林滿陽，黃俊(信達(dá)生制藥集團，江蘇 蘇州 215000)

1 高效機房的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

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

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

高效機房的建設(shè)正是針對上述痛點，在機房的設(shè)計和改造過程中系統(tǒng)性地實施下列措施：一是對運行策略進(jìn)行優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠長時間運行在高效率區(qū)；二是對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，以高效設(shè)備汰換低效設(shè)備；三是對管路進(jìn)行優(yōu)化，減少沿程與局部阻力；四是對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過智能控制技術(shù)實現(xiàn)機房無人值守運行，排除人工操作的不確定性。

2019 年6 月，國家發(fā)展改革委員會、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合印發(fā)了《綠色高效制冷行動方案》。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)品市場占有率提高40%以上，年節(jié)電4 000 億kWh 左右”。高效機房作為制冷系統(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?？梢灶A(yù)見高效機房的技術(shù)與市場在未來都會有長足的發(fā)展[1]。

2 高效機房改造項目背景

生物制藥車間為了保證生產(chǎn)環(huán)境，公用工程都是全年24 h運行的，車間能耗主要是公用工程的耗電，占比約達(dá)80%。而制冷機房(冷水機組、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。案例車間制冷機房由于系統(tǒng)設(shè)計、建造較早，運行監(jiān)控和管理相對簡單，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

案例車間高效制冷機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2 650 kW 離心式冷水機組(1 臺變頻)，綜合能效比EER=3.95；工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)(7/13 ℃)，使用3 臺1 600 kW 離心式冷水機組(1 臺變頻)，EER=4.02；低溫工藝?yán)鋬鏊到y(tǒng)(-5/0 ℃)，使用2 臺500 kW 水冷螺桿式乙二醇低溫機組，EER=3.10。

空調(diào)系統(tǒng)需要24 h 運行，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)為手動控制，不能滿足精益、高效運行控制。

計劃對該制冷機房進(jìn)行高效機房改造，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，從而實現(xiàn)制冷機房節(jié)能降耗的目的。

3 高效機房的解決方案

通過對制冷機房現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合國際上高效機房的最新科技成果，本次高效機房改造主要涉及以下三個方面：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房實現(xiàn)高效的基礎(chǔ)。本項目制冷機房所使用的冷水機組均滿足一級能效標(biāo)準(zhǔn)，水泵均滿足二級能效標(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)機都是定頻運行，以冷卻塔風(fēng)機為例，長期定頻運行下存在以下問題：(1)隨季節(jié)、晝夜變化，負(fù)荷隨之變化，但定頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，造成能源浪費，增加運行成本；(2)啟動困難，直接啟動，啟動電流大，對電網(wǎng)存在沖擊[2]。因此項目為所有冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機安裝變頻器，對上述設(shè)備實現(xiàn)全變頻控制[2]。

3.2 管路的優(yōu)化

通過對空調(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并不聯(lián)通，原設(shè)計中沒有平衡管，冷卻塔出水管也沒有電動閥，故當(dāng)冷卻塔及其進(jìn)水電動閥關(guān)閉時，冷卻水不斷被抽走補水，導(dǎo)致其他冷卻塔溢水。

冷卻水泵、冷凍水泵以及冷機入口管路原設(shè)計為Y 型過濾器，Y 型過濾器過濾面積小，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 所示對冷卻塔加裝平衡管和出水電動閥；考慮到空調(diào)水系統(tǒng)可允許直徑＜2 mm 雜質(zhì)的存在而不會造成設(shè)備的損壞，項目以較大濾孔(10 目，孔徑)、較大過濾面積的過濾器替換原有過濾器。

通過上述管路優(yōu)化措施的改造，整個管路系統(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

制冷機房原有的控制系統(tǒng)只有溫度、壓力、流量檢測和設(shè)備遠(yuǎn)程啟停功能，不具備根據(jù)溫度和流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)控制功能和加減機功能。對制冷機房的控制主要從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化和改造，如圖2 所示：(1)通過增設(shè)相應(yīng)的現(xiàn)場控制器輸入模塊來監(jiān)視系統(tǒng)各部分的溫度、壓力、流量、設(shè)備狀態(tài)和故障報警等；(2)通過增設(shè)相應(yīng)的現(xiàn)場控制器輸出模塊來控制電動閥門、水泵和冷卻塔風(fēng)機等；(3)通過通訊線連接冷機至網(wǎng)絡(luò)控制引擎，再由網(wǎng)絡(luò)控制引擎將BAS 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換至IP 網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)由交換機連接到工廠內(nèi)網(wǎng)，從而在電腦上實現(xiàn)對制冷機房運行狀況的監(jiān)控；(4)增加新的控制邏輯來實現(xiàn)對整個制冷機房的智能控制。

圖2 制冷機房控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.3.2 群控邏輯

(1)設(shè)備順序啟停

一鍵開機順序：①開啟冷卻側(cè)、冷凍側(cè)電動水閥；②冷卻塔風(fēng)扇根據(jù)冷卻塔出水溫度判斷是否開啟；③開啟冷卻側(cè)、冷凍側(cè)水泵；④開啟冷機。

一鍵關(guān)機順序：①關(guān)閉冷機；②關(guān)閉冷卻塔風(fēng)扇，延時關(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)電動水閥。

(2)冷水機組自動加減機

生物制藥生產(chǎn)車間要求空調(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，因此冷水機組的自動加減機是保證機房高效運行的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)通過冷凍水供水溫度與機組運行的電流百分比，自動加減冷水機組運行臺數(shù)。冷水機組的加減機控制邏輯如圖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 冷水機組加減機控制邏輯

(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)冷凍泵最小頻率運行時，供回水壓差還是超過設(shè)定值，開啟冷凍水旁通電動閥。

(4)冷卻水泵溫差控制

冷卻水泵的運行頻率根據(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

冷卻塔的運行臺數(shù)與風(fēng)機頻率根據(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，啟動冷卻水旁通閥。

(6)設(shè)備故障切機

冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機都具備故障切機功能，保證整個機房系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4 節(jié)能效果分析

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

根據(jù)制冷機房過去的運行記錄與能耗數(shù)據(jù)得出改造前的年耗電量與EER。根據(jù)高效機房改造方案，結(jié)合室外氣象參數(shù)與廠房的運行特點，使用eQUEST 能耗模擬軟件對改造后制冷機房在相同負(fù)荷下的運行能耗進(jìn)行模擬計算，得到改造后的預(yù)期年耗電量與EER 比。兩者對比之下，得出年節(jié)電量、節(jié)能率與年節(jié)電費如表2 所示。其中電費按0.6 元/kWh 計算。項目改造空調(diào)冷凍水系統(tǒng)部分的總費用約為160 萬元，經(jīng)計算得出的靜態(tài)回收期約為1.5 年[4]。

表2 高效機房改造前后能效對比

5 結(jié)語

通過高效機房改造項目的實施，年節(jié)約用電量約180 萬kWh，節(jié)能率達(dá)到22.9%，年節(jié)約費用約108 萬元，靜態(tài)投資回收期為1.5 年，節(jié)能效益顯著。同時，通過對控制系統(tǒng)和控制邏輯優(yōu)化，實現(xiàn)了機組和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動化控制，基本不需要人工干預(yù)調(diào)節(jié)或啟停機組，運行人員在中控室可以通過控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實時掌握機房運行情況和負(fù)荷變化情況，達(dá)到“智能化”控制。