冷冻机房节能方案

苏州3M新材料有限公司

冷水机房节能改造方案

约克（中国）商贸有限公司 YORK(China)Commercial Co.,Ltd.

2009-8-4

前言

好的建筑如同人体一样，躯体健壮、血脉通畅、心脏强劲、大脑清醒。

中央空调主机是建筑的心脏，空调管路系统是建筑的血脉，而自动化技术及管理制度是建筑的大脑。因此，中央空调的设计、选型、安装、使用、保养十分重要，它决定了整座建筑的优劣，尤其决定建筑的运行成本。可是，许多人，往往不重视中央空调，他们一方面忽略空调能源管理，另一方面，却抱怨：中央空调使用费很高！

其实中央空调费用可以很低，全在于用户的选择。

一、 现场概述：

机房内有3台螺杆式冷水机组，冷冻一次循环水泵4台（4*18.5KW），冷冻二次循环水泵6台（2*30KW+4*18.5KW），冷却循环水泵（4*37KW），冷却塔3组。3台冷水机组为并联，每台主机冷冻/冷却水侧分别安装有电动蝶阀。集/分水器，冷却水供回水管间设有旁通调节阀，

二、 控制系统概述：

由于冷源系统内的冷水机组、冷冻泵、冷却泵和冷却塔等设备的能耗占整个中央空调系统能耗的60%或以上，因此对多台冷水机组实施群控是至关重要的。在江森自控--约克的冷水机组群控系统内，多台冷水机、冷却泵、冷冻泵和冷却塔可以按先后次序有序地运行，通过执行最新的负荷优化、匹配程序和预定时间程序，整个冷冻机房可达到最大限度的节能(15%左右)。

控制节能的最终目标是机房所有设备的总能效最高，而不能只是片面的看某一个设备的节能，因此要综合考虑以下四个方面：

z冷水机组

z冷冻水泵

z冷却水泵

z冷却塔

真正是否节能的评价指标就是机房能效，在本控制系统中，将对所有的设备的电功率进行实时监测和记录，并计算整个的冷源系统的能耗值，最终计算整个系统的COP。

注：本方案中COP值单位为KW/KW---即每KW的电量所产生的制冷量，COP值越大表明

机房的效率越高。

冷源系统中每个控制量都会对冷机的特性产生影响，如果事先不知道这种影响的程度，仅仅依靠

各自分散独立的“自私”的控制，并不能达到整体节能的目的。

比如只是单纯的控制水泵和冷却塔风机的运行频率，而全不顾及到当前冷水机组的运行特性和效

率，即使当前水泵为节能状态，如果主机却不是运行最高效点，整个冷冻机房的能耗反而提高了。因

此，节能控制首先必须把握住核心部件-冷水机组。

冷冻机房的用电设备的电功率统计分析如下：

序

号 名称 型号&规格 数量 功率（KW）功率（KW）占总功率%

1 螺杆式冷水机组RTHD,350TON 3

721.8

64%

240.6

2 冷冻水一次泵 Q=270m3/h，H=18.5m 4 18.5 74 7%

Q=200m3/h，H=26m 2 30 60 5%

3 冷冻水二次泵

Q=164m3/h，H=27.8m 4 18.5 74 7%

4 冷却水泵 Q=280m3/h，H=32m 4 37 148 13%

5 冷却塔 3412A/Q(BAC)，Q=325m3/h 3 18.5 55.5 5%

L=28000m3/h

功率总计 1133.3 从上面的冷源系统参数表中可以看出，冷源系统整体设备电功率中主机的电功率为占了整个冷源

系统的64%，水泵电功率占了整个冷源系统的31%，冷却塔电功率占了整个冷源系统的5%。

虽然主机的电功率占的比例最高，但由于主机本身的电功率基数就很高，故主要考虑最大限度的

提供冷冻机高效运行的外围条件，从而优化冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行，才能使整个冷

冻机房达到最大的节能效果。

本节能控制系统采用江森自控产品，江森公司作为历时一百多年的专业楼宇自控公司，其系统和

产品具有先进的性能，可靠的品质。综合约克在空调及制冷行业百年技术和经验，配套针对冷水机

组、冷冻泵、冷却泵及冷却塔整体控制需要的温度、流量和压力传感器等，并提供全内置标准控制软

件、能源策略建议和一套完整的解决方案，完成与冷水机组通讯，无缝集成的冷水机房中央集成控制

系统。

1、提供对于多台冷水机组和它们的附属设备如水泵、阀门、冷却塔等之间的智能化控制构架，

以此来简化操作，优化能量利用和系统性能。

根据冷水机组的运行性能曲线，以主机最高效运行为前提，调节控制冷冻/冷却水泵、冷却塔

风机的最佳运行频率，达到最大的节能目的。

2、冷水机房群控系统（CPA）也能够提升冷水机组报警和排障性能，并且提供综合运行信息从

而更加高效地对冷水机进行维护、修理和能效管理等。可以自由调用冷水机组的内部参数, 达到冷水机组与控制系统本质上的系统集成, 达到系统信息的真实的利用。

3、群控系统能够依据能效和设备的最佳性能，提供最优的设备运行组合，优化主机的运行。系

统能自动预测冷负荷需求/趋势，和待命冷水机的情况来自动选择设备的最优组合，对制冷主机进行排序，用户可以选定超前/滞后冷水机，并重新安排其顺序。

三、 机房节能控制的详细控制策略

原来冷冻水系统为一次定流量系统，二次变流量系统；冷却水为定流量系统。根据机房内设备的参数进行分析、计算和核对，节能控制从以下几个方面进行：

1）冷水主机出水温度重设：

在主机部分负荷下，提高主机的冷冻出水温度，从而提高主机的效率。

2）冷却水泵变频控制：

冷却水泵加装变频器，根据主机的进出水温度以及主机的负荷变化，控制冷却水泵

的运行频率。

3）冷却塔风机变频控制：

根据冷却塔总出水温度，控制冷却塔风机的运行频率，同时综合室外的湿球温度，

对冷却塔进行优化控制，大大减少冷却塔的能耗。

控制系统对以下设备进行监控，具体为：

?增加1个室外温湿度传感器；

?3台冷水机组侧冷冻回水流量。

?4台冷冻一次循环水泵：运行、故障、手自动状态、启停控制，运行时间累积。

?6台冷冻水二次循环泵：运行、故障、频率、手自动状态、启停控制、频率调节，运行时间累积。

?4台冷却水泵：运行、故障、频率反馈、手自动状态、启停控制、频率调节、运行时间累积。

?3只冷水机组主机侧的6只冷冻/冷却水电动蝶阀：开状态、开关控制。

?2台冷却塔风机采用变频控制，对其控制进行进一步的优化：监视其运行、故障、运行频率、启停控制、频率调节；运行时间累积。

?冷却水旁通阀：阀门开度、位置反馈。

?冷却塔水槽电加热器的控制。

?采用分散式集中控制系统，现场采用DDC进行控制。控制系统3台螺杆式机组进行通讯，采集主机的所有运行数据和报警信息，并对采集到的数据进行真实利用。

?增加多功能电量传感器，对冷冻泵、冷却泵、冷却塔、主机的电功率进行监测和记录，并计算和显示整个机房系统的瞬时能耗。同时对冷水机组的制冷量进行测量计算，并实时显示和记录总制冷量，最终计算回整个冷冻机房的COP值。

控制系统的详细控制逻辑和说明如下：

2、冷水主机控制：（3台螺杆式冷水机组）

系统根据主机的运行时间对其启动次序进行排列，运行时间少的和效率高的优先，有故障的或是操作人员锁定不运行的主机则排除在队列之外，这样可以均衡主机的运行时间，也有便于操作人员对设备进行管理。

?群控系统加机策略

当系统末端负荷增加，会通过冷冻水供/回水温度、压差、流量的变化来反映，冷水机组能够锁定设定的出水温度，当冷冻水量上升时，主机感应到水量的变化，此时主机则根据自身负荷调节的能力上载制冷负荷，当该台冷冻机的系统负荷上升到其电流百分比％FLA到达90%时（可调），控制系统启动另外机组加机延时5Min(可根据实际情况调整)，在这启动延时期后，如果％FLA>90%，则说明单台机组的满载运行和水泵的满载运行已不足以满足系统负荷值，且冷冻水出水温度不会稳定在出水温度设定值上，此时需要开启第二台机组。

?群控系统减机策略

假设2台机组正在运行，当系统负荷变小时，车间空调的回水温度也会相应的减小，同样车间的温湿度也会波动偏低，冷冻供水泵即减小所供应的水量，机组感应到相应的水量变化，即反应到机组的负荷相应减小，当两台机组的负荷总量只有，甚至小于一台机组的负荷总量时（设两台机组的％FLA < 50%），延时一段时间后控制系统关掉其中一台机组，以使得另一台机组运行在高负荷效率状况下运行同时满足系统负荷的要求。

3、水泵控制：

?冷却循环水泵的控制：

所有水泵均采用变速调节，全变速运行效率要比混合运行效率高且操作简单。

控制系统通过对主机的实时运行数据进行采集，可以对所采集的数据真实利用，通过专用能量软件模块计算，对冷却水泵进行变频控制。

水泵的功耗和转速成3次方，通过变频控制可以在转速较小范围内变化，即可获得较高的节能效果。

4、冷却水温度控制：

2台冷却塔风机安装变频器，控制系统根据主机的特性和室外温湿度的变化，优化冷却塔风机的变频控制，提供主机运行最佳的冷却水温度，大幅度提高主机的运行效率。

群控系统对冷却塔的控制原则是充分利用螺杆机组在低冷却水温下的高效率的优势，尽量使冷却水进水温度贴近机组当前的实际运行负荷要求所允许的最低冷却水进

水温度，从而控制冷水机组的蒸发压力在最佳的范围内，以利用低冷却水温工况下的螺杆式机组的运行效率，大幅度降低能耗，实现节能的最终目的。

具体控制方式如下：

?每组冷却塔的风机全部安装变频器，并联水系统中冷却塔的风机同时变频控制，比其中某几台变频控制效率更高，操作控制也更简单；

?群控系统根据室外温湿度计算湿球温度T wet，并参照控制系统内置的专家数据库，调整最佳的冷却水需求的温度值，尽量使冷却水供水温度达到或接近该设定值T cdwt，系统同时对冷水机组的冷却水进水温度进行监视。

主机运行时，在夏季工况下，其相应的冷却塔全部投入运行，尽可能降低冷却水温度，提高主机的运行效率。并根据冷却水温度的大小控制冷却塔风机的实际运行频率，降低冷却塔风机能耗的同时，还能保持冷却水温度在预设的范围内。

?但室外的湿球温度较高时，会出现湿球温度T wet＞T cdwt 的情况。若单纯采用固定的冷却水供水管温度作为控制值，会出现冷却水温度偏高，控制系统安装逻辑计算出需要增加冷却塔风机的运行频率，而冷却水温度实际上不可能达到设定的温度值，多开的冷却塔风机会造成的电能浪费。本控制系统由于采用了基于室外湿球温度的动态设定值，则可以避免出现此类问题。

5、顺序控制：

启动顺序：冷冻/冷却水泵→冷却塔风机（若冷却水供水温度高于设定值）→主机；停止顺序则相反；

6、时间累计功能：

群控系统自动对主要设备（如：螺杆式冷水机组、冷冻/冷却循环水泵、冷冻供水泵、冷却塔风扇）的运行时间进行累计，据此对该类型的设备进行优化排序，均衡每台设备的运行时间。

7、机房系统能耗的计算（COP）：

机房群控系统和冷水主机通过网络通讯进行连接，可以直接读取主机的运行电流百分比，即可计算出主机运行的瞬时功率，并通过软件对此进行累积。冷冻水泵/冷却水泵/冷却塔风机的功耗，通过传感器采集其实时运行功耗，系统计算出瞬时功率后分别并对此进行累积。

最后群控系统对各设备的瞬时功率进行累加即可得机房系统的瞬时消耗电功率P。

同时群控系统对空调系统的负荷Q进行计算，即可计算出整个机房系统的COP值。

四、 群控系统其它功能：

1、螺杆式冷水机组的全面监控：

群控系统和冷水主机通过RS485接口进行数据通讯，可以自由调用冷水机组的内部参数, 达到冷水机组与控制系统本质上的系统集成, 达到系统信息的真实的利用。

从监控电脑看到的机房群控一般主监控界面如下：

2、WEB浏览功能：

由于控制系统采用江森自控先进的Metasys控制产品系列中基于Web浏览器功能的网络控制单元，系统通过WEB浏览器即可进行登陆和操作。

群控系统支持单一或多个Web浏览器用户界面，采用Java所构建的WEB框架, 无需安装专用的监控软件，用户可以通过任何一台配有WEB浏览器的设备，只需键入地址和地域名，即可作为客户端开始访问系统，对系统进行配置、试运行、数据存档以及监控。不再需要任何独立的工作站软件，即可达到远程监控并维护冷水机组系统的独特功能。

3、数据信息存储：

可以通过专用的数据保持软件，操作人员定义定时或手动对所选择的数据进行保存。数据库可以为后期对设备的性能分析和设备维护提供强有力的数据支持。

4、趋势分析功能：

用户可以利用趋势分析工具，为在整个系统基础上进行运行性能的详细分析

5、事件管理和报警功能。

6、时间计划：

用户可以定义设备运行的日期和时间，可以按照星期进行周期性的设置，并排除假日或特定的日历日程来安排时间表。

7、安全设置：

通过用户名和密码来鉴别系统合有效用户。设备科安分类级别来制定用户仅能够监控某一类设备，动作设定可提供仅浏览、可操作、可修改等超过10种级别，时间表则划定了该用户的有效访问时段。

五、 总结：

1、机房群控系统的节能率：

根据贵司现场的设备参数，以及去年设备的运行状况，参照以下的情况进行计算和分析：

a.夏季工况下（6、7、8、9月份），2台主机运行，运行负荷在80%~90%。

b.在冬季工况和过渡季节（1~5、10~12月份），1台主机运行，运行负荷在40%~50%。

根据以上条件，计算出贵司机房在2008年的COP值分析表：

月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 机房COP值（改造前） 2.46 2.46 2.74 2.74 2.74 3.22 3.36 3.36 3.22 2.74 2.74 2.46

曲线图如下：

节能改造后，机房的COP值分析表：

月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 机房COP值（改造前） 2.46 2.46 2.74 2.74 2.74 3.22 3.36 3.36 3.22 2.74 2.74 2.46 机房COP值（改造后） 2.94 2.94 3.14 3.14 3.14 3.42 3.47 3.47 3.42 3.14 3.14 2.94

以下图表为贵司机房在节能改造前、改造后的COP对照：

经过以上对贵司机房系统数据的分析，根据冷机、水泵、冷却塔的性能参数以及各设备相互制约关系，寻找系统的最优点达到节能目的，进行系统的优化控制。

在节能前后两种运行模式下，从表中数据中得出COP平均值分别为（该数据只包含冷却泵变频、冷却塔变频控制两种方式）：

改造前机房COP平均值 2.86

改造后机房COP平均值 3.19

采用节能方案后，贵司冷冻机房整体节能至少可达到12%。

采用节能控制，除了可达到较好的经济回报外，还可以大大提高冷冻机房的管理水平，并且控制系统可以对所有相关数据进行保存，对机房设备的维护和管理提供真实的数据。

节约意识在于一个人、一个企业的节约性格和节约习惯。如果企业只想着赚钱，那个企业是没有好的经济效益的，如果只想着省钱，把空气质量搞得很糟糕，甚至影响企业正常生产，那他永远也赚不到钱。所以成本的管理，经营的力度，你要花同等的精力去做那些事情。控制你的运营成本，暂不说社会责任，从企业的经营来说，最起码也要做好这件事情。

江森智控要成为这样的公司，除了产品要做好，在我们员工知识范围许可的情况下，我们尽可能为客户全方位的创造价值。

约克（中国）商贸有限公司苏州分公司

2009-8-4