全变频冷冻站技术在上海某商办楼项目中的应用

翁 政 军

(苏宁置业集团有限公司，江苏 南京 210042)

全变频冷冻站技术在上海某商办楼项目中的应用

翁 政 军

(苏宁置业集团有限公司，江苏 南京 210042)

介绍了上海市某商办楼制冷站采用的全变频控制系统，即冷冻站中的冷冻机、水泵和冷却塔风扇全部变频调速，着重介绍了超高效全变频制冷站技术哈特曼控制回路的特点，为正在评估全变频冷冻站技术的设计师提供借鉴。

全变频冷冻站，哈特曼控制算法，节能

1 项目概况

该商办楼发展项目是整个太平桥商业规划的重要区域，商办楼的地块面积为13 000 m2，总建筑面积约为12万m2。地下4层，地下1层为商业，地下2层～4层为库房和车库；地上3层商业裙房，24层甲级办公，为超高层建筑。本项目空调系统夏季设计总冷负荷为3 270 RT，全变频冷冻站采用一次泵变频变流量系统，冷源选用4台制冷性能优越的离心式变频电制冷机组，为离心式冷水机组设置5台变频冷冻水泵(四用一备)，5台变频冷却水泵(四用一备)；8台开式横流冷却塔风扇设置变频器。造成制冷站能耗高的主要原因有：冷冻站主要设备定频运转，设备非高效运转；冷冻站设备不能关联运行；并联设备不能以高综合效率运行；水泵流量偏大、系统大流量小温差、水力失衡明显等。该项目采用全变频冷冻站节能控制技术控制设备变频，控制软件基于哈特曼算法，哈特曼算法成功解决全变频冷冻站运行效率问题，年平均综合单位能耗范围在0.5 kW/RT～0.7 kW/RT，且设备变频运行寿命较长，维护费用低，运行稳定。

2 哈特曼算法

哈特曼算法由美国职业工程师托马斯·哈特曼提出。该控制算法的专利包括三条：自然曲线、相等边际效能原则、按需主动控制。

1)自然曲线。冷水机组、水泵和冷却塔风机运行存在其离心机组自身固有的最佳效率运行曲线，哈特曼称此运行曲线为自然曲线。在进行软件编制过程中，先将各个设备的最佳运行效率曲线作为程序的边界条件输入到电脑芯片中，在运用全变频控制软件控制各设备过程中，将系统负荷变化形成的实时设备实际运行效率与自然曲线进行比较，调整设备的启动和停止以使实际运行效率贴合自然曲线。

2)相等边际效能原则。相等边际效能原则是关联控制的一种应用。在不减损冷量需求的情况下，相等边际效能原则能够寻优找到冷水机组、冷水泵和冷却塔风机等设备间最佳功率关系，令冷冻站总的功耗大量降低。其工作工程如下：

a.在实时负荷需求下，全变频控制系统采用的高速芯片记录下每个设备消耗的功率和冷冻站的输出冷量。在进行实时控制的过程中，遵循策略性的只调节其中某一个具有可调节性的变频设备而暂时维持其他设备运转速度不变，记录下该调节设备的功率消耗增量及其由此设备功率消耗增量而产生的冷冻站的边际冷量。b.维持步骤a.中的设备原始速度运转，调节第二台变频设备的运转速度，调节至与第一台设备输入功率增量相同，记录下此次生成的冷冻站边际冷量。运用相同的方法重复上述调节步骤，得出每台设备在输入相等功率增量情况下对于边际冷量的贡献是不同的。即在调节不同设备的运转速度而生成的相同功率增量下，对边际冷量贡献大小不一。换言之，在相同的系统负荷需求下，设备效率有大有小。c.同时调节两台设备的运转，对效率高的设备给出不大于上步骤的功率增量，对效率低的设备给出绝对值等于上步骤的功率负增量。通过上述调节，冷冻站总的冷量输出不变，但输入总功率变小了。d.重复上述步骤，可以得出当相等的功率增量加载于冷冻站每个设备上，冷冻站能够输出相等的边际冷量时，整个冷冻站效率是最优的。

3)按需主动控制。在基于相等边际效能原则原理上，按需主动控制根据实时负荷需求对变频设备进行调节控制。系统实时跟踪冷冻站设备及水力系统的运行曲线，当感知到系统的负荷需求时，能够按照软件中预设的各个设备对应的最佳功率关系，主动调节每台设备在某一固定功率数值上，主动寻优，直到新的最佳功率关系出现而稳定运行各个设备。按需主动控制固有原理是关联控制，是一种功率型和数字型的前馈控制方式，相较PID反馈控制相比，在反应时间、能量最优化处理等方面具有明显的优点。

3 系统方案

该项目采用自动寻优的超高效冷冻站节能控制系统对整个冷冻站设备进行控制。该节能控制系统(如图1所示)为在哈特曼算法的基础上进行开发设计。该控制系统以这个冷冻站能耗最低、效率最高为控制目标，以机房内各个调节性设备最佳功率关系特性为基础，以实时负荷需求为控制依据，通过寻优识别算法对冷冻站内各设备进行前馈控制。该控制系统为两层架构，上位机为工业级控制计算机对冷冻机房设备和设定进行中央控制，下位机为工业级可编程控制器PLC，实时监控各设备运行(见图1)。

冷冻站群控系统集中管理和控制整个制冷机房内的所有空调设备、探测器及控制器。中央控制站以工业级控制计算机为硬件基础，安装有寻优控制软件。数学建模、程序优化构建而成的寻优计算模块为计算机程序核心。中央控制站由一系列设置控制子站组成。每个子站内安装有工业级别的PLC控制器，各控制子站采集系统运行参数和执行中央控制站对子站发出的指令，通过以太网传送至中央控制站参与寻优计算。

制冷机组控制：群控系统根据冷机模型计算出最佳运行工况，让机组的运行尽量接近其自有的效率自然曲线进行主动式写入控制，以整个机房能耗最低为目标。

冷冻水泵控制：变频，根据冷冻水回水温度的变化、供/回水系统的压差，变频调速、台数控制运行以达到按冷量需求调节。

冷却水泵控制：变频，根据冷却水供水温度的变化，变频调速、台数控制运行以达到按冷量需求调节。

冷却塔控制：风速变频，根据冷却水回水温度的变化，变频调速、台数控制运行以达到按冷量需求调节。

通过上述对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的全变频关联运行，在设备模型及管网模型的联合求解和寻优计算下，实现对整个冷冻站的节能运行。

4 结语

全变频冷冻站系统已经全自动运行了两年多，目前系统运行稳定可靠、操作便捷。在哈特曼控制算法基础上开发设计的专业软件对冷冻站设备运行进行寻优控制后，整体能耗降低40%～60%以上，显现突出的节能效益，为冷冻站的设计提供了一个新的选择。这篇文章介绍了全变频冷冻站节能技术在某商办楼项目中的应用及运行，是一种可供推广的节能应用技术。

[1] Hartman T. All variable speed chilled water plants[J]. ASHRAE Journal，2001，43(9)：76-79.

[2] 葛宏明，姜卫东，惠广海. Armstrong超高效冷冻机房自动控制系统及全新控制方法[J].暖通空调,2013(8)：11-15.

Applicationofall-variablespeedchillerstationtechnologyinacommercialofficebuilding

WengZhengjun

(SuningRealEstateGroupCo.,Ltd,Nanjing210042,China)

Introduction of all-variable speed control system which all the chillers, pumps and cooling tower fans are variable speed in a commercial office building’s chiller station. Emphatically introduces the distinguishing feature of ultrahigh-efficiency all-variable speed chiller station technology on the understructure of Hartman LoopTMControl, and give designers reference needed to evaluate applying these new technologies.

all-variable speed chiller station, Hartman LoopTMControl, energy conservation

TU201.5

A

1009-6825(2017)27-0160-02

2017-07-13

翁政军(1982- )，男，工程师