中國國家博物館制冷站自控系統優化可行性分析

李芳，杜雷

（中國國家博物館）

1 引言

中國國家博物館改擴建工程始于2007年3月，考慮到其所處地理位置的重要性和特殊性，空調冷源系統在設計時充分利用老館的地下室空間，采用了部分負荷冰蓄冷。為了保證建筑物外立面的整潔，避免空調室外機的出現，冷卻形式采用了水冷式，并通過樓頂的冷卻塔實現了所有的散熱。

自2011年3月試運行以來，空調冷源的冰蓄冷系統、冬季自然冷卻系統相繼得以應用和實現，滿足了舒適性空調環境和恒濕恒溫空調環境的需求，但由于制冷站自控系統不完善，容易造成能源浪費。通過實地調研和論證，中國國家博物館對制冷站自控系統進行了優化。

2 系統現狀及存在問題

2.1 系統現狀

制冷站所擁有的主要設備有冷水機組（基載冷水機組、雙工況冷水機組）、水泵（冷卻水泵、冷凍液泵、融冰循環泵、冷凍水泵、冷熱地板輻射循環泵）、板式換熱器、冷卻塔和補水設備。

當進入夏季制冷時，主要應用三種模式參與制冷：基載機組、雙工況機組和融冰制冷。即在8：00-17：00時，開啟雙工況機組、基載機組和融冰三種模式共同制冷；在18：00-23：00時，由基載機組和融冰共同制冷；在23：00-次日8：00時，由所有雙工況機組全部運行進行制冰，而空調區冷量由基載機組提供。

2.2 存在的問題

7臺冷水機組在各時段不同模式下安全穩定運行，但機組及附屬設備缺乏統一的控制策略，不能根據末端負荷變化進行自動調節，造成了能源的大量浪費。

3 優化方案設計

3.1 設計說明

為優化冷水機組綜合運行參數，對7臺冷水機組以及附屬設備加裝一套“冷水機組中央集控系統”。整個群控系統包含基載主機、雙工況主機、蓄冰主機、融冰系統、自然冷卻系統等的相互控制策略。

系統主要受控設備包括：雙工況冷水機組、基載冷水機組，變頻乙二醇冷凍泵、變頻融冰循環泵、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及電動閥門等。

3.2 實施方案

3.2.1 “中央集控系統”網絡結構

“冷水機組中央集控系統”采用分布式集散控制方式的兩層網絡結構——管理層、控制層。管理層為管控平臺，控制層通過控制引擎、專用控制器以及擴展模塊等實現對主機、水泵及冷卻塔風機的綜合控制。圖1為系統網絡結構示意圖。

圖1 系統網絡結構示意圖

3.2.2 控制原理

冷水機組的啟停臺數根據回水溫度和最不利末端溫濕度進行綜合控制：當回水溫度或最不利末端溫濕度的其中一項符合“加機”要求時，則增加1臺冷水機組運行；當回水溫度和最不利末端溫濕度同時符合“減機”要求時，相應減少1臺冷水機組運行。

3.2.3 控制方式

1）冬季控制策略——利用現有自然冷卻系統。

2）春秋季控制策略——自動根據室外溫濕度情況，控制開啟1臺或2臺基載主機。

3）夏季非炎熱季控制策略——自動根據室外溫濕度情況，控制開啟基載主機或者雙工況主機。

圖2 控制原理圖

4）夏季炎熱季控制策略——夜間，冰蓄冷+基載主機供冷；白天，融冰+基載主機供冷+雙工況主機供冷，控制原理如圖2所示。

5）蓄冰工況控制策略——蓄冰工況下，依據蓄冰槽液位、蓄冰槽出水溫度和蓄冰工況運行時段3個條件，綜合控制雙工況機組的運行。

3.3 系統功能

通過上述優化設計后，整個系統可實現以下功能：空調工況下冷水機組運行臺數、啟停順序自動控制功能；蓄冰工況下雙工況冷水機組的運行控制功能；冷凍水泵運行臺數控制功能；冷卻水泵運行臺數控制功能；冷卻塔風機運行臺數、啟停順序自動控制功能；冷水機組遠程啟?？刂乒δ?；手動/自動控制切換功能；現場手動控制功能；冷水機組、循環水泵、冷卻塔風機運行狀態檢測功能。

3.4 系統優點

1）節約電能

系統根據末端負荷變化自動調節循環泵運行頻率和主機運行參數，進而提高主機制冷效率，在滿足室內溫濕度要求的同時減少電耗，從而達到節能的目的。

2）自動運行

自動系統可根據制冷系統運行參數和預設程序，自動控制主機和循環泵的運行，方便了工作人員的管理。

4 效益分析

4.1 經濟效益

冷水機組加裝中央集控系統，系統的節能率按10%計算，系統運行時間按1年200天估算。系統主要設備的運行參數按表1估算。

年節約電費：107.1×1.0=107.1萬元（注：電價按1.0元/（kWh）計算）；

投資回收期：95.18/107.1=0.9年。

表1 系統的耗電量

4.2社會效益

年節約標煤約為：107.14×3.5=375t。

年減排CO2約為：375×2.5=937.5t。

5 結束語

通過采用冷水機組中央集控策略優化制冷站自控系統，可以實現系統模式的實時切換，提高設備運行能效，解決能源浪費問題，經濟效益與社會效益明顯。