1 導(dǎo)言

    不久以前大多數(shù)冷凍機(jī)制造廠家都認(rèn)為，變速控制并不屬于冷凍機(jī)，給冷凍機(jī)添加變頻調(diào)速驅(qū)動、讓水的流量變化不是一個好主意，而現(xiàn)在這種情況已經(jīng)變化。事實已經(jīng)證明，使冷凍機(jī)組運轉(zhuǎn)于部分負(fù)荷時可獲得極高的工作效率。幾乎所有制造廠家都接受了冷凍機(jī)組全部設(shè)備包括冷凍機(jī)，循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)，可以變速控制的觀念，這樣的系統(tǒng)叫做“全可變速(all-variable speed )系統(tǒng)”。建筑物業(yè)主，設(shè)計師，工程師和設(shè)備管理者需要考慮如何把這種新技術(shù)集成入他們的成套系統(tǒng)中，以便提供巨大的運行費用節(jié)約。

    本文提出關(guān)于全可變速冷凍水系統(tǒng)的評估意見，為大多數(shù)欲以直接途徑實現(xiàn)這一技術(shù)的人們提供一個概要的計劃，以便能夠展現(xiàn)新技術(shù)的充分效益。圖1顯示的是一種典型的全可變速(變頻調(diào)速)冷凍機(jī)房的示意圖。這種全可變速冷凍機(jī)房的設(shè)備布局(冷凍機(jī)，冷凍水泵，冷卻水泵和冷卻塔等)和傳統(tǒng)典型的冷凍機(jī)房沒有很大差別。主要的區(qū)別是新技術(shù)不再需要為冷凍水系統(tǒng)壓力配置獨立的驅(qū)動水泵，不再需要去藕(旁通)管，至于冷卻水系統(tǒng)則和傳統(tǒng)配置幾乎一樣。全可變速冷凍機(jī)房和傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速冷凍機(jī)房的真正差別在于使用變頻調(diào)速驅(qū)動所有設(shè)備的電機(jī)，同時以DDC控制器和控制網(wǎng)絡(luò)自動地協(xié)調(diào)、優(yōu)化不同負(fù)載條件下所有設(shè)備的運轉(zhuǎn)條件。這樣的控制網(wǎng)絡(luò)有可能存在于傳統(tǒng)的具有BAS系統(tǒng)的冷凍機(jī)房，但是新技術(shù)的關(guān)鍵是在于自動化控制網(wǎng)絡(luò)和可變速驅(qū)動控制的組織及其相應(yīng)的控制策略。

圖1：全可變速冷凍機(jī)組的設(shè)備組態(tài)

2 全可變速冷凍水系統(tǒng)效益的評估

    為了獲得全可變速系統(tǒng)潛在的效益，設(shè)計師和設(shè)備管理者必須首先要把他們的設(shè)備升級為全可變速驅(qū)動系統(tǒng)。下面我們對新技術(shù)作評估，提供證據(jù)來說明實施這樣的升級是有充分道理的。首先采用全可變速冷凍機(jī)系統(tǒng)，由于啟動設(shè)備時的軟特性，以及設(shè)備經(jīng)常不在全負(fù)荷狀態(tài)工作，和固定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)比較它將大大地延長冷凍機(jī)等設(shè)備的工作壽命周期，并且有更少的日常維護(hù)工作量。通過有限的分析我們可以認(rèn)識這一新技術(shù)獨一無二的節(jié)能效益。圖2 顯示以電機(jī)驅(qū)動的離心式冷凍機(jī)的平均年運轉(zhuǎn)效率(耗能效率，KW/ton)，其數(shù)據(jù)來自大數(shù)量冷凍機(jī)房的統(tǒng)計。如果冷凍機(jī)組保持設(shè)備更新并獲得良好操作維護(hù)，則它們中的年平均效率多數(shù)處于0.85至1.0KW/ton “Fair (良)”的范圍內(nèi)，那些配備有效監(jiān)視和自控的優(yōu)化系統(tǒng)可以進(jìn)入0.7至0.85KW/ton“Good(好)” 的范圍。然而對于傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速冷凍機(jī)房，由于受設(shè)備效率限制和缺少自動控制，它們的年平均效率極少有低于0.8KW/ton的。

    現(xiàn)在考慮由相同基本設(shè)備構(gòu)成，但以可變速驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制的全可變速冷凍機(jī)房的情形，這樣的系統(tǒng)一般年平均效率在0.5至0.6KW/ton的范圍，效率差異是由于氣候條件，設(shè)備情況，設(shè)備組態(tài)以及負(fù)荷側(cè)的特點等等所引起。這里的統(tǒng)計分析意味著，將一個具有良好操作維護(hù)的冷凍機(jī)房轉(zhuǎn)變成全可變速系統(tǒng)時，可以期望減少的電能消耗在25%到50%或者更多。依各地區(qū)冬季日長度、負(fù)荷特點和電費率的不同，每安裝冷噸年節(jié)約費用大約在30到100美元(指美國地區(qū))。相比于吸收式或燃燒發(fā)動機(jī)驅(qū)動的冷凍機(jī)，全可變速冷凍機(jī)系統(tǒng)幾乎總是更為經(jīng)濟(jì)和更少的維護(hù)費用。除非余熱得以有效利用，優(yōu)化的全可變速冷凍機(jī)房技術(shù)已經(jīng)不再需要混合型冷凍機(jī)房，如果需求受限于能源的費率結(jié)構(gòu)，采用備用或應(yīng)急發(fā)電機(jī)將可以有更高的效率，這樣的方式比在冷凍機(jī)房組合非電機(jī)驅(qū)動型冷凍機(jī)，具有更好的經(jīng)濟(jì)性和對于負(fù)荷變化的適應(yīng)彈性。

3  建設(shè)全可變速冷凍水系統(tǒng)的費用評估

    因為節(jié)能要求的考慮，新冷凍機(jī)房設(shè)計采用可變速設(shè)備組態(tài)已成為勢在必行的措施。在新機(jī)房中采用優(yōu)化的全可變速技術(shù)的附加投資是很少的。新的可變速冷凍機(jī)組的費用比固定轉(zhuǎn)速機(jī)組增加也不多。對冷卻塔風(fēng)機(jī)采用可變速驅(qū)動比采用雙速電機(jī)要便宜，在水泵附近安置變頻調(diào)速控制器，比在電機(jī)控制中心(配電間)使用常規(guī)的電機(jī)啟動器花費不會太多。構(gòu)成一個全可變速冷凍機(jī)房所需要的額外投資，通常在設(shè)備投運一到二年以內(nèi)的節(jié)能效益中得到回報。

    對于現(xiàn)有的冷凍機(jī)房，改造有兩種途徑：首先如果主要設(shè)備的壽命周期內(nèi)存在確定的節(jié)能效果，則可以考慮立即進(jìn)行控制方式更新，為冷凍機(jī)，水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)添加可變速驅(qū)動，并實現(xiàn)優(yōu)化的可變速控制。如果主要設(shè)備的壽命周期內(nèi)不存在確定的節(jié)能效果，則第二種途徑是先更新壽命周期即將到期的設(shè)備，例如將冷凍機(jī)更新為可變速機(jī)型等，逐次對壽命周期將到的設(shè)備更新為適應(yīng)于可變速系統(tǒng)的設(shè)備。在這個途徑中，冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的可變速升級可以連同網(wǎng)絡(luò)控制一起在開始時、或者等待新的可變速冷凍機(jī)組到位時實施。

    第二種改造途徑也是可行的，因為要等待直到冷凍機(jī)的使用壽命周期來臨必須進(jìn)行設(shè)備更新時進(jìn)行，計劃這樣的(全可變速)改造所需要的附加費用和新機(jī)房一樣，也是較低的。如果由于預(yù)算資金的限制，不能立即作全可變速系統(tǒng)改造，則伴隨主要設(shè)備更新的全可變速升級改造計劃應(yīng)該是十分必要的。

    確定哪一種升級途徑，需要分析、比較改造后的節(jié)能效果和改造所需要的費用。計算節(jié)能潛力最為有效的方法是測算冷凍機(jī)房發(fā)生的能耗費用，評價當(dāng)前機(jī)房設(shè)備的效率，以及估計升級改造所獲得的效率改進(jìn)。如果電費結(jié)構(gòu)由梯級負(fù)荷需求所規(guī)定，則這樣的估算可能更為復(fù)雜。可能需要一些時間為這樣的分析收集必要的數(shù)據(jù)，但這個工作并不十分困難。

    一旦完成節(jié)能評估，下一步就是估計達(dá)到預(yù)期節(jié)能效果的設(shè)備改造所需要的費用。最直接的方法是召請設(shè)備制造廠家和有工程服務(wù)能力的系統(tǒng)集成商。當(dāng)然為增加可變速驅(qū)動裝置和配套的控制系統(tǒng)，以及任何其它必要的改造項目，征詢更多的工程定價來源，可獲得更為可靠的預(yù)算價格。應(yīng)該特別注意的是建設(shè)工程所需要的軟件和服務(wù)，有效而優(yōu)化的控制軟件模塊是一種打包形式提供的商品和服務(wù)，他們一般是現(xiàn)成而不必在現(xiàn)場做基礎(chǔ)開發(fā)的軟件產(chǎn)品，這樣的產(chǎn)品和服務(wù)同時具有價格較低的特點。這種軟件和服務(wù)所含的內(nèi)容，包括配套的硬件和軟件系統(tǒng)安裝，完成控制策略和控制序列，培訓(xùn)、操作和維護(hù)方面的技術(shù)支持，并且確保改造以后的冷凍機(jī)房達(dá)到設(shè)計預(yù)期的目標(biāo)。通過一系列努力，依靠匯總冷凍機(jī)，水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的可變速升級費用和增加數(shù)字式控制系統(tǒng)的費用，估計求得全部升級改造費用不是太困難的事。

    另外的補(bǔ)充方法是在做這種分析時獲得外部幫助，謹(jǐn)慎面對各方面的忠告。由于全可變速技術(shù)相對比較新穎，許多工程人員并不知道全可變速系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)原理，但很少有工程承包商公開承認(rèn)這種事實。所以應(yīng)該讓富有經(jīng)驗的公司去處理這種統(tǒng)計分析。冷凍機(jī)的制造廠家現(xiàn)在正在開發(fā)電腦程序，它可以幫助做機(jī)組節(jié)能部分的統(tǒng)計分析。

4 設(shè)計和實施全可變速冷凍水系統(tǒng)

    無論全可變速冷凍機(jī)組是新設(shè)計，還是由現(xiàn)存機(jī)房改造，求得成功需要設(shè)計師、工程師和操作管理員的緊密的協(xié)作。全可變速冷凍機(jī)房需要自動控制，以便在所有負(fù)載條件下都能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)的設(shè)計和施工，是一項涉及面廣，工序復(fù)雜的過程，系統(tǒng)建成后還需要長期、可靠的技術(shù)支持和維護(hù)，這一切離開專業(yè)系統(tǒng)集成商提供工程服務(wù)，不可能完成。

    不象固定轉(zhuǎn)速冷凍機(jī)一般在某一負(fù)荷點時達(dá)到其工作效率的峰值，全可變速冷凍機(jī)組(包括冷凍機(jī)，水泵和冷卻風(fēng)機(jī)等主要耗能設(shè)備)在部分負(fù)載狀態(tài)的任何工作點，都能夠運轉(zhuǎn)于最有工作效率的狀態(tài)上。關(guān)于傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速冷凍機(jī)和優(yōu)化的全可變速離心式冷凍機(jī)的運轉(zhuǎn)效率曲線顯示于圖3(每一條表示一種類型條件)。可以容易地采用這種曲線圖去評估多機(jī)組機(jī)房在線工作的冷凍機(jī)組，在任何負(fù)載條件和濕管溫度條件下的耗能效率。在處理多機(jī)組并列工作時，僅需要把各機(jī)組的對應(yīng)參數(shù)疊加即可。

    圖3表明，除了運轉(zhuǎn)于較高室外濕管溫度和較高負(fù)載條件時，名義效率相同的冷凍機(jī)，水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)構(gòu)成的機(jī)組，優(yōu)化運行的全可變速機(jī)組的實際效率比固定轉(zhuǎn)速機(jī)組要高得多。另一方面，全可變速機(jī)組的冗余能力宜達(dá)到實際峰值負(fù)荷的20%，以便使工作機(jī)組在峰值負(fù)荷時仍有較高效率。對全可變速機(jī)組保持一定的系統(tǒng)冗余能力，不僅是預(yù)防部分設(shè)備臨時失效的對策，而且也可改進(jìn)在峰值負(fù)載條件時的工作效率，這一點是全可變速機(jī)組和固定轉(zhuǎn)速機(jī)組之間主要的不同。除此以外，全可變速機(jī)組和固定轉(zhuǎn)速的設(shè)備組態(tài)是一樣的，對于布置新的機(jī)組或者原有機(jī)組升級改造都是如此。

    值得注意的是，可變速度電機(jī)的工作電壓不能超過380V，并且按成本效率看，通常優(yōu)化的制冷容量應(yīng)在1500至2000冷噸之間。過高的工作電壓和超大功率時，變頻調(diào)速器的造價急劇上升，一般不可能被接受。如果現(xiàn)有冷凍機(jī)組配有高壓電機(jī)(大于380V)，或者超大容量機(jī)組(單機(jī)容量大于2000冷噸時)，則對機(jī)組的升級改造需要巨額投資。當(dāng)這種超大容量機(jī)組在需要替換新的機(jī)組時，管理者應(yīng)該計劃以多臺容量較小、工作電壓較低的機(jī)組并列代替這種超大機(jī)組。因為只有低于500V工作電壓的變頻調(diào)速驅(qū)動器，才有較好的性能價格比。

    把冷凍機(jī)組轉(zhuǎn)換成全可變速機(jī)組，不會影響冷凍水的分配輸送管道部分。原有的一次/二次泵系統(tǒng)可以繼續(xù)使用，但是為了進(jìn)一步提高效率，作為升級改造計劃的一部分，建議將冷凍水系統(tǒng)升級成為單回路可變流量系統(tǒng)(a single circuit variable flow system，也稱為可變一次流量系統(tǒng)：a variable primary flow system)，即省掉二次泵。但是當(dāng)冷凍水分配系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)區(qū)比較大而復(fù)雜，或者是一個大范圍園區(qū)，則對每一個服務(wù)區(qū)設(shè)置獨立的二次增壓水泵是需要的。在單回路可變流量分配系統(tǒng)中，負(fù)載側(cè)管路直接和一次泵串聯(lián)，沒有旁通管，所以水泵的運轉(zhuǎn)效果是“增壓”，故稱增壓泵。網(wǎng)絡(luò)控制可以在一次泵和二次增壓泵之間協(xié)調(diào)，以減少冷凍水分配輸送管路的能耗。現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)打包軟件可以優(yōu)化一次/增壓水泵的工作，就如它優(yōu)化全可變速冷凍機(jī)組一樣，這種軟件能夠容易地解決冷凍水分配系統(tǒng)所面臨的低△T這個終極難題，也可以大大地簡化項目的啟動和確保系統(tǒng)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 關(guān)于全可變速冷凍機(jī)組的優(yōu)化運轉(zhuǎn)

    全可變速冷凍機(jī)組和傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速冷凍機(jī)組之間運轉(zhuǎn)方式的差異具有重要意義。為了獲得優(yōu)化的機(jī)組工作效率，可變速度的冷凍機(jī)，水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)必須被順序控制，運轉(zhuǎn)在盡可能的部分負(fù)載的狀態(tài)中。僅僅當(dāng)全部機(jī)組設(shè)備需要全容量運轉(zhuǎn)去滿足峰值負(fù)荷時，它們才全部工作于額定容量。這樣的系統(tǒng)設(shè)備只有用DDC控制網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行自動化控制，才能實現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。冷凍機(jī)組的管理者和操作者應(yīng)該認(rèn)識到，優(yōu)化全可變速冷凍機(jī)組運轉(zhuǎn)效率的最好方法，是采用自動控制設(shè)備去控制和協(xié)調(diào)冷凍機(jī)，水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)。這種自動控制需要一套有效的優(yōu)化控制軟件包，它提供系統(tǒng)監(jiān)視能力，給出控制序列，保證系統(tǒng)運轉(zhuǎn)滿足控制目標(biāo)，確保系統(tǒng)平滑工作于所有可能的條件。同時建立系統(tǒng)監(jiān)控工作站，讓操作人員知道系統(tǒng)設(shè)備在所有運轉(zhuǎn)時間段內(nèi)，是否滿足性能要求，持續(xù)地監(jiān)控和評估系統(tǒng)性能，獲得可測量結(jié)果報告管理部門。

    近年來，在全可變速系統(tǒng)和BAS控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建筑物暖通空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出“基于需求控制(Demand Based Control)”的優(yōu)化控制算法，它將建筑物暖通空調(diào)系統(tǒng)的各處設(shè)備―無論是冷(熱)源側(cè)還是負(fù)載側(cè)，看成一個整體進(jìn)行集成控制，不采用傳統(tǒng)的單元PID控制，而是根據(jù)“等臨界能效法則(Equal Marginal Performance Principle：EMPP)”這一種先進(jìn)算法作自適應(yīng)趨近(最優(yōu)化)目標(biāo)控制，實現(xiàn)這種控制將能夠獲得最高的系統(tǒng)效能。(新的控制算法對傳統(tǒng)觀念是一種突破，對暖通空調(diào)裝置和自控元件提出了不同于以往的較低的匹配要求。限于篇幅，在此不作詳述。)

    為了對付部分設(shè)備因故障失效，冷凍機(jī)組的容量有必要作冗余配備。雖然這意味著通常有更多設(shè)備在任何給定時間在線運轉(zhuǎn)，但是制造廠家，操作管理者都認(rèn)為，全可變速冷凍機(jī)組設(shè)備維護(hù)工作量比傳統(tǒng)設(shè)備大為減少。其原因是電機(jī)的軟啟動特性、較低頻率啟/停操作和設(shè)備經(jīng)常處于低負(fù)荷狀態(tài)。這些因素補(bǔ)償了它們較長的運轉(zhuǎn)時間所引起的磨損。

6 關(guān)于充分發(fā)揮可變速系統(tǒng)節(jié)能潛力的問題

    近年來我國建設(shè)了許多高檔次的大樓，但是在如何充分利用新技術(shù)節(jié)省能源，提高能耗效率方面來說，還是存在諸多問題。我們常常看到，已經(jīng)設(shè)計配置了BAS網(wǎng)絡(luò)和可變速驅(qū)動的許多建筑設(shè)施，仍然處于手動操作或半手動操作狀態(tài)，系統(tǒng)能耗效率沒有達(dá)到設(shè)計預(yù)期。

    例如某一請境外作初步技術(shù)設(shè)計的大型劇場，其中原有節(jié)能方面的關(guān)鍵建議，涉及暖通空調(diào)系統(tǒng)可變速驅(qū)動的變水量控制和變風(fēng)量控制等具體方案，但是后來在國內(nèi)深化設(shè)計和施工時，卻被修改得不倫不類，面目全非，而且在工程實施時缺少強(qiáng)有力的系統(tǒng)集成管理，任由多家分承包商和設(shè)備制造廠家各自為政，各行其是，致使系統(tǒng)不能整合在一起，無法實現(xiàn)自動化控制運行，高水平的能耗效率更是無從談起。

    水泵配置可變速驅(qū)動，本身并不意味著一定會獲得較高的節(jié)能效益，這里還需要有合理的控制方案，良好的工程服務(wù)。某些水泵供應(yīng)商，聲稱提供成套冷凍水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)，它的“成套”方案，只不過是在冷凍機(jī)房的供、回總管上安裝一個壓差傳感器，其方案，既沒有和BAS的通訊接口，也沒有如何合理控制的軟件。首先必須指出，即使采用簡單的壓差控制，這個壓差的采樣點是需要講究的，一般要求安裝于系統(tǒng)管路遠(yuǎn)端最不利位置，而不是機(jī)房內(nèi)的總管上；其次可變速冷凍水泵應(yīng)該和BAS連網(wǎng)，應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷水平和冷凍機(jī)的工況，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制才能夠從系統(tǒng)獲得合理的控制指令。所以這種獨立單回路的水泵變速產(chǎn)品向冷凍機(jī)組的設(shè)計和管理人員推銷，不能不說是一種誤導(dǎo)。

    國內(nèi)一些在暖通空調(diào)裝置配備變頻調(diào)速驅(qū)動(水泵，風(fēng)機(jī))的系統(tǒng)，針對能耗問題往往是頭疼醫(yī)頭、腳痛治腳，缺乏系統(tǒng)集成的完整工藝方案；部分設(shè)計人員對采用控制網(wǎng)絡(luò)常常缺乏信心，認(rèn)為在國內(nèi)條件下不易實現(xiàn)；長期以來涉足該領(lǐng)域較少，經(jīng)驗不多，使建筑設(shè)計師不自覺地在避開應(yīng)該面對的課題，在完成一幢高檔次建筑物的深化以后，合理、全面的系統(tǒng)自動化控制技術(shù)設(shè)計還沒有到位。先進(jìn)的控制技術(shù)需要新的結(jié)構(gòu)和組態(tài)與其匹配，如果不在初步設(shè)計時提出完整的解決方案，事后可能無法彌補(bǔ)而留下遺憾。

    由此可見，進(jìn)一步充分發(fā)揮可變速系統(tǒng)節(jié)能潛力，至少有兩個方面需要加強(qiáng)：一是基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)該運用已經(jīng)成熟的DDC網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，提供系統(tǒng)集成的完整控制方案；二是先進(jìn)的控制技術(shù)需要優(yōu)良的工程服務(wù)，在這里特別需要掌握相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)集成服務(wù)商對工程項目提供成套的服務(wù)。

    大型建筑的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，正在逐步采用可變速驅(qū)動控制系統(tǒng)，能否獲得較高的節(jié)能效果，其實在建筑系統(tǒng)方案設(shè)計時就有關(guān)系，系統(tǒng)集成從基礎(chǔ)技術(shù)設(shè)計開始。在這里，全可變速系統(tǒng)應(yīng)該是一個較為優(yōu)秀的選擇。

    有專業(yè)技術(shù)能力的系統(tǒng)集成商可以和大學(xué)、科研單位合作開發(fā)可靠有效的控制軟件，爭取獲得擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的推廣運用。在當(dāng)前普遍存在信心問題的情況下，我們可以選擇和境外擁有成熟、商用的打包軟件的專業(yè)公司合作，做一個完整的工程。先引進(jìn)，再獨立開發(fā)，這是一條可行之路。

    同時我們希望建筑智能化行業(yè)的市場運作機(jī)制，能夠有利于孵化和培育出更多有專業(yè)技術(shù)能力的系統(tǒng)集成服務(wù)商，這正是當(dāng)前比較欠缺的一面。

[參考文獻(xiàn)]

Mr. Thomas Hartman:
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