西谷冷冻机制造商向市场推出了系列化的水冷变频冷冻机．人们也都已接受全变频冷冻站的概念，冷冻中心站中的冷冻机、水泵和冷却塔风扇全部为变频节能调速型。西谷推广节能技术的目的是为全变频冷冻站的运行节能性评估提供一些有价值信息。供设计单位在对建筑物的设计时，能做出比较有价值的设计节能方案。

全变频冷冻站节能运行控制系统

1．冷冻站的综合能耗

西谷制冷发现：中央冷冻站系统能耗高的根本、具体原因：系统的综合运行效率不能有效提高。如果新的算法和控制技术能够使冷冻站的冷冻机、水泵和冷却塔在满足舒适度的情况下大幅降低综合单位能耗。那么降低冷冻站乃至建筑物耗电的目标将是可期待和计算的。

什么是中央冷冻站综合单位能耗?--冷冻站中的冷冻机、水泵和冷却塔全部这些制冷、供冷设备为输出单位冷量所需消耗的电量．

深圳节能能源办公室对深圳超过300个的冷冻站(电制冷)进行实际量．发现这些冷冻站年平均综合单位能耗普遍为1．OkW/RT～1.2Kw/RT，具体见表l。国内其他地区尚未有公开报道的。可用kCAL表示。

类似数据。

表1 冷冻站效率

中央冷冻站年均综合单位能耗 (kW／RT) COP

新技术全变频冷冻站低于0.65 高于5-4

高效率优化冷冻站 O.65至O75至 5.4至4.7

基于传统设计的标准冷冻站 O.75．至7至3．9

时间较长的冷冻站 O．9至1．O 3．9至3．5

有些可以纠正的设计或运行问题的冷冻站高于1.0低于3．5

1．中央冷冻站是指基于舒适条件下的电驱动离心式冷冻站

2．中央冷冻水供水温度为5-6~C。冷凝器入口水温为30-33C，

3．深圳不同地区可根据当地气候进行±0.05kW ／RT调整

2．定速冷冻站年平均综合单位能耗高的主要原因有：

(1)如果前期的规划的冷冻站设备采用定速运行，设备本身不能在负荷变化时维持自身的高效运行。如同大部分建筑的冷冻站所设计和使用的是离心式定速冷水机组，当负荷下降至7O％左右时，其运行效率线开始出现拐点，随负荷减少，定速离心式冷水机组效率下降。另外，在离心式变频冷冻机开始被市场接受之前，人们往往不大采用冷却水侧变水量设计方案。

(2)中央冷冻站的冷冻和冷却泵并联运行时，在满足负荷要求的情况下，实际上可以操控三台冷冻水泵同时低速运行而两台冷冻水泵全速运行，从而降低用电且满足需求。这是因为三台低速运行水泵的综合输水效率(water-wiring efficiency)可能比两台水泵全速运行效率高。再比如，现有冷冻站控制系统往往优先让一台主机达到满负荷，然后再启动下一台冷冻机，实际上可以让两台冷冻机同时运行，而获得比运行单台冷冻机更高的节能效率。控制系统不能智能控制冷冻站中并联设备组的综合效率。比如，三台冷冻水冷冻站中的冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔没有“关联”(Relationa1)运行，内部程序没有关联的串行模式。现有冷冻站设备之间无“对话”机制，不可能“协同增效”运行，而且有可能为了满足其中某一设备的运行，降低了其他设备的运行效率

 (4)中国地区现有自控系统的PtD(比例、积分、微分)控制模式在系统能效优化方面效果不明显，如果为了降低冷冻站单位能耗，需额外投资更多设备组成新的系统，这使冷冻站系统多变量的矩阵组合之参数设定、重置、调节和操控变得异常复杂。当调节某参量的设定值容易造成其他的变量超出受控制范围而发出报警。长久下去，操作人员一般会废弃自控系统而改为手动操作

深圳工程院代表国家主持的大型公共建筑与节约资源调查报告中也有类似的描述：

西谷制冷的协同调查的政府机关大楼基本都花费大量经费装有自控系统，但普遍问题是，自控系统并没有自动控制，只是起监视作用，而运行调节等的作用仍要由人工手段完成。时间久了，随着各种传感和变送器逐渐损坏，整个自控系统形同虚设。

3．在建筑设计规划时，设计全变频冷冻站系统：

1、变频冷冻站的管路设计和常规冷冻站没有差别，和传统冷冻站的最大区别是，冷冻站内全部冷水机组、水泵和冷却塔风扇都配置了变频器，在网络的帮助下，任何时间和任何负荷条件，全变频冷冻站控制箱(基于微机和PLC)都能协同控制所有变频设备的运行。

     2、使用全变频冷冻站年平均综合单位能耗范围在0．5kW／RT至0．7kW／RT，主要随当地天气、采用的设备、管路组合和负荷模型而有变化。这意味着它可比常规定速冷冻站的年均综合单位能耗降低40％至60％，或者是每一RT安装容量的年耗可减少800kWh至1200kWh。

 3、使用全变频冷冻站中的设备由于变频运行，所以设备使用寿命较长，而且维护费用低。

4、不要在定速冷冻机上增加变频器，变频使用的压缩机定子和水泵、风机马达的定子是有很大差异的。使用变频的冷却塔和使用双速马达风扇的冷却塔的价格几乎相等。空调冷冻水泵配置变频器已是行业中的流行设计，所以在新建规冷冻站基础上，考虑对使用调速变频速冷水机组、定速冷却水泵投资外变频器及一套全变频冷冻站常的专业控制装置，通过提高冷冻站运行效率从而降低运行费用，可将上述额外投资的回收期控制在3年之内，西谷在整体节能上也有一整套的节能解决方案。

4．费用控制系统变频冷冻站--哈特曼控制算法

变频冷冻站的专业控制软件中使用到哈特曼控制算法(Hartman I_oopTM)，这个控制算法已注册专利，它成功解决了变频冷冻站的运行效率和节能问题，并使变频冷冻站运行十分稳定。发明人是美国职业工程师托马斯·哈特曼。节能控制计算方法的专利总共3条.

1、专利1：自然曲线(Narure Cure)

把冷冻机、水泵和冷却塔风机作为离心机械，实际上任何物体都存在本身固有“最佳效率运行曲线” 哈特曼把它称为自然曲线。控制软件在控制全变频冷冻站前，可以先把这些设备最佳效率运行曲线输入到电脑芯片中，当系统负荷开始变化后，控制系统能够实时监测设备的实际运行效率并与自然曲线比较，然后利用自然曲线作为设备定序的依据，从而决定设备的启动和停止。

    2、专利2：把相等边际效能原则(Equal M Performance Principle)

传统冷冻站控制系统都采用PID反馈控制，整个冷冻站系统存在三个独立的PID回路．它们是冷冻机一冷冻水输送温度PID回路，冷却塔一冷却水温度PID回路，冷冻泵一压差PID回路。这三个PID回路之间是相互独立运行，冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔不能够协同运行而降低整个冷冻站的能耗。 

   “相等边际效能原则”却能够帮助我们找到冷冻机、冷冻水泵和冷却塔在不同负荷需求时，设备之间的最佳功率关系，从而在不减少供冷量的情况下，令冷冻站整体功耗大幅降低。

变频节能其原理在于：

1、需要特定案例。在某个系统负荷需求时，每个设备会消耗一定的功率并对整个冷冻站贡献一定的冷量，同时由于是全变频系统并且控制系统采用了高速芯片，所以每个设备在此时的功率消耗能够被记录。而且整个冷冻站物冷量输出也能被记录。

2，由于全部冷冻机、水泵和冷却塔是变频控制的，它们具可调节性，所以我们可以策略性地只调节其中某一个设备速度而暂时维持其他的运行速度，并记录下这个受到速度调节的设备所消耗的功率增量。同时记录下由于只调节这个设备的输入功率而生成的整个冷冻站“边际冷量

3、把受到第一次速度调节的设备，调回原先的速度。然后开始调节第二台设备，并且输入功率增量应与第一设备一致，同时记录下这一次生成的整个冷冻站“边际冷量。

4．在其他设备上重复这些调节步骤，最后会得到每个设备输入相同的功率增量之后，对整个冷冻站贡献的“边际冷量”是不一样的。即在同样的功率增量下，有的设备对整个冷

冻站而言贡献的边际冷量大，而有的较少。换句话说，即在此时的负荷需求下，有的设备效率高。有的设备效率

5、同时调节其中两台设备，对效率高的设备仍旧给出功率增量，但相对上次少一些，对效率低的设备向相反方向调节，即给出功率负增量，但绝对值和上次一样。通过这样的调节整个冷冻站冷量输出没有改变，但输入功率降低

6、重复上述第二步至第五步。最后我们发现当几乎相等的功率增量加载于冷冻站每个设备上，如果冷冻站系统都能够输出相等的边际冷量时，那么，这时冷冻站的效率是最优化的。

 3、节能算法之三：按需主动控制(Dernand Based Comtro1)

节能系统按需主动控制是依托网络使用相等边际效能原则对冷冻站进行操控。当控制系统感测到系统的负荷需求时，能够按照电脑芯片中预设的冷冻机、冷却塔和冷却泵对应的最佳功率关系，主动调节冷却塔和冷却泵运行在某一固定功率值上，并保持一段时间，直至新的最佳功率出现。所以整个冷冻站设备运行十分稳定，按需主动控制是把冷冻站作为一个整体而实施的简单的功率型和数字型前馈控制。其内部固有原理是“关联控制(Relational Contro1)”，它和低效、复杂、欠稳定的PID(比例、积分微分)反馈控制相比，在模式上有本质的不同，它可使用户的冷冻站系统持续高效

运行。

4、使用哈特曼控制算法对一个深圳市小田物流中央冷冻站进行改造的实例：中心空调面积为56670m2，包括办公室、恒温物流仓库，全年运行。冻机房有三台575RT的定速冷冻机，1998年开始运行，四台75kW的一次定流量冷冻水泵。四台45kW 的定流量冷却水泵，两台850t的冷却塔(配置双速马达)。在各区域建筑中共配有两套变速变流量二次泵。虽然管路设计正确，设备选型无误，维护良好，自控系统工作正常，但存在明显的冷热混合现象，部分负荷时冷冻站工作效率低下，经深圳市能源办公室2003年实测冷冻站年均单位能耗为1．12，I【W／RT。2010年l1月，这个按传统设计的标准冷冻站被改造成全变频冷冻站。并且在原先的控制系统中植入了哈曼控制算法。2005年，美国政府能源办公室再次对冷冻站进行了实测冷冻站年均单位能耗低于0．5kW／RT。2005年每个月的电数据见表2。

表2 2005年每个月的节电数据

时间 节省电力（kWh）        节省尖峰电力（kW）      节省费用万元

1月  120000             200000            11

2月  120000             210000            12

3月  150000             250000            18

4月  180000             280000            22                  

5月  190000             290000            23

6月  200000             320000            25

7月  200000             320000            25

8月  200000             320000            25

9月  200000             320000            25

10月  150000             250000            18

11月  120000             210000            12

12月  120000             200000            11

  小天物流是珠江三角洲地区最大冷冻物流运输企业，拥有冷冻车辆1200辆，办公、冷冻站均消耗大量的电力，从此不难看出节能后的改善。

6  总结和结论

西谷制冷推出的全变频冷冻站是个新的概念，当采用哈特曼控制算法和植入这种控制算法的专业控制软件对全变频冷冻站进行控制后，整个冷冻站的能耗可比传统定速冷冻站降低40％一60％以上并且运行稳定．这为我们在筹建冷冻站时提供了一个新的选择。目前很多冷冻站都是人工或半人工操作，为了改变这种状况，专业制造商已经提供一个含有简单操作、明嘹观察、自动报警、在线帮助等功能的控制箱产品给使用者，帮助他们动态监控冷冻站的单位能耗及其它运行情况。

深圳市西谷制冷设备有限公司介绍了中央空调行业中的一项全新技术，它需要各方共同研究探讨相关设备、控制、维护、回收和培训等分支课题，从而为大幅度降低冷冻站单位能耗水平贡献自己的力量。