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1 導言

    不久以前大多數冷凍機制造廠家都認為，變速控制并不屬于冷凍機，給冷凍機添加變頻調速驅動、讓水的流量變化不是一個好主意，而現在這種情況已經變化。事實已經證明，使冷凍機組運轉于部分負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組全部設備包括冷凍機，循環水泵和冷卻塔風機，可以變速控制的觀念，這樣的系統叫做“全可變速(all-variable speed )系統”。建筑物業主，設計師，工程師和設備管理者需要考慮如何把這種新技術集成入他們的成套系統中，以便提供巨大的運行費用節約。

    本文提出關于全可變速冷凍水系統的評估意見，為大多數欲以直接途徑實現這一技術的人們提供一個概要的計劃，以便能夠展現新技術的充分效益。圖1顯示的是一種典型的全可變速(變頻調速)冷凍機房的示意圖。這種全可變速冷凍機房的設備布局(冷凍機，冷凍水泵，冷卻水泵和冷卻塔等)和傳統典型的冷凍機房沒有很大差別。主要的區別是新技術不再需要為冷凍水系統壓力配置獨立的驅動水泵，不再需要去藕(旁通)管，至于冷卻水系統則和傳統配置幾乎一樣。全可變速冷凍機房和傳統固定轉速冷凍機房的真正差別在于使用變頻調速驅動所有設備的電機，同時以DDC控制器和控制網絡自動地協調、優化不同負載條件下所有設備的運轉條件。這樣的控制網絡有可能存在于傳統的具有BAS系統的冷凍機房，但是新技術的關鍵是在于自動化控制網絡和可變速驅動控制的組織及其相應的控制策略。

圖1：全可變速冷凍機組的設備組態

2 全可變速冷凍水系統效益的評估

    為了獲得全可變速系統潛在的效益，設計師和設備管理者必須首先要把他們的設備升級為全可變速驅動系統。下面我們對新技術作評估，提供證據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系統，由于啟動設備時的軟特性，以及設備經常不在全負荷狀態工作，和固定轉速系統比較它將大大地延長冷凍機等設備的工作壽命周期，并且有更少的日常維護工作量。通過有限的分析我們可以認識這一新技術獨一無二的節能效益。圖2 顯示以電機驅動的離心式冷凍機的平均年運轉效率(耗能效率，KW/ton)，其數據來自大數量冷凍機房的統計。如果冷凍機組保持設備更新并獲得良好操作維護，則它們中的年平均效率多數處于0.85至1.0KW/ton “Fair (良)”的范圍內，那些配備有效監視和自控的優化系統可以進入0.7至0.85KW/ton“Good(好)” 的范圍。然而對于傳統固定轉速冷凍機房，由于受設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。

    現在考慮由相同基本設備構成，但以可變速驅動和網絡優化控制的全可變速冷凍機房的情形，這樣的系統一般年平均效率在0.5至0.6KW/ton的范圍，效率差異是由于氣候條件，設備情況，設備組態以及負荷側的特點等等所引起。這里的統計分析意味著，將一個具有良好操作維護的冷凍機房轉變成全可變速系統時，可以期望減少的電能消耗在25%到50%或者更多。依各地區冬季日長度、負荷特點和電費率的不同，每安裝冷噸年節約費用大約在30到100美元(指美國地區)。相比于吸收式或燃燒發動機驅動的冷凍機，全可變速冷凍機系統幾乎總是更為經濟和更少的維護費用。除非余熱得以有效利用，優化的全可變速冷凍機房技術已經不再需要混合型冷凍機房，如果需求受限于能源的費率結構，采用備用或應急發電機將可以有更高的效率，這樣的方式比在冷凍機房組合非電機驅動型冷凍機，具有更好的經濟性和對于負荷變化的適應彈性。

3  建設全可變速冷凍水系統的費用評估

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

    對于現有的冷凍機房，改造有兩種途徑：首先如果主要設備的壽命周期內存在確定的節能效果，則可以考慮立即進行控制方式更新，為冷凍機，水泵和冷卻塔風機添加可變速驅動，并實現優化的可變速控制。如果主要設備的壽命周期內不存在確定的節能效果，則第二種途徑是先更新壽命周期即將到期的設備，例如將冷凍機更新為可變速機型等，逐次對壽命周期將到的設備更新為適應于可變速系統的設備。在這個途徑中，冷卻水泵和冷卻塔風機的可變速升級可以連同網絡控制一起在開始時、或者等待新的可變速冷凍機組到位時實施。

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

    確定哪一種升級途徑，需要分析、比較改造后的節能效果和改造所需要的費用。計算節能潛力最為有效的方法是測算冷凍機房發生的能耗費用，評價當前機房設備的效率，以及估計升級改造所獲得的效率改進。如果電費結構由梯級負荷需求所規定，則這樣的估算可能更為復雜?？赡苄枰恍r間為這樣的分析收集必要的數據，但這個工作并不十分困難。

    一旦完成節能評估，下一步就是估計達到預期節能效果的設備改造所需要的費用。最直接的方法是召請設備制造廠家和有工程服務能力的系統集成商。當然為增加可變速驅動裝置和配套的控制系統，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算價格。應該特別注意的是建設工程所需要的軟件和服務，有效而優化的控制軟件模塊是一種打包形式提供的商品和服務，他們一般是現成而不必在現場做基礎開發的軟件產品，這樣的產品和服務同時具有價格較低的特點。這種軟件和服務所含的內容，包括配套的硬件和軟件系統安裝，完成控制策略和控制序列，培訓、操作和維護方面的技術支持，并且確保改造以后的冷凍機房達到設計預期的目標。通過一系列努力，依靠匯總冷凍機，水泵和冷卻塔風機的可變速升級費用和增加數字式控制系統的費用，估計求得全部升級改造費用不是太困難的事。

    另外的補充方法是在做這種分析時獲得外部幫助，謹慎面對各方面的忠告。由于全可變速技術相對比較新穎，許多工程人員并不知道全可變速系統的運轉原理，但很少有工程承包商公開承認這種事實。所以應該讓富有經驗的公司去處理這種統計分析。冷凍機的制造廠家現在正在開發電腦程序，它可以幫助做機組節能部分的統計分析。

4 設計和實施全可變速冷凍水系統

    無論全可變速冷凍機組是新設計，還是由現存機房改造，求得成功需要設計師、工程師和操作管理員的緊密的協作。全可變速冷凍機房需要自動控制，以便在所有負載條件下都能夠實現設備的優化運轉。控制系統的設計和施工，是一項涉及面廣，工序復雜的過程，系統建成后還需要長期、可靠的技術支持和維護，這一切離開專業系統集成商提供工程服務，不可能完成。

    不象固定轉速冷凍機一般在某一負荷點時達到其工作效率的峰值，全可變速冷凍機組(包括冷凍機，水泵和冷卻風機等主要耗能設備)在部分負載狀態的任何工作點，都能夠運轉于最有工作效率的狀態上。關于傳統固定轉速冷凍機和優化的全可變速離心式冷凍機的運轉效率曲線顯示于圖3(每一條表示一種類型條件)?？梢匀菀椎夭捎眠@種曲線圖去評估多機組機房在線工作的冷凍機組，在任何負載條件和濕管溫度條件下的耗能效率。在處理多機組并列工作時，僅需要把各機組的對應參數疊加即可。

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

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

    把冷凍機組轉換成全可變速機組，不會影響冷凍水的分配輸送管道部分。原有的一次/二次泵系統可以繼續使用，但是為了進一步提高效率，作為升級改造計劃的一部分，建議將冷凍水系統升級成為單回路可變流量系統(a single circuit variable flow system，也稱為可變一次流量系統：a variable primary flow system)，即省掉二次泵。但是當冷凍水分配系統服務目標區比較大而復雜，或者是一個大范圍園區，則對每一個服務區設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中，負載側管路直接和一次泵串聯，沒有旁通管，所以水泵的運轉效果是“增壓”，故稱增壓泵。網絡控制可以在一次泵和二次增壓泵之間協調，以減少冷凍水分配輸送管路的能耗?，F在已經有商業打包軟件可以優化一次/增壓水泵的工作，就如它優化全可變速冷凍機組一樣，這種軟件能夠容易地解決冷凍水分配系統所面臨的低△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性能符合標準要求。

5 關于全可變速冷凍機組的優化運轉

    全可變速冷凍機組和傳統固定轉速冷凍機組之間運轉方式的差異具有重要意義。為了獲得優化的機組工作效率，可變速度的冷凍機，水泵和冷卻塔風機必須被順序控制，運轉在盡可能的部分負載的狀態中。僅僅當全部機組設備需要全容量運轉去滿足峰值負荷時，它們才全部工作于額定容量。這樣的系統設備只有用DDC控制網絡，進行自動化控制，才能實現預定的控制目標。冷凍機組的管理者和操作者應該認識到，優化全可變速冷凍機組運轉效率的最好方法，是采用自動控制設備去控制和協調冷凍機，水泵和冷卻塔風機。這種自動控制需要一套有效的優化控制軟件包，它提供系統監視能力，給出控制序列，保證系統運轉滿足控制目標，確保系統平滑工作于所有可能的條件。同時建立系統監控工作站，讓操作人員知道系統設備在所有運轉時間段內，是否滿足性能要求，持續地監控和評估系統性能，獲得可測量結果報告管理部門。

    近年來，在全可變速系統和BAS控制網絡的基礎上，建筑物暖通空調系統已經發展出“基于需求控制(Demand Based Control)”的優化控制算法，它將建筑物暖通空調系統的各處設備―無論是冷(熱)源側還是負載側，看成一個整體進行集成控制，不采用傳統的單元PID控制，而是根據“等臨界能效法則(Equal Marginal Performance Principle：EMPP)”這一種先進算法作自適應趨近(最優化)目標控制，實現這種控制將能夠獲得最高的系統效能。(新的控制算法對傳統觀念是一種突破，對暖通空調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。)

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

6 關于充分發揮可變速系統節能潛力的問題

    近年來我國建設了許多高檔次的大樓，但是在如何充分利用新技術節省能源，提高能耗效率方面來說，還是存在諸多問題。我們常常看到，已經設計配置了BAS網絡和可變速驅動的許多建筑設施，仍然處于手動操作或半手動操作狀態，系統能耗效率沒有達到設計預期。

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

    水泵配置可變速驅動，本身并不意味著一定會獲得較高的節能效益，這里還需要有合理的控制方案，良好的工程服務。某些水泵供應商，聲稱提供成套冷凍水泵變頻調速系統，它的“成套”方案，只不過是在冷凍機房的供、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管路遠端最不利位置，而不是機房內的總管上；其次可變速冷凍水泵應該和BAS連網，應該結合系統負荷水平和冷凍機的工況，進行協調控制才能夠從系統獲得合理的控制指令。所以這種獨立單回路的水泵變速產品向冷凍機組的設計和管理人員推銷，不能不說是一種誤導。

    國內一些在暖通空調裝置配備變頻調速驅動(水泵，風機)的系統，針對能耗問題往往是頭疼醫頭、腳痛治腳，缺乏系統集成的完整工藝方案；部分設計人員對采用控制網絡常常缺乏信心，認為在國內條件下不易實現；長期以來涉足該領域較少，經驗不多，使建筑設計師不自覺地在避開應該面對的課題，在完成一幢高檔次建筑物的深化以后，合理、全面的系統自動化控制技術設計還沒有到位。先進的控制技術需要新的結構和組態與其匹配，如果不在初步設計時提出完整的解決方案，事后可能無法彌補而留下遺憾。

    由此可見，進一步充分發揮可變速系統節能潛力，至少有兩個方面需要加強：一是基礎設計時應該運用已經成熟的DDC網絡控制技術，提供系統集成的完整控制方案；二是先進的控制技術需要優良的工程服務，在這里特別需要掌握相關技術的系統集成服務商對工程項目提供成套的服務。

    大型建筑的空調冷凍水系統，正在逐步采用可變速驅動控制系統，能否獲得較高的節能效果，其實在建筑系統方案設計時就有關系，系統集成從基礎技術設計開始。在這里，全可變速系統應該是一個較為優秀的選擇。

    有專業技術能力的系統集成商可以和大學、科研單位合作開發可靠有效的控制軟件，爭取獲得擁有自主知識產權的核心技術，促進網絡控制技術的推廣運用。在當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公司合作，做一個完整的工程。先引進，再獨立開發，這是一條可行之路。

    同時我們希望建筑智能化行業的市場運作機制，能夠有利于孵化和培育出更多有專業技術能力的系統集成服務商，這正是當前比較欠缺的一面。

[參考文獻]

Mr. Thomas Hartman:
1)All-Variable Speed Centrifugal Chiller Plants: Can We Make Our Plants More Efficient? --The Automator, AutomatedBuildings.com March 2002
2)All-Variable Speed Chilled Water Distribution Systems: Optimizing Distribution Efficiency --The Automato, AutomatedBuildings.com April 2002
3)Direct Network Connection of Variable Speed Drives --HPAC Engineering March 2003 -- HPAC Engineering March 2003
4)Optimizing All-Variable Speed Systems with Demand Based Control --The Automator, AutomatedBuildings.com May 2002