食品工厂高效制冷机房节能运行控制实践 —— 以麻辣王子项目为例

摘要：休闲食品加工车间存在间歇性、大幅波动冷负荷特征，传统制冷机房设备选型保守、运行控制粗放，全年综合能效偏低、生产制冷用电成本居高不下。本文以湖南麻辣王子年产 25 万吨辣条产业园高效制冷机房为工程案例，结合项目全年负荷模拟、设备优化选型、水力系统降阻、智能群控调适全流程实践，系统剖析食品工厂高效机房节能设计思路与动态运行控制方案。项目针对制造、配料两大独立冷站差异化配置定频/变频离心+变频螺杆冷水机组，配套全变频输配系统与冷却塔逼近温控体系，搭建高精度能耗监测自控平台，通过分负荷机组投切、水系统联动变频、BIM 前置管路优化、长期跟踪调适手段，实现机房全年综合 EER≥5.0，单位产品制冷电耗较老厂区降低 20% 以上。本文总结适配食品厂间歇负荷的高效机房成套节能控制方案，可为同类休闲食品加工冷源项目提供工程参考。

关键词：食品工厂；高效制冷机房；机组群控；负荷模拟；能效优化

0 引言

0.1 行业背景

我国休闲辣条、调味品等食品加工行业持续扩张，净化生产车间需全年恒温恒湿制冷保障生产工艺，制冷系统能耗占厂区总用电 30%~50%。多数中小型食品厂制冷机房沿用传统设计：主机单一、水泵冷却塔工频运行、管路阻力大、依靠人工经验启停，无法匹配食品间歇性生产负荷——日间满负荷生产、夜间低负荷或停产，过渡季节负荷落差极大，系统长期在低效区间运行，电费支出显著增加。

《工业建筑节能设计统一标准》（GB51245-2017）、《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021）明确要求工业冷源系统提升综合能效，高效制冷机房成为工业暖通节能主流解决方案。高效机房核心逻辑不再局限单一设备节能，而是实现设备选型、水力系统、智能控制、运维调适全链条协同优化。

0.2 项目研究意义

现有高效机房案例多集中于商业综合体、数据中心、半导体厂房，针对辣条类长周期、大幅间歇负荷食品厂房的成套节能设计与自控实践研究较少。湖南麻辣王子产业园冷站分为制造车间、配料车间两套独立高效制冷机房，负荷时序差异明显，采用定频 / 变频离心、变频螺杆组合主机，配套IE3 变频水泵、CTI 认证低能耗冷却塔，搭载全套能效监测自控系统。本文依托本项目完整技术方案与负荷模拟、能耗测算数据，梳理适配食品间歇负荷的机房节能控制路径，量化各项措施节能收益，为同类型食品加工冷源工程提供可落地设计与运维方案。

0.3 研究内容

1）麻辣王子厂区制冷负荷分布与全年逐时模拟分析；

2）冷站主机、输配、冷却塔、管路硬件节能优化方案；

3）多机组智能群控、水系统联动、冷却塔自适应控制逻辑；

4）项目能效测算、节能效果与长期调适运维机制；

5）食品工厂高效机房节能控制通用实施要点。

1 项目概况与冷负荷特性

1.1 项目基本情况

湖南麻辣王子年产 25 万吨辣条产业园一期净化机电工程包含制造车间、配料车间两大独立高效制冷机房，分别服务辣条成型、调味配料净化生产线，工艺冷冻水供 / 回水温度 7℃/13℃，全年不间断保障车间 22~26℃恒温环境。项目原伍市老厂区传统机房综合EER不足 4.0，甲方明确新机房硬性指标：全年综合 EER≥5.0，单位产量制冷电耗较老厂区下降 20% 以上，对设备选型、水力设计、运行控制提出严苛能效约束。

机房设备配置总览：

1）制造车间冷站：总冷负荷 8502kW，配置 1200RT 定频离心机 2 台（1 台备用）、1200RT 变频离心机 1 台、530RT 变频螺杆 1 台，总装机 2930RT（含备用 4130RT）；

2）配料车间冷站：总冷负荷 6972kW，配置 1000RT 定频离心机 2 台（1 台备用）、1000RT 变频离心机 1 台，总装机 2000RT（含备用 3000RT）；

3）输配系统：主机一对一配套格兰富 IE3 变频冷冻泵、冷却泵；

4）散热系统：良机 LCP 系列 CTI 认证横流冷却塔，全部风机变频；

5）自控系统：全点位温度、流量、功率传感器，1min 采集频率，实时计算系统 EER，具备机组群控、水泵冷却塔联动变频、远程调适功能。

1.2 区域气象负荷基础

项目地处湖南岳阳，属于夏热冬冷地区，全年温湿度波动大，夏季高温高湿、冬季湿冷，制冷周期长。依托 CSWD 标准气象数据生成全年逐时干湿球温度曲线，7 月为全年负荷峰值，1、12 月冷负荷仅为峰值 1.5% 左右，负荷两极分化特征显著。

图1 项目负荷模拟室外全年气象参数(小时级)

图2 项目所在地全年各月最高与最低平均温度情况

夏季7月单月制冷量占全厂全年18.67%，冬季1月仅占0.19%，全年冷负荷分布极度不均，单一固定机组组合无法兼顾高低负荷能效，必须依靠分层机组投切 + 动态水系统调节实现节能。

1.3 全年负荷模拟结果

采用华电源 HDY 机房提效寻优软件开展逐时负荷模拟，分别输出制造、车间全年 RT 负荷曲线，按 10%~100% 负荷区间划分供冷占比。

图3 制造车间全年负荷模拟结果

图4 配料车间全年逐时负荷模拟结果

图5 项目各个负荷段供冷量占比分析（柱状图）

负荷分布核心特征：

1）65%~95% 中高负荷段供冷量合计占比超 45%，适合大容量离心机组高效运行；

2）10%~45% 低负荷区间占比接近 40%，大离心机低负载 COP 大幅衰减，必须启用小容量变频螺杆机组承载低负荷；

3）生产排班导致每日 8:00—20:00 负荷高位，夜间 22:00 至次日 6:00 负荷骤降 50% 以上，昼夜负荷差巨大。传统机房仅依靠大容量定频机组，夜间低负荷时机组频繁启停、节流损耗严重，为本项目硬件与控制优化核心突破口。

2 高效机房硬件系统节能优化设计

硬件优化是系统节能基础，本项目对比传统常规方案，从冷水机组、输配水泵、冷却塔、管路四大维度完成降阻增效改造。

2.1 冷水机组差异化优化选型

原设计机组换热压降大、部分负荷性能偏低，本项目更换低压降换热器机型，同步搭配定频离心 + 变频离心 + 变频螺杆多机型组合，覆盖全负荷高效区间。

1）机组换热优化：蒸发器、冷凝器压降大幅降低，压降降低30~60KPa，可以大幅度的降低循环泵扬程；

2）工况优化：冷却水由传统 32/37℃调整为 31/37℃，增大了温差，可以降低循环泵的选型功率和冷却侧的管道管径，起到降本增效的作用。冷却塔出水温度从32℃降至31℃，实现了更小的趋近温度，带来系统更高的效率；

3）负荷匹配逻辑：高负荷投运定频离心机，中负荷启用变频离心机，低负荷切换 530RT 变频螺杆，20% 低负载工况机组 COP 仍维持 5.0 以上，全部机组 NPLV 满足国标强制限值。

2.2 输配水泵水力优化

原有冷冻、冷却水泵设计扬程偏高，依靠阀门节流调节，输送能耗损失严重。经水力重新核算下调设计扬程：制造车间冷冻泵 36m 降至 29~33m，冷却泵 28m 降至 22m；配料车间冷冻泵 36.9m 降至 33m，冷却泵 29m 降至 22.5m。 全部配套 IE3 高效变频电机，主机一对一独立水泵配置，杜绝水力失衡；取消阀门节流，依靠温差、压差双闭环变频调节，输配能耗可降低 30%~50%。

2.3 冷却塔系统升级

原有冷却塔风机功耗高，单位水量耗电比达 0.04kW/m³/h，低于国家三级能效标准。项目更换 CTI 认证横流冷却塔，单台风机功率由 37kW 降至 11kW，耗电比仅 0.02kW/m³/h，支持 50%~100% 宽幅变流量均匀布水。所有冷却塔风机变频控制，采用逼近温度控制逻辑，根据室外湿球温度动态调节风机转速，避免低温时段风机满转浪费电量。多塔并联共享冷却水路，按需投运，低负荷时仅启动单台冷却塔即可满足散热需求。

2.4 管路系统全降阻设计

传统机房集分水器、高阻力阀门造成大量沿程与局部阻力，本项目管路优化措施：

1）取消集分水器，采用直通式一对一主机管路，缩短管线长度；

2）替换常规止回、过滤器为低阻力旋启止回阀、角通过滤器，单部件压降≤10kPa；

3）管路大温差设计 7/13℃，相较 5℃温差流量减少 25%，进一步降低水泵输送功耗；

4）机房采用 BIM 三维建模完成管线碰撞优化，减少弯头、变径等阻力构件，同步方便后期运维巡检。

3 高效机房智能节能控制体系

硬件优化仅提供节能潜力，分层负荷机组调度 + 水系统联动变频 + 冷却塔逼近温控 + 实时能效监测的自控策略是实现全年 EER≥5.0 的核心手段，系统基于 PLC 搭建完整群控平台，分四大控制模块。

3.1 全局负荷预判与机组投切控制逻辑

依托 HDY 模拟全年负荷区间，自控系统内置多机组最优组合数据库，实时采集车间冷量、室外湿球温度，自动匹配最优主机组合：

1）负荷＞70% 额定冷量：优先投运定频离心机，搭配 1 台变频离心，满负荷高效运行；

2）负荷 35%~70%：退出定频主机，保留变频离心单独承载；

3）负荷＜35%：关停大型离心机组，切换 530RT 变频螺杆机组单独运行；

负荷突变设置 30min 延时启停，避免机组频繁启停造成损耗与能耗上升，系统自动检索当前工况综合 EER 最高的设备搭配，替代人工经验操作。

3.2 冷冻 / 冷却水系统联动变频控制

（1）冷冻水泵双闭环调节

以 7℃供水为基础约束，供回水温差设定 6℃标准区间：

1）温差＞6.5℃：提升水泵频率，增大流量；

2）温差＜5.5℃：降低水泵频率，减少输送能耗；

同步监测管路压差，保障末端净化车间水温稳定，兼顾工艺与节能。

（2）冷却水泵跟随主机负荷调节

单台主机负载率越高，冷却水流量需求越大，冷却泵与对应主机负载联动，主机低负载时自动下调冷却泵转速，避免恒定大流量造成泵耗。

3.3 冷却塔逼近温度节能控制

摒弃传统固定 31℃出水温控模式，采用湿球逼近温度闭环调控，控制目标：冷却塔出水温度-室外湿球温度≤2.5℃。

1）夏季高温高湿：风机满频运行，拉低冷凝水温，最大化主机 COP 收益；

2）春秋、夜间低湿球工况：优先下调风机转速，再分批关停冷却塔，平衡主机耗电与冷却塔风机总能耗；

3）全年测算对比：相比固定出水控制，冷却塔全年总耗电量降低 18% 以上。

3.4 高精度能效监测体系

系统配置 0.5 级电磁流量计、±0.3℃高精度温度传感器、0.5S 级多功能智能电表，数据采集周期 1min：

1）分项独立计量：每台冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔独立统计耗电量、冷量；

2）实时能效计算：自动输出瞬时 EER、日 / 月 / 年度综合系统能效，自动生成能效对比报表；

3）多级能效预警：当机房瞬时 EER 低于 4.8 时，系统自动弹窗、推送运维工单，快速排查管路阻力、机组参数、自控阈值异常；

4）计量合规性：流量计前后预留 BIM 设计标准直管段，满足业主第三方能效核验要求。

3.5 全周期跟踪调适机制

高效机房能效无法依靠一次性设计永久维持，项目配套两年持续跟踪调适服务：

1）单机专项调适：单台机组 48h 满负荷性能测试，修正出水、冷凝温度设定参数；

2）分季度联合调适：春夏秋冬分别调整机组投切负荷阈值、冷却塔逼近温度设定值；

3）月度能效复盘：对比模拟理论能耗与实际运行数据，迭代优化自控调度逻辑；

4）快速运维响应：故障 15min 远程响应、4h 现场到场，避免低效工况长期持续。

4 项目能效与经济性分析

4.1 系统全年能耗模拟结果

依托负荷逐时数据与各设备性能曲线，完成分车间全年能耗拆分：

全厂综合能效EER可达5.45，满足业主硬性能效指标。

能耗分项占比：冷水机组 61.2%、冷冻泵 14.7%、冷却泵 12.3%、冷却塔 11.8%，输配 + 散热设备总能耗仅 28.8%，远低于传统机房 40% 以上的输配能耗占比，硬件降阻与变频改造效果显著。

4.2 与老厂区对比节能收益

老厂区传统机房无分级机组、工频水系统，全年综合 EER约4.0；本项目高效机房综合能效约5.45，较传统机房提升 36.25%。

按全年供冷量1188万RTh、当地工业电价 0.84元/kWh 测算全年节电收益：

全年总理论耗电（传统机房水平）=1188*3.51685/4≈1045万kWh

全年总理论耗电（高效机房水平）=1188*3.51685/5.45≈767万kWh

年节约电量 =1045-767=278万 kWh

年节约电费 =278×0.84=233.52万元

高效机房全生命周期具备极强经济性。

4.3 各项节能措施贡献占比

1）多机型分级冷水机组优化选型：节能42%（核心节能措施，解决低负荷大机组低效痛点）；

2）BIM 管路全降阻 + IE3 变频水泵系统：节能26%；

3）冷却塔近露点自适应变频控制：节能19%；

4）全年负荷预判机组群控 + 分季度跟踪调适：节能13%。

硬件设备优化构建节能基础，智能动态自控实现增量节能，二者缺一不可。

5 食品工厂高效机房通用实施要点

结合麻辣王子产业园完整工程实践，针对辣条、预制菜、调味品、烘焙等昼夜、淡旺季负荷波动大的洁净食品车间，总结标准化高效机房实施方案：

1）前置全年逐时负荷模拟：严禁仅按峰值冷量选型，精准划分高、 中 、低负荷区间，配套小容量变频机组承载夜间、淡季负荷；

2）主机分级搭配：大容量定频离心机承担高峰，变频离心机覆盖中负荷，变频螺杆、磁悬浮应对低负荷，避免单一大容量机组 “大马拉小车”；

3）水力系统优先降阻：采用 7℃/13℃大温差冷冻水，BIM 前置管路优化，全系统低阻力阀件，水泵全部配置 IE3 变频电机；从源头削减输送能耗；

4）冷却塔放弃固定温度控制，采用湿球逼近温度联动风机变频，大幅降低过渡季节风机电耗；

5）自控系统必须内置负荷分区机组调度逻辑，不能仅做单机变频，以系统总能耗最低为控制目标，而非单一设备恒温；

6）配套高精度全点位能耗计量平台，建立季度、年度系统调适制度，动态修正自控参数维持全年高 EER；

7）食品车间存在停产、换产空档，自控增加低负荷休眠模式，自动关停冗余水泵、冷却塔，进一步压缩空载无效能耗。

8）同步配置 BIM 三维管路建模，在设计阶段完成阻力优化，减少后期现场改造增量成本。

6 结论与展望

6.1 结论

本文以湖南麻辣王子辣条产业园双冷站高效机房为完整工程案例，针对食品加工行业极端间歇冷负荷痛点，形成全年负荷仿真-分级高效设备选型-BIM 水力降阻-全局智能群控-分年度跟踪调适一体化成套节能控制方案，主要结论如下：

1）采用定频离心 + 变频离心分级主机搭配，可覆盖食品厂全年 10%~100% 全负荷高效运行区间，解决夜间、淡季大容量机组低负载能效衰减难题；

2）通过机组低压降换热器、水泵扬程下调、低阻力管路配件、CTI 变频冷却塔、BIM 前置管线优化多重硬件措施，将输配与散热总能耗控制在 28.8% 以内；

3）搭建以负荷预判机组投切、风水联动变频、冷却塔湿球逼近温度控制为核心的智能自控平台，配套 2 年期持续调适机制，稳定维持机房全年高综合能效；

4）项目全厂加权综合 EER 达到 5.45，年节约电费超230万元，方案适配休闲食品加工冷源项目。

6.2 不足与展望

本项目自控调度阈值依托全年仿真负荷曲线人工设定，未引入机器学习短时负荷预测模型；后续可基于 1~2 年实际运行大数据训练负荷预测算法，实现机组提前预调度，进一步降低机组频繁启停带来的能耗损耗。同时可拓展制冷余热回收系统，回收冷水机组冷凝热用于车间新风预热、生产温水供应，提升厂区综合能源利用效率。

对于同类型间歇生产食品厂房，本文设备搭配与智能控制思路具备复制推广价值，可为工业暖通节能改造、新建高效机房项目提供完整工程实践参考。

参考文献

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