含三套制冷系統(tǒng)：空調(diào)冷凍水系統(tǒng)(6/12 ℃)，使用3 臺(tái)2 650 kW 離心式冷水機(jī)組(1 臺(tái)變頻)，綜合能效比EER=3.95；工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)(7/13 ℃)，使用3 臺(tái)1 600 kW 離心式冷水機(jī)組(1 臺(tái)變頻)，EER=4.02；低溫工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)(-5/0 ℃)，使用2 臺(tái)500 kW 水冷螺桿式乙二醇低溫機(jī)組，EER=3.10。

空調(diào)系統(tǒng)需要24 h 運(yùn)行，負(fù)荷變化受季節(jié)變化、早晚室外溫度變化和工藝房間溫濕度變化的影響。既有控制系統(tǒng)為手動(dòng)控制，不能滿足精益、高效運(yùn)行控制。

計(jì)劃對(duì)該制冷機(jī)房進(jìn)行高效機(jī)房改造，使空調(diào)冷凍水系統(tǒng)和工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)達(dá)到高效機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)，即綜合能效比EER不小于5.0，低溫工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)的EER 達(dá)到4.0，從而實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房節(jié)能降耗的目的。

3 高效機(jī)房的解決方案

通過(guò)對(duì)制冷機(jī)房現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合國(guó)際上高效機(jī)房的最新科技成果，本次高效機(jī)房改造主要涉及以下三個(gè)方面：設(shè)備的優(yōu)化、管路的優(yōu)化與控制的優(yōu)化。

3.1 設(shè)備的優(yōu)化

設(shè)備性能和能效水平是制冷機(jī)房實(shí)現(xiàn)高效的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目制冷機(jī)房所使用的冷水機(jī)組均滿足一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，水泵均滿足二級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的節(jié)能效果?，F(xiàn)有的所有水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)都是定頻運(yùn)行，以冷卻塔風(fēng)機(jī)為例，長(zhǎng)期定頻運(yùn)行下存在以下問(wèn)題：(1)隨季節(jié)、晝夜變化，負(fù)荷隨之變化，但定頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，造成能源浪費(fèi)，增加運(yùn)行成本；(2)啟動(dòng)困難，直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)存在沖擊[2]。因此項(xiàng)目為所有冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)安裝變頻器，對(duì)上述設(shè)備實(shí)現(xiàn)全變頻控制[2]。

3.2 管路的優(yōu)化

通過(guò)對(duì)空調(diào)冷卻水管路阻力的校核，發(fā)現(xiàn)冷卻水管路的流速小于2.5 m/s，比摩阻小于108 Pa/m，總阻力為23 m 水柱。

由于冷卻塔的積水盤(pán)并不聯(lián)通，原設(shè)計(jì)中沒(méi)有平衡管，冷卻塔出水管也沒(méi)有電動(dòng)閥，故當(dāng)冷卻塔及其進(jìn)水電動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)，冷卻水不斷被抽走補(bǔ)水，導(dǎo)致其他冷卻塔溢水。

冷卻水泵、冷凍水泵以及冷機(jī)入口管路原設(shè)計(jì)為Y 型過(guò)濾器，Y 型過(guò)濾器過(guò)濾面積小，且濾網(wǎng)為大孔徑的不銹鋼孔板，內(nèi)附不銹鋼細(xì)濾網(wǎng)，阻力較大，水頭損失一般為1～3 m，占到管路總阻力的5%～12%。

基于上述現(xiàn)有管路條件，對(duì)管路系統(tǒng)改造如下：以45o彎頭取代直角彎頭，如圖1 所示對(duì)冷卻塔加裝平衡管和出水電動(dòng)閥；考慮到空調(diào)水系統(tǒng)可允許直徑＜2 mm 雜質(zhì)的存在而不會(huì)造成設(shè)備的損壞，項(xiàng)目以較大濾孔(10 目，孔徑)、較大過(guò)濾面積的過(guò)濾器替換原有過(guò)濾器。

通過(guò)上述管路優(yōu)化措施的改造，整個(gè)管路系統(tǒng)的總阻力可下降約2 m 水柱。

圖1 管道線路優(yōu)化示例

3.3 控制的優(yōu)化

3.3.1 控制概述

制冷機(jī)房原有的控制系統(tǒng)只有溫度、壓力、流量檢測(cè)和設(shè)備遠(yuǎn)程啟停功能，不具備根據(jù)溫度和流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能和加減機(jī)功能。對(duì)制冷機(jī)房的控制主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改造，如圖2 所示：(1)通過(guò)增設(shè)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器輸入模塊來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)各部分的溫度、壓力、流量、設(shè)備狀態(tài)和故障報(bào)警等；(2)通過(guò)增設(shè)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器輸出模塊來(lái)控制電動(dòng)閥門(mén)、水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等；(3)通過(guò)通訊線連接冷機(jī)至網(wǎng)絡(luò)控制引擎，再由網(wǎng)絡(luò)控制引擎將BAS 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換至IP 網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)由交換機(jī)連接到工廠內(nèi)網(wǎng)，從而在電腦上實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)房運(yùn)行狀況的監(jiān)控；(4)增加新的控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)制冷機(jī)房的智能控制。

圖2 制冷機(jī)房控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.3.2 群控邏輯

(1)設(shè)備順序啟停

一鍵開(kāi)機(jī)順序：①開(kāi)啟冷卻側(cè)、冷凍側(cè)電動(dòng)水閥；②冷卻塔風(fēng)扇根據(jù)冷卻塔出水溫度判斷是否開(kāi)啟；③開(kāi)啟冷卻側(cè)、冷凍側(cè)水泵；④開(kāi)啟冷機(jī)。

一鍵關(guān)機(jī)順序：①關(guān)閉冷機(jī)；②關(guān)閉冷卻塔風(fēng)扇，延時(shí)關(guān)閉冷卻側(cè)(3 min)、冷凍側(cè)水泵(5 min)；③關(guān)閉冷卻側(cè)、冷凍側(cè)電動(dòng)水閥。

(2)冷水機(jī)組自動(dòng)加減機(jī)

生物制藥生產(chǎn)車(chē)間要求空調(diào)和工藝?yán)鋬鏊墓┧疁囟确謩e穩(wěn)定在6 ℃和7 ℃?？照{(diào)系統(tǒng)是連續(xù)24 h 用冷，工藝設(shè)備是間歇用冷，因此冷水機(jī)組的自動(dòng)加減機(jī)是保證機(jī)房高效運(yùn)行的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)通過(guò)冷凍水供水溫度與機(jī)組運(yùn)行的電流百分比，自動(dòng)加減冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)。冷水機(jī)組的加減機(jī)控制邏輯如圖3 所示，其中FLA%為電流百分比，CHWT 為冷凍水供水溫度，CHWT.STP 為冷凍水供水溫度的設(shè)定值[3]。

圖3 冷水機(jī)組加減機(jī)控制邏輯

(3)冷凍水恒壓差控制

冷凍水供回水壓差控制冷凍泵頻率、冷凍水旁通閥；當(dāng)冷凍泵最小頻率運(yùn)行時(shí)，供回水壓差還是超過(guò)設(shè)定值，開(kāi)啟冷凍水旁通電動(dòng)閥。

(4)冷卻水泵溫差控制

冷卻水泵的運(yùn)行頻率根據(jù)冷卻水供回水溫差(5 ℃可調(diào))調(diào)節(jié)。

(5)冷卻塔風(fēng)扇變頻控制

冷卻塔的運(yùn)行臺(tái)數(shù)與風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)冷卻塔出水溫度(濕球溫度加3 ℃)調(diào)節(jié)；當(dāng)冷卻塔出水溫度低于設(shè)定溫度，關(guān)閉冷卻塔風(fēng)扇，啟動(dòng)冷卻水旁通閥。

(6)設(shè)備故障切機(jī)

冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)都具備故障切機(jī)功能，保證整個(gè)機(jī)房系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 節(jié)能效果分析

以高效機(jī)房改造后的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)為例，對(duì)改造后的節(jié)能效果進(jìn)行分析。

根據(jù)制冷機(jī)房過(guò)去的運(yùn)行記錄與能耗數(shù)據(jù)得出改造前的年耗電量與EER。根據(jù)高效機(jī)房改造方案，結(jié)合室外氣象參數(shù)與廠房的運(yùn)行特點(diǎn)，使用eQUEST 能耗模擬軟件對(duì)改造后制冷機(jī)房在相同負(fù)荷下的運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，得到改造后的預(yù)期年耗電量與EER 比。兩者對(duì)比之下，得出年節(jié)電量、節(jié)能率與年節(jié)電費(fèi)如表2 所示。其中電費(fèi)按0.6 元/kWh 計(jì)算。項(xiàng)目改造空調(diào)冷凍水系統(tǒng)部分的總費(fèi)用約為160 萬(wàn)元，經(jīng)計(jì)算得出的靜態(tài)回收期約為1.5 年[4]。

表2 高效機(jī)房改造前后能效對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高效機(jī)房改造項(xiàng)目的實(shí)施，年節(jié)約用電量約180 萬(wàn)kWh，節(jié)能率達(dá)到22.9%，年節(jié)約費(fèi)用約108 萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期為1.5 年，節(jié)能效益顯著。同時(shí)，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)和控制邏輯優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，基本不需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)或啟停機(jī)組，運(yùn)行人員在中控室可以通過(guò)控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)掌握機(jī)房運(yùn)行情況和負(fù)荷變化情況，達(dá)到“智能化”控制。