关于全可变速冷冻水系统的评估意见

1 导言
不久以前大多数冷冻机制造厂家都认为，变速控制并不属于冷冻机，给冷冻机添加变频调速驱动、让水的流量变化不是一个好主意，而现在这种情况已经变化。事实已经证明，使冷冻机组运转于部分负荷时可获得极高的工作效率。几乎所有制造厂家都接受了冷冻机组全部设备包括冷冻机，循环水泵和冷却塔风机，可以变速控制的观念，这样的系统叫做“全可变速(all-variable speed )系统”。建筑物业主，设计师，工程师和设备管理者需要考虑如何把这种新技术集成入他们的成套系统中，以便提供巨大的运行费用节约。

本文提出关于全可变速冷冻水系统的评估意见，为大多数欲以直接途径实现这一技术的人们提供一个概要的计划，以便能够展现新技术的充分效益。图1显示的是一种典型的全可变速(变频调速)冷冻机房的示意图。这种全可变速冷冻机房的设备布局(冷冻机，冷冻水泵，冷却水泵和冷却塔等)和传统典型的冷冻机房没有很大差别。主要的区别是新技术不再需要为冷冻水系统压力配置独立的驱动水泵，不再需要去藕(旁通)管，至于冷却水系统则和传统配置几乎一样。全可变速冷冻机房和传统固定转速冷冻机房的真正差别在于使用变频调速驱动所有设备的电机，同时以DDC控制器和控制网络自动地协调、优化不同负载条件下所有设备的运转条件。这样的控制网络有可能存在于传统的具有BAS系统的冷冻机房，但是新技术的关键是在于自动化控制网络和可变速驱动控制的组织及其相应的控制策略。


2 全可变速冷冻水系统效益的评估
为了获得全可变速系统潜在的效益，设计师和设备管理者必须首先要把他们的设备升级为全可变速驱动系统。下面我们对新技术作评估，提供证据来说明实施这样的升级是有充分道理的。首先采用全可变速冷冻机系统，由于启动设备时的软特性，以及设备经常不在全负荷状态工作，和固定转速系统比较它将大大地延长冷冻机等设备的工作寿命周期，并且有更少的日常维护工作量。通过有限的分析我们可以认识这一新技术独一无二的节能效益。图2 显示以电机驱动的离心式冷冻机的平均年运转效率(耗能效率，KW/ton)，其数据来自大数量冷冻机房的统计。如果冷冻机组保持设备更新并获得良好操作维护，则它们中的年平均效率多数处于0.85至1.0KW/ton “Fair (良)”的范围内，那些配备有效监视和自控的优化系统可以进入0.7至0.85KW/ton“Good(好)” 的范围。然而对于传统固定转速冷冻机房，由于受设备效率限制和缺少自动控制，它们的年平均效率极少有低于0.8KW/ton的。


现在考虑由相同基本设备构成，但以可变速驱动和网络优化控制的全可变速冷冻机房的情形，这样的系统一般年平均效率在0.5至0.6KW/ton的范围，效率差异是由于气候条件，设备情况，设备组态以及负荷侧的特点等等所引起。这里的统计分析意味着，将一个具有良好操作维护的冷冻机房转变成全可变速系统时，可以期望减少的电能消耗在25%到50%或者更多。依各地区冬季日长度、负荷特点和电费率的不同，每安装冷吨年节约费用大约在30到100美元(指美国地区)。相比于吸收式或燃烧发动机驱动的冷冻机，全可变速冷冻机系统几乎总是更为经济和更少的维护费用。除非余热得以有效利用，优化的全可变速冷冻机房技术已经不再需要混合型冷冻机房，如果需求受限于能源的费率结构，采用备用或应急发电机将可以有更高的效率，这样的方式比在冷冻机房组合非电机驱动型冷冻机，具有更好的经济性和对于负荷变化的适应弹性。
3 建设全可变速冷冻水系统的费用评估
因为节能要求的考虑，新冷冻机房设计采用可变速设备组态已成为势在必行的措施。在新机房中采用优化的全可变速技术的附加投资是很少的。新的可变速冷冻机组的费用比固定转速机组增加也不多。对冷却塔风机采用可变速驱动比采用双速电机要便宜，在水泵附近安置变频调速控制器，比在电机控制中心(配电间)使用常规的电机启动器花费不会太多。构成一个全可变速冷冻机房所需要的额外投资，通常在设备投运一到二年以内的节能效益中得到回报。

对于现有的冷冻机房，改造有两种途径：首先如果主要设备的寿命周期内存在确定的节能效果，则可以考虑立即进行控制方式更新，为冷冻机，水泵和冷却塔风机添加可变速驱动，并实现优化的可变速控制。如果主要设备的寿命周期内不存在确定的节能效果，则第二种途径是先更新寿命周期即将到期的设备，例如将冷冻机更新为可变速机型等，逐次对寿命周期将到的设备更新为适应于可变速系统的设备。在这个途径中，冷却水泵和冷却塔风机的可变速升级可以连同网络控制一起在开始时、或者等待新的可变速冷冻机组到位时实施。

第二种改造途径也是可行的，因为要等待直到冷冻机的使用寿命周期来临必须进行设备更新时进行，计划这样的(全可变速)改造所需要的附加费用和新机房一样，也是较低的。如果由于预算资金的限制，不能立即作全可变速系统改造，则伴随主要设备更新的全可变速升级改造计划应该是十分必要的。

确定哪一种升级途径，需要分析、比较改造后的节能效果和改造所需要的费用。计算节能潜力最为有效的方法是测算冷冻机房发生的能耗费用，评价当前机房设备的效率，以及估计升级改造所获得的效率改进。如果电费结构由梯级负荷需求所规定，则这样的估算可能更为复杂。可能需要一些时间为这样的分析收集必要的数据，但这个工作并不十分困难。

一旦完成节能评估，下一步就是估计达到预期节能效果的设备改造所需要的费用。最直接的方法是召请设备制造厂家和有工程服务能力的系统集成商。当然为增加可变速驱动装置和配套的控制系统，以及任何其它必要的改造项目，征询更多的工程定价来源，可获得更为可靠的预算价格。应该特别注意的是建设工程所需要的软件和服务，有效而优化的控制软件模块是一种打包形式提供的商品和服务，他们一般是现成而不必在现场做基础开发的软件产品，这样的产品和服务同时具有价格较低的特点。这种软件和服务所含的内容，包括配套的硬件和软件系统安装，完成控制策略和控制序列，培训、操作和维护方面的技术支持，并且确保改造以后的冷冻机房达到设计预期的目标。通过一系列努力，依靠汇总冷冻机，水泵和冷却塔风机的可变速升级费用和增加数字式控制系统的费用，估计求得全部升级改造费用不是太困难的事。

另外的补充方法是在做这种分析时获得外部帮助，谨慎面对各方面的忠告。由于全可变速技术相对比较新颖，许多工程人员并不知道全可变速系统的运转原理，但很少有工程承包商公开承认这种事实。所以应该让富有经验的公司去处理这种统计分析。冷冻机的制造厂家现在正在开发电脑程序，它可以帮助做机组节能部分的统计分析。
4 设计和实施全可变速冷冻水系统
无论全可变速冷冻机组是新设计，还是由现存机房改造，求得成功需要设计师、工程师和操作管理员的紧密的协作。全可变速冷冻机房需要自动控制，以便在所有负载条件下都能够实现设备的优化运转。控制系统的设计和施工，是一项涉及面广，工序复杂的过程，系统建成后还需要长期、可靠的技术支持和维护，这一切离开专业系统集成商提供工程服务，不可能完成。

不象固定转速冷冻机一般在某一负荷点时达到其工作效率的峰值，全可变速冷冻机组(包括冷冻机，水泵和冷却风机等主要耗能设备)在部分负载状态的任何工作点，都能够运转于最有工作效率的状态上。关于传统固定转速冷冻机和优化的全可变速离心式冷冻机的运转效率曲线显示于图3(每一条表示一种类型条件)。可以容易地采用这种曲线图去评估多机组机房在线工作的冷冻机组，在任何负载条件和湿管温度条件下的耗能效率。在处理多机组并列工作时，仅需要把各机组的对应参数叠加即可。

图3表明，除了运转于较高室外湿管温度和较高负载条件时，名义效率相同的冷冻机，水泵和冷却塔风机构成的机组，优化运行的全可变速机组的实际效率比固定转速机组要高得多。另一方面，全可变速机组的冗余能力宜达到实际峰值负荷的20%，以便使工作机组在峰值负荷时仍有较高效率。对全可变速机组保持一定的系统冗余能力，不仅是预防部分设备临时失效的对策，而且也可改进在峰值负载条件时的工作效率，这一点是全可变速机组和固定转速机组之间主要的不同。除此以外，全可变速机组和固定转速的设备组态是一样的，对于布置新的机组或者原有机组升级改造都是如此。



值得注意的是，可变速度电机的工作电压不能超过380V，并且按成本效率看，通常优化的制冷容量应在1500至2000冷吨之间。过高的工作电压和超大功率时，变频调速器的造价急剧上升，一般不可能被接受。如果现有冷冻机组配有高压电机(大于380V)，或者超大容量机组(单机容量大于2000冷吨时)，则对机组的升级改造需要巨额投资。当这种超大容量机组在需要替换新的机组时，管理者应该计划以多台容量较小、工作电压较低的机组并列代替这种超大机组。因为只有低于500V工作电压的变频调速驱动器，才有较好的性能价格比。

把冷冻机组转换成全可变速机组，不会影响冷冻水的分配输送管道部分。原有的一次/二次泵系统可以继续使用，但是为了进一步提高效率，作为升级改造计划的一部分，建议将冷冻水系统升级成为单回路可变流量系统(a single circuit variable flow system，也称为可变一次流量系统：a variable primary flow system)，即省掉二次泵。但是当冷冻水分配系统服务目标区比较大而复杂，或者是一个大范围园区，则对每一个服务区设置独立的二次增压水泵是需要的。在单回路可变流量分配系统中，负载侧管路直接和一次泵串联，没有旁通管，所以水泵的运转效果是“增压”，故称增压泵。网络控制可以在一次泵和二次增压泵之间协调，以减少冷冻水分配输送管路的能耗。现在已经有商业打包软件可以优化一次/增压水泵的工作，就如它优化全可变速冷冻机组一样，这种软件能够容易地解决冷冻水分配系统所面临的低△T这个终极难题，也可以大大地简化项目的启动和确保系统性能符合标准要求。
5 关于全可变速冷冻机组的优化运转
全可变速冷冻机组和传统固定转速冷冻机组之间运转方式的差异具有重要意义。为了获得优化的机组工作效率，可变速度的冷冻机，水泵和冷却塔风机必须被顺序控制，运转在尽可能的部分负载的状态中。仅仅当全部机组设备需要全容量运转去满足峰值负荷时，它们才全部工作于额定容量。这样的系统设备只有用DDC控制网络，进行自动化控制，才能实现预定的控制目标。冷冻机组的管理者和操作者应该认识到，优化全可变速冷冻机组运转效率的最好方法，是采用自动控制设备去控制和协调冷冻机，水泵和冷却塔风机。这种自动控制需要一套有效的优化控制软件包，它提供系统监视能力，给出控制序列，保证系统运转满足控制目标，确保系统平滑工作于所有可能的条件。同时建立系统监控工作站，让操作人员知道系统设备在所有运转时间段内，是否满足性能要求，持续地监控和评估系统性能，获得可测量结果报告管理部门。

近年来，在全可变速系统和BAS控制网络的基础上，建筑物暖通空调系统已经发展出“基于需求控制(Demand Based Control)”的优化控制算法，它将建筑物暖通空调系统的各处设备―无论是冷(热)源侧还是负载侧，看成一个整体进行集成控制，不采用传统的单元PID控制，而是根据“等临界能效法则(Equal Marginal Performance Principle：EMPP)”这一种先进算法作自适应趋近(最优化)目标控制，实现这种控制将能够获得最高的系统效能。(新的控制算法对传统观念是一种突破，对暖通空调装置和自控元件提出了不同于以往的较低的匹配要求。限于篇幅，在此不作详述。)

为了对付部分设备因故障失效，冷冻机组的容量有必要作冗余配备。虽然这意味着通常有更多设备在任何给定时间在线运转，但是制造厂家，操作管理者都认为，全可变速冷冻机组设备维护工作量比传统设备大为减少。其原因是电机的软启动特性、较低频率启/停操作和设备经常处于低负荷状态。这些因素补偿了它们较长的运转时间所引起的磨损。
6 关于充分发挥可变速系统节能潜力的问题
近年来我国建设了许多高档次的大楼，但是在如何充分利用新技术节省能源，提高能耗效率方面来说，还是存在诸多问题。我们常常看到，已经设计配置了BAS网络和可变速驱动的许多建筑设施，仍然处于手动操作或半手动操作状态，系统能耗效率没有达到设计预期。

例如某一请境外作初步技术设计的大型剧场，其中原有节能方面的关键建议，涉及暖通空调系统可变速驱动的变水量控制和变风量控制等具体方案，但是后来在国内深化设计和施工时，却被修改得不伦不类，面目全非，而且在工程实施时缺少强有力的系统集成管理，任由多家分承包商和设备制造厂家各自为政，各行其是，致使系统不能整合在一起，无法实现自动化控制运行，高水平的能耗效率更是无从谈起。

水泵配置可变速驱动，本身并不意味着一定会获得较高的节能效益，这里还需要有合理的控制方案，良好的工程服务。某些水泵供应商，声称提供成套冷冻水泵变频调速系统，它的“成套”方案，只不过是在冷冻机房的供、回总管上安装一个压差传感器，其方案，既没有和BAS的通讯接口，也没有如何合理控制的软件。首先必须指出，即使采用简单的压差控制，这个压差的采样点是需要讲究的，一般要求安装于系统管路远端最不利位置，而不是机房内的总管上；其次可变速冷冻水泵应该和BAS连网，应该结合系统负荷水平和冷冻机的工况，进行协调控制才能够从系统获得合理的控制指令。所以这种独立单回路的水泵变速产品向冷冻机组的设计和管理人员推销，不能不说是一种误导。

国内一些在暖通空调装置配备变频调速驱动(水泵，风机)的系统，针对能耗问题往往是头疼医头、脚痛治脚，缺乏系统集成的完整工艺方案；部分设计人员对采用控制网络常常缺乏信心，认为在国内条件下不易实现；长期以来涉足该领域较少，经验不多，使建筑设计师不自觉地在避开应该面对的课题，在完成一幢高档次建筑物的深化以后，合理、全面的系统自动化控制技术设计还没有到位。先进的控制技术需要新的结构和组态与其匹配，如果不在初步设计时提出完整的解决方案，事后可能无法弥补而留下遗憾。

由此可见，进一步充分发挥可变速系统节能潜力，至少有两个方面需要加强：一是基础设计时应该运用已经成熟的DDC网络控制技术，提供系统集成的完整控制方案；二是先进的控制技术需要优良的工程服务，在这里特别需要掌握相关技术的系统集成服务商对工程项目提供成套的服务。

大型建筑的空调冷冻水系统，正在逐步采用可变速驱动控制系统，能否获得较高的节能效果，其实在建筑系统方案设计时就有关系，系统集成从基础技术设计开始。在这里，全可变速系统应该是一个较为优秀的选择。

有专业技术能力的系统集成商可以和大学、科研单位合作开发可靠有效的控制软件，争取获得拥有自主知识产权的核心技术，促进网络控制技术的推广运用。在当前普遍存在信心问题的情况下，我们可以选择和境外拥有成熟、商用的打包软件的专业公司合作，做一个完整的工程。先引进，再独立开发，这是一条可行之路。

同时我们希望建筑智能化行业的市场运作机制，能够有利于孵化和培育出更多有专业技术能力的系统集成服务商，这正是当前比较欠缺的一面。