系统工程技术在集成冷热源系统中的应用

● 文 |北京星达科技发展有限公司 马剑云 周平来 范志远

一、引言

全球绝大多数中央空调冷冻站是在高耗能的状况下运行的。美国是世界上使用中央空调最多的国家，美国能源办对几百个中央空调冷冻站进行了实测，发现百分之九十以上的中央空调冷冻站的能效系数为3.5～2.9kW/kW，即使用1 kW的电能仅可提供2.9～3.5 kW的冷量，降低空调系统冷冻站的能耗意义重大。

2017年1月5日，国务院发布《“十三五”节能减排综合工作方案》（国发〔2016〕74号），提出了到2020年，全国万元国内生产总值能耗比2015年下降15%。中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统，据统计，我国建筑物能耗约占能源总消耗量的30%。在有中央空调的建筑物中，中央空调的能耗约占总能耗的70%，而且呈逐年增长的趋势。

中央空调冷冻站主要由冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、水处理设备、管道、管道支架、电线电缆及各类阀门、传感器等组成，目前存在建设占地面积大、现场交叉施工周期长、接口协调复杂、能耗大、运营管理困难、责任分散、单点控制等一系列问题。中央空调冷冻站又是由冷冻水循环系统、冷却水循环系统、制冷剂循环系统和电器自控系统等分系统组成的一个整体，是一个复杂的系统，是典型的“系统的系统”（SOS），实质上是一个系统工程技术。

以航天技术为依托，将航天系统工程技术、空间能源精细化管理技术、空间热控流体回路技术、天地远程控制技术应用于民用建筑暖通领域的集成冷热源系统，是中央空调冷冻站的一种新型产品，填补国内空白，可有效解决传统冷冻站建设模式的各种弊端，可为国内应用系统工程技术的其他产品或系统提供参考。

二、系统工程技术概述

系统工程技术是为了最好地实现系统的目的，对系统的组成要素、组织结构、信息流、控制机构等进行分析研究的科学方法。它运用各种组织管理技术，使系统的整体与局部之间的关系协调和相互配合，实现总体的最优运行。[1]从系统观念出发，以最优化方法求得系统整体的最优的综合化的组织、管理、技术和方法的总称。[2]

实际系统工程技术是把系统视为一个整体，研究整个系统的设计和应用，而不更多关注其组成部分的细节。系统工程技术是研究一个工程系统的顶层综合、研发和运行过程，追求以优化的方式满足系统各方面的要求。系统工程技术是一门跨学科的综合性科学，它基于对问题做系统的思考，支持横向的决策和持续改进。[3]

在我国，最早应用系统工程技术并取得显著成就的是航天系统。[4]

三、集成冷热源系统简介

集成冷热源系统是以系统工程技术集成航天器热控制技术、系统集成技术[5]、机电一体化设计技术、流体传动与密封技术、管路焊接与测试技术等航天技术和运用系统工程技术管理理念而成的机电一体化系统级产品，是中央空调冷冻站的新型产品，其主要由钢结构平台、冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、高效节能控制系统、水处理设备、管道、管道支架、电线电缆及各类阀门、传感器等组成。集成冷热源系统三维效果图如图1所示。

图1 集成冷热源系统三维效果图

集成冷热源系统所含的高效节能控制系统主要测控对象如下：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、电动阀门、末端压差传感器、供回水干管温度传感器、室外温度传感器、流量传感器等。

系统工程技术在集成冷热源系统中的内涵是把中央空调冷热源特定任务目标的需求转换为能最优实现目标的系统，确保方案的各方面都被充分考虑，并集成为一个高效节能的系统整体，以产品的形式进行全生命周期管理。

四、系统工程技术在集成冷热源系统应用中的探索实践

集成冷热源系统在近10年发展历程中，由起初只进行单一设计研发，后来逐步摸索应用系统工程管理理念，最终形成了行业内独有的全生命周期服务，从技术研发、工程设计、生产制造、安装调试到运维服务，让每一个环节都有成熟的解决方案。系统工程技术在集成冷热源系统应用中的要素如图2所示。

图2 系统工程技术在集成冷热源系统应用中的要素

1.改变产业模式

目前国内中央空调冷冻站普遍采用各设备分开招标，由机电总包负责在现场直接按照设计院初设图纸进行安装，各设备之间没有相互联系和相互制约关系，不能从整体协调的需要出发，选择优化方案，没有按照系统工程技术来组织实施，实际是一种单一的工程机电安装模式。

集成冷热源系统应用系统工程技术是从顶层综合、研发和运行过程，追求以优化的方式满足系统各方面的要求，是从技术研发、工程设计、生产制造、安装调试到售后服务全生命周期负责的管理模式，是在建筑设计院初步设计的基础上，以关联预测控制技术和系统集成技术为核心，开展二次深化设计和三维仿真，取消水泥基础，对各设备进行参数优化的机电一体化系统级产品，提供从售前到售后的全过程一站式服务，减少客户对机房内所有设备从进场安装到后期维修产生的逐个沟通的繁杂过程。

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2.系统集成技术

为了解决中央空调冷冻站的占地面积大、现场施工难度大、系统综合性能差等问题，将航天的系统集成技术[5]引入中央空调冷冻站建设，推出了集成冷热源系统。

系统集成是系统工程技术的重要组成部分，决定着大型工程系统的成败，航天工程是典型的大型工程系统，系统集成过程环节多且关系复杂。以系统集成技术为核心的集成冷热源系统也不是对其组成设备进行简单的供货和拼装，而是把集成冷热源系统作为一个系统整体来分析，在详细了解设计院的技术要求和充分考虑了冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵等设备厂家所生产设备的运行性能的基础上，分析各个部分之间的相互联系和相互制约关系，使系统中的各个部分相互协调配合，服从整体优化要求；在分析局部问题时，从整体协调的需要出发，选择优化方案，综合评价系统的效果。

集成冷热源系统将应用于航天的系统集成技术，完美地体现在其自身的集成工艺当中。通过承载结构力学分析和仿真校核，将系统各种设备模块化划分并集成安装到设计好的高精度钢结构平台上后，进行系统水压试验、系统清洗及系统测试，要达到的目标是系统的整体性能最优。

3.模块化建设模式

为了解决中央空调冷冻站的现场交叉施工周期长、接口协调复杂、现场施工难度大、安装质量不高等问题，将系统工程技术的模块化设计[6-7]引入中央空调冷冻站建设，推出了集成冷热源系统的模块化建设模式。

根据现场情况及产品特点，应用模块化设计将集成冷热源系统的各个主要组成设备模块化分割，并实现模块化、标准化设计，使集成冷热源系统结构紧凑、布局合理和占地面积小。

集成冷热源系统作为模块化、标准化产品，其与传统中央空调冷冻站另一个区别在于，集成冷热源系统经过水系统二次优化设计、设备选型匹配、系统集成设计、模块化设计、结构仿真校核及生产图纸深化设计后，已经具备生产加工的基础。因此可在工厂进行集成冷热源系统钢结构平台、管道、管道支架等的预制加工，并进行预安装，形成完整的产品。

由于模块化设计时，对集成冷热源系统主要设备进行了模块划分，因此工厂预制完成后可以分模块运输到现场，并在现场进行模块化拼装，而集成冷热源系统产品大同小异，可实现批量化生产，从而大幅减少了现场安装时间以及各厂家、各专业的交叉施工，降低了施工难度，提高了施工质量，保证整个集成冷热源系统的整体性能达到最优化。

4.高效节能控制系统

为了解决中央空调冷冻站的维护成本高、管理难度大、单点控制等问题，将系统工程技术的大系统理论和算法论[8]引入中央空调冷冻站建设中，推出了集成冷热源系统的高效节能控制系统。

高效节能控制系统是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理；是对集成冷热源系统的外部环境和变化规律进行分析，是一种全自动、高效集成化的控制系统；能自动根据室内负荷变化和室外温度变化，高效协调系统各子设备的运行模式，使得整个系统效率达到最佳，实现高效节能运行。

高效节能控制系统也采用航天的系统集成技术，将功能集成、网络集成、软件界面集成等多种系统集成，并将配电系统、自动控制系统、变频器、强弱电缆等均集成在钢结构基座上，为控制柜及变频器提供必要的钢支架、吊架、惯性基础，并提供了运送及安装设备所必需的运送支架及吊架等装置，安装运输方便，可大大节省系统的现场安装和调试周期，并使设备在运送、储存及安装期间受到良好保护，确保设备不受破损及锈蚀。

高效节能控制系统内各部件集中安装、放置，便于操作、管理、维修、维护；控制系统构架充分体现“分散控制、集中管理”的系统工程技术管理理念，对于集成冷热源系统内各个功能相对独立的设备，控制系统提供独立的现场控制器，能各自分离实现控制功能；控制系统能提供易于操作的人机接口，采用15英寸的触摸屏实现，以方便现场监控，并具备权限管理功能。

5.智能运维系统

为了解决中央空调冷冻站的信息封闭、运营成本高、数据无存储等问题，将系统工程技术的信息化建设[9]引入中央空调冷冻站建设中，推出了集成冷热源系统的智能运维系统。

智能运维系统依托于北京的信息化服务中心，借助云平台和大数据专业分析，实现全国各地集成冷热源系统的大数据分析及全面监控管理。是以信息化平台为基础，以核心资源数据库和客户端控制系统为载体，为集成冷热源系统的建设运营提供技术咨询、运营维护和节能改造的服务体系。集成冷热源系统通过智能运维系统，将中央空调冷冻站由建设型向服务主导型转化，开辟了空调暖通行业新型咨询服务模式，提高了中央空调冷冻站的综合能效管理水平。

五、系统工程技术在集成冷热源系统应用中的体会

本文浅析系统工程技术在航天技术转化而来的集成冷热源系统应用中的经验体会，可供其他采用系统工程技术管理理念的产品或系统参考。

1) 系统工程技术的应用促进集成冷热源系统从全生命周期提供解决方案。系统工程技术在集成冷热源系统中的应用，表明从技术研发、工程设计、生产制造、安装调试到售后服务整个产品的生命周期中都发挥重要作用，并在每一个环节都有成熟的解决方案，改变产业模式，提高产品竞争力，增加经济效益和社会效益，填补国内空白。

2) 系统工程技术的应用支撑了集成冷热源系统产业模式的快速形成。面对形势环境的新变化、新要求，集成冷热源系统必须积极谋变，主动应对，继续以系统工程技术为指导原则，构建适应市场并服务产业融合发展的组织体系，形成围绕核心技术面向多元市场的发展格局，从中央空调行业的小系统向绿色建筑领域的大系统发展，形成更高、更大、更强的产业模式，响应国家军民融合的大战略。

3) 系统工程技术的应用始终指导以集成冷热源系统整体最优为目标持续改进。系统工程技术必须以系统整体最优化为目标，必须要进行顶层决策、市场调研、科学分析、整体规划、统筹安排，这些原则和方法也适用于应用系统工程技术的其他产品或系统。