高能效机房的理论与应用案例

高能效中央空调机房理论与改造应用案例介绍高效能中央空调冷冻机房定义1.现代的大型建筑，中央空调系统能耗占建筑整体运行能耗的40~55%左右。其中，冷冻机房设备（包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔）用电占整个建筑全年用电的30~35%。2.生产工厂中，冷冻机房的耗电也占工厂运行总能耗的相当大比例。例如电子芯片工厂中冷冻机房的能耗约为工厂总能耗的18-25%制药行业工厂中冷冻机房的能耗约为工厂总能耗的20-30%食品和饮料行业工厂中冷冻机房能耗约为工厂总能耗的30-35%汽车制造行业工厂中冷冻机房能耗约为工厂总能耗的10-15%中央空调冷冻机房的整体能效对建筑、工厂节能降耗都有着至关重要的意义！高效能中央空调冷冻机房定义评价冷水机房是否真正节能，采用“冷水机房全年综合能效”，也即根据美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）提出的标准，“冷水机房全年综合能效”在0.85kW/ton以下的为高效能机房，综合能效在1.0kW/ton以上的为需要改造的机房。目前国内大部分机房能效都在1.0kW/ton以上。机房能效＝W（冷机）＋W（冷冻水泵）＋W（冷却水泵）＋W（冷却塔）Q（总冷量）Kw/Ton高效能中央空调冷冻机房定义高效能中央空调冷冻机房特点1.负荷特点运行时间较长，年运行时间在3500个小时以上，很多机房处于全年运行状态负荷中不仅仅包括工艺性负荷，还包括空调系统的季节性负荷，部分负荷特点明显冷负荷需求的冷水温度设定可以随季节进行适当的调整（很多工艺性负荷不容许对冷冻水进水温度设定进行调整）高效能中央空调冷冻机房特点2.设备和系统特点一般系统为水冷系统，风冷系统很难做到高能效冷冻机房机组为离心机组或者螺杆机组离心机组全年平均COP可以达到0.7Kw/RT左右螺杆机组全年平均COP可以达到0.75Kw/RT左右系统配置中冷冻水侧往往配置二次泵系统，二次泵控制采用压差控制冷冻机房优化要做的就是解决设备运行能效之间的矛盾从而实现整个冷冻机房能耗最低的目标对于相同的室内负荷，既可以采用低冷冻水温及小流量，此时冷机能耗高但水泵能耗低；反之，则冷机能耗低而水泵的能耗高对于相同的制冷量，可以降低冷凝压力以减少冷机能耗，但较低的冷凝压力既需要较低的冷却水温度,这可能会增加冷却水泵和冷却塔风机的能耗，反之亦然。冷却水泵能耗冷却塔能耗冷冻水泵能耗冷水机组能耗高效能中央空调冷冻机房——总体控制策略高效能中央空调冷冻机房——核心算法江森自控高效能机房的最核心的控制方法是关联控制（尤其适用于全变频机房系统）它包括如下三个算法：EMPP(EqualMarginalPerformancePrinciple)-相等边际效能原则基于业界最权威的全变频系统控制专家Hartman的专利控制逻辑－HartmanLOOP的基础上而发展的控制逻辑，采用一定的时间步长对冷冻机房各个设备的运行能效和系统运行能效进行持续调整，找到最优工况点。NatureCurve-自然曲线在不同的冷却水出水温度下，机组都存在一个最高效率点，它们的连接线就是机组的自然曲线DemandBasedControl-按需控制高效能中央空调冷冻机房——等边际能效算法EMPP(EqualMarginalPerformancePrinciple)-相等边际效能原则当系统中各个设备的单位能源输入所导致的输出变化一致时，系统效率最高，换句话说，系统中的各个设备已经运行在了最优的组合下。简述如下：A1KW2.5KWB1KW2KWC1KW1.5KWD1KW1KWA0.4KW1KWB00C00D-1KW-1KW上例说明：当A增加0.4KW和D减少1KW的情况下，冷量输出没有变化，但总能耗减少了0.6KW！6.重复步骤1-5，会发现当相等的功率增量加载于每台设备而能够输出相等的系统边际冷量，此时系统效率最高！高效能中央空调冷冻机房——自然曲线的应用NatureCurve-自然曲线在不同的冷却水出水温度下，机组都存在一个最高效率点，它们的连接线就是机组的自然曲线高效能中央空调冷冻机房——末端需求控制DemandBasedControl-按需控制如下方式来计算建筑物所需冷量控制策略1所有阀门的开度开度反映对冷冻水的需求，尽可能让末端的水阀都能够保持在接近全开的状态下，以最有效的方式运行，如果末端开度过大或者过小，系统进行响应。控制策略2最大，最关键，或最大负荷AHU的阀门位置及最不利压差系统稳定性更好，保证各个末端能够得到足够的水流量控制策略3仅压差控制稳定，能效低，压差值无法100%真实准确的反映末端的实际需求状况实际应用中需要根据实际情况制定策略，尤其是改造项目，必须经过精心调试确定合适的控制策略。模糊控制决策（冷站网络控制中心）系统流量、温差、压差室外温湿度室外温湿度系统中各变量的当前状态冷却塔回水温度设定值冷冻水供水温度设定值冷机、水泵、塔开启台数冷却塔频率PID控制冷冻水泵频率PID控制决策冷冻水供回水温差设定值冷机内部控制器当前值控制系统预置设备性能数据库冷却水供回水温差设定值冷却泵频率PID控制当前值继电器开关控制当前值高效能中央空调冷冻机房——控制系统流程高效能冷冻机房的控制已经超出了单台设备的简单控制，需要采集和集成大量参数，所以必须通过专业化的机房能源管理系统来实现实时优化控制。通用的能源管理系统需要具备如下特点。高效能中央空调冷冻机房集成策略——能源管理系统可靠–内置标准调试程序和稳定的可持续运行可复制–不依赖于个人经验的平台系统可预测–运行效果明确并且可以很方便进行验证透明化–每一个项目都会内置节能效果测量和验证界面.冗余性–可以在能效管理平台和常规控制之间任意进行切换1号冷冻站No.1ChillerPlant2号冷冻站No.1ChillerPlant3号冷冻站No.3ChillerPlant改造项目案例介绍——项目概述改造项目案例介绍——项目概述1#机房为冷冻水一次泵系统，由6台冷水机组（2台螺杆机、4台离心机离心机）作为冷源，同时供应一期的办公空调系统和工艺空调系统（负荷相对比较平稳），冷冻水先通过机房集/分水器，再到末端的集/分水器,空调冷冻水和工艺冷冻水采用共管系统。改造项目案例介绍——项目概述2#机房为的冷冻水二次泵系统，由5台冷水机组（2台活塞机、1台离心机、2台离心机）作为冷源，主要供应二期的工艺空调系统（负荷波动较大）。冷冻水一次泵保证机组内循环，冷冻二次泵通过加压后送到末端。冷却水循环泵夏天将冷却塔送到水箱，冷却泵负责将水池里的冷却水送到冷冻机组和工艺设备，。4#机组效率0.478–1.0253#机组效率0.588–0.7825#机组效率0.609–0.8292#机组效率0.705–1.2231#机组效率0.782–1.285蓝线曲线：冷水机组制冷量(RT)绿色曲线：冷水机组效率（kw/RT）改造项目案例介绍——1号站测试数据冷却塔理想出水温度冷却塔出水温度改造项目案例介绍——1号站测试数据改造前1#机房COP1.35改造前2#机房COP1.33改造项目案例介绍——改造前机房全年能效比ReduceLoads降低负荷UseEfficientTechnology采用高效设备ProvideControls提供控制改造项目案例介绍——节能方案总体设计思路部分空调主机已运行约20年，1#冷冻站的1#机组所用冷媒R11早已被要求停止新灌装，且该机组制冷效率低下。2#冷冻站的3#及4#机组为活塞式制冷机，额定制冷效率仅为3.27。经测试，所有机组的制冷量都有不同程度的衰减机房冷冻机额定kW/TR实测kW/TR衰减率1#机房1#冷冻机0.821.0225%2#冷冻机0.670.9846%3#冷冻机0.780.8611%4#冷冻机0.780.8610%5#冷冻机0.600.7526%2#机房1#冷冻机0.670.8323%2#冷冻机0.671.1774%3#冷冻机1.081.3929%4#冷冻机1.081.3424%5#冷冻机0.600.6813%节能改造措施1——高效冷水机组更换在1#机房和2#机房中，共有30台不同厂家的水泵，且水泵入役时间不同，用途不同，厂家不同，效率不同。还存在1次泵系统和二次泵系统，情况复杂。经过多年的运行，水泵的工作状态点发生了很大的偏移，水泵的实际运行效率经过实测已经较低：节能改造措施2——高效水泵更换1#冷冻站额定流量(m3/h)实测流量(m3/h)额定扬程(m)实测扬程(m)额定功率(kW)实测功率(kW)实测效率1#冷冻泵350208.740395556.9539.0%2#冷冻泵350132.94053.45550.5638.3%3#冷冻泵3502024042.2554255.4%4#冷冻泵180147.84131.93037.6734.2%5#冷冻泵280170.34044.5453657.5%6#冷冻泵280150.34039.2454238.3%改造项目案例介绍——1号站测试数据1#机房节能改造措施2——高效水泵更换节能改造措施3——冷冻水系统管路优化通过优化控制，最大化冷水机房的效率机房群控系统的功能：–15%左右的综合能耗节省–基于模糊控制的最优化策略–基于多种系统结构和配置的最佳经验应用–最优冷水机组负荷分配–结合机组效率曲线，使机组始终运行在最优效率区间–实时掌握冷机参数变化，自适应调节系统阀门开度–先进的报表功能（线性/饼形显示），能耗与效率尽在掌握–集中监视和报警，及时发现设备的问题，及时进行预防性维修节能改造措施4——能源管理系统在安装能效管理系统后，空调系统的整体能效得到了大大提升，能效水平为0.69KW/RT（1#冷冻站）和0.73KW/RT（2#冷冻站），处于节能预测——改造后2号站系统COP实施效果——1号冷冻站月份2013冷冻用电2014冷冻用电扣除空压机扣除空压机节约量（kwh）百分比1190129171595-18535-9.7%改造期间2147327136599-10728-7.3%3217190190364-26826-12.4%4277635244568-33067-11.9%5402814328835-73979-18.4%6485128374229-110899-22.9%7591450499497-91953-15.5%调试试运行期间8566871495357-71514-12.6%9449326415110-34216-7.6%10365850331723-34127-9.3%11281680196705-84975-30.2%12222623129066-93557-42.0%41980243513648-684376-16.3%实施效果——2号冷冻站月份2013冷冻用电2014冷冻用电扣除空压机扣除空压机节约量（kwh）百分比123261923712445051.9%改造期间2205127201824-3303-1.6%3281166269438-11728-4.2%42752133202454503216.4%5443444351229-92215-20.8%6606915357041-249874-41.2%7720662464324-256338-35.6%调试试运行期间8678503409279-269224-39.7%9547123370142-176981-32.3%10320315246258-74057-23.1%11226916198694-28222-12.4%12191869131868-60001-31.3%47298723557466-1172406-24.8%303030问题与讨论