系統工程技術在集成冷熱源系統中的應用

● 文 |北京星達科技發展有限公司 馬劍云 周平來 范志遠

一、引言

全球絕大多數中央空調冷凍站是在高耗能的狀況下運行的。美國是世界上使用中央空調最多的國家，美國能源辦對幾百個中央空調冷凍站進行了實測，發現百分之九十以上的中央空調冷凍站的能效系數為3.5～2.9kW/kW，即使用1 kW的電能僅可提供2.9～3.5 kW的冷量，降低空調系統冷凍站的能耗意義重大。

2017年1月5日，國務院發布《“十三五”節能減排綜合工作方案》（國發〔2016〕74號），提出了到2020年，全國萬元國內生產總值能耗比2015年下降15%。中央空調是現代建筑中不可缺少的能耗運行系統，據統計，我國建筑物能耗約占能源總消耗量的30%。在有中央空調的建筑物中，中央空調的能耗約占總能耗的70%，而且呈逐年增長的趨勢。

中央空調冷凍站主要由冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、水處理設備、管道、管道支架、電線電纜及各類閥門、傳感器等組成，目前存在建設占地面積大、現場交叉施工周期長、接口協調復雜、能耗大、運營管理困難、責任分散、單點控制等一系列問題。中央空調冷凍站又是由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統、制冷劑循環系統和電器自控系統等分系統組成的一個整體，是一個復雜的系統，是典型的“系統的系統”（SOS），實質上是一個系統工程技術。

以航天技術為依托，將航天系統工程技術、空間能源精細化管理技術、空間熱控流體回路技術、天地遠程控制技術應用于民用建筑暖通領域的集成冷熱源系統，是中央空調冷凍站的一種新型產品，填補國內空白，可有效解決傳統冷凍站建設模式的各種弊端，可為國內應用系統工程技術的其他產品或系統提供參考。

二、系統工程技術概述

系統工程技術是為了最好地實現系統的目的，對系統的組成要素、組織結構、信息流、控制機構等進行分析研究的科學方法。它運用各種組織管理技術，使系統的整體與局部之間的關系協調和相互配合，實現總體的最優運行。[1]從系統觀念出發，以最優化方法求得系統整體的最優的綜合化的組織、管理、技術和方法的總稱。[2]

實際系統工程技術是把系統視為一個整體，研究整個系統的設計和應用，而不更多關注其組成部分的細節。系統工程技術是研究一個工程系統的頂層綜合、研發和運行過程，追求以優化的方式滿足系統各方面的要求。系統工程技術是一門跨學科的綜合性科學，它基于對問題做系統的思考，支持橫向的決策和持續改進。[3]

在我國，最早應用系統工程技術并取得顯著成就的是航天系統。[4]

三、集成冷熱源系統簡介

集成冷熱源系統是以系統工程技術集成航天器熱控制技術、系統集成技術[5]、機電一體化設計技術、流體傳動與密封技術、管路焊接與測試技術等航天技術和運用系統工程技術管理理念而成的機電一體化系統級產品，是中央空調冷凍站的新型產品，其主要由鋼結構平臺、冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、高效節能控制系統、水處理設備、管道、管道支架、電線電纜及各類閥門、傳感器等組成。集成冷熱源系統三維效果圖如圖1所示。

圖1 集成冷熱源系統三維效果圖

集成冷熱源系統所含的高效節能控制系統主要測控對象如下：冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、電動閥門、末端壓差傳感器、供回水干管溫度傳感器、室外溫度傳感器、流量傳感器等。

系統工程技術在集成冷熱源系統中的內涵是把中央空調冷熱源特定任務目標的需求轉換為能最優實現目標的系統，確保方案的各方面都被充分考慮，并集成為一個高效節能的系統整體，以產品的形式進行全生命周期管理。

四、系統工程技術在集成冷熱源系統應用中的探索實踐

集成冷熱源系統在近10年發展歷程中，由起初只進行單一設計研發，后來逐步摸索應用系統工程管理理念，最終形成了行業內獨有的全生命周期服務，從技術研發、工程設計、生產制造、安裝調試到運維服務，讓每一個環節都有成熟的解決方案。系統工程技術在集成冷熱源系統應用中的要素如圖2所示。

圖2 系統工程技術在集成冷熱源系統應用中的要素

1.改變產業模式

目前國內中央空調冷凍站普遍采用各設備分開招標，由機電總包負責在現場直接按照設計院初設圖紙進行安裝，各設備之間沒有相互聯系和相互制約關系，不能從整體協調的需要出發，選擇優化方案，沒有按照系統工程技術來組織實施，實際是一種單一的工程機電安裝模式。

集成冷熱源系統應用系統工程技術是從頂層綜合、研發和運行過程，追求以優化的方式滿足系統各方面的要求，是從技術研發、工程設計、生產制造、安裝調試到售后服務全生命周期負責的管理模式，是在建筑設計院初步設計的基礎上，以關聯預測控制技術和系統集成技術為核心，開展二次深化設計和三維仿真，取消水泥基礎，對各設備進行參數優化的機電一體化系統級產品，提供從售前到售后的全過程一站式服務，減少客戶對機房內所有設備從進場安裝到后期維修產生的逐個溝通的繁雜過程。

作為新興的學科專業，跨境電商專業的良好發展需要各個高職院校高度重視，加大投入。高職院校應集中財力、物力和人力努力打造多媒體互聯網的教學環境，加快各類語音室、專業實訓室的建設，與此同時，高職院校還應該積極與網絡技術公司以及外貿企業合作，引進或者開發跨境電商的專業教學實訓軟件，通過模擬真實的跨境電商業務流程以及運用豐富的案例資源來磨煉學生的實踐技能，此外，高職院校還應該加強自主學習資源庫的建設，積極創建和豐富線上和線下的跨境電商自主學習資源，引導學生開展課外的跨境電商自主學習，進一步滿足學生多樣化的學習需求，提升其專業知識水平和實踐運用能力。

2.系統集成技術

為了解決中央空調冷凍站的占地面積大、現場施工難度大、系統綜合性能差等問題，將航天的系統集成技術[5]引入中央空調冷凍站建設，推出了集成冷熱源系統。

系統集成是系統工程技術的重要組成部分，決定著大型工程系統的成敗，航天工程是典型的大型工程系統，系統集成過程環節多且關系復雜。以系統集成技術為核心的集成冷熱源系統也不是對其組成設備進行簡單的供貨和拼裝，而是把集成冷熱源系統作為一個系統整體來分析，在詳細了解設計院的技術要求和充分考慮了冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵等設備廠家所生產設備的運行性能的基礎上，分析各個部分之間的相互聯系和相互制約關系，使系統中的各個部分相互協調配合，服從整體優化要求；在分析局部問題時，從整體協調的需要出發，選擇優化方案，綜合評價系統的效果。

集成冷熱源系統將應用于航天的系統集成技術，完美地體現在其自身的集成工藝當中。通過承載結構力學分析和仿真校核，將系統各種設備模塊化劃分并集成安裝到設計好的高精度鋼結構平臺上后，進行系統水壓試驗、系統清洗及系統測試，要達到的目標是系統的整體性能最優。

3.模塊化建設模式

為了解決中央空調冷凍站的現場交叉施工周期長、接口協調復雜、現場施工難度大、安裝質量不高等問題，將系統工程技術的模塊化設計[6-7]引入中央空調冷凍站建設，推出了集成冷熱源系統的模塊化建設模式。

根據現場情況及產品特點，應用模塊化設計將集成冷熱源系統的各個主要組成設備模塊化分割，并實現模塊化、標準化設計，使集成冷熱源系統結構緊湊、布局合理和占地面積小。

集成冷熱源系統作為模塊化、標準化產品，其與傳統中央空調冷凍站另一個區別在于，集成冷熱源系統經過水系統二次優化設計、設備選型匹配、系統集成設計、模塊化設計、結構仿真校核及生產圖紙深化設計后，已經具備生產加工的基礎。因此可在工廠進行集成冷熱源系統鋼結構平臺、管道、管道支架等的預制加工，并進行預安裝，形成完整的產品。

由于模塊化設計時，對集成冷熱源系統主要設備進行了模塊劃分，因此工廠預制完成后可以分模塊運輸到現場，并在現場進行模塊化拼裝，而集成冷熱源系統產品大同小異，可實現批量化生產，從而大幅減少了現場安裝時間以及各廠家、各專業的交叉施工，降低了施工難度，提高了施工質量，保證整個集成冷熱源系統的整體性能達到最優化。

4.高效節能控制系統

為了解決中央空調冷凍站的維護成本高、管理難度大、單點控制等問題，將系統工程技術的大系統理論和算法論[8]引入中央空調冷凍站建設中，推出了集成冷熱源系統的高效節能控制系統。

高效節能控制系統是通過結構化的綜合布線系統和計算機網絡技術，將各個分離的設備、功能和信息等集成到相互關聯的、統一和協調的系統之中，使資源達到充分共享，實現集中、高效、便利的管理；是對集成冷熱源系統的外部環境和變化規律進行分析，是一種全自動、高效集成化的控制系統；能自動根據室內負荷變化和室外溫度變化，高效協調系統各子設備的運行模式，使得整個系統效率達到最佳，實現高效節能運行。

高效節能控制系統也采用航天的系統集成技術，將功能集成、網絡集成、軟件界面集成等多種系統集成，并將配電系統、自動控制系統、變頻器、強弱電纜等均集成在鋼結構基座上，為控制柜及變頻器提供必要的鋼支架、吊架、慣性基礎，并提供了運送及安裝設備所必需的運送支架及吊架等裝置，安裝運輸方便，可大大節省系統的現場安裝和調試周期，并使設備在運送、儲存及安裝期間受到良好保護，確保設備不受破損及銹蝕。

高效節能控制系統內各部件集中安裝、放置，便于操作、管理、維修、維護；控制系統構架充分體現“分散控制、集中管理”的系統工程技術管理理念，對于集成冷熱源系統內各個功能相對獨立的設備，控制系統提供獨立的現場控制器，能各自分離實現控制功能；控制系統能提供易于操作的人機接口，采用15英寸的觸摸屏實現，以方便現場監控，并具備權限管理功能。

5.智能運維系統

為了解決中央空調冷凍站的信息封閉、運營成本高、數據無存儲等問題，將系統工程技術的信息化建設[9]引入中央空調冷凍站建設中，推出了集成冷熱源系統的智能運維系統。

智能運維系統依托于北京的信息化服務中心，借助云平臺和大數據專業分析，實現全國各地集成冷熱源系統的大數據分析及全面監控管理。是以信息化平臺為基礎，以核心資源數據庫和客戶端控制系統為載體，為集成冷熱源系統的建設運營提供技術咨詢、運營維護和節能改造的服務體系。集成冷熱源系統通過智能運維系統，將中央空調冷凍站由建設型向服務主導型轉化，開辟了空調暖通行業新型咨詢服務模式，提高了中央空調冷凍站的綜合能效管理水平。

五、系統工程技術在集成冷熱源系統應用中的體會

本文淺析系統工程技術在航天技術轉化而來的集成冷熱源系統應用中的經驗體會，可供其他采用系統工程技術管理理念的產品或系統參考。

1) 系統工程技術的應用促進集成冷熱源系統從全生命周期提供解決方案。系統工程技術在集成冷熱源系統中的應用，表明從技術研發、工程設計、生產制造、安裝調試到售后服務整個產品的生命周期中都發揮重要作用，并在每一個環節都有成熟的解決方案，改變產業模式，提高產品競爭力，增加經濟效益和社會效益，填補國內空白。

2) 系統工程技術的應用支撐了集成冷熱源系統產業模式的快速形成。面對形勢環境的新變化、新要求，集成冷熱源系統必須積極謀變，主動應對，繼續以系統工程技術為指導原則，構建適應市場并服務產業融合發展的組織體系，形成圍繞核心技術面向多元市場的發展格局，從中央空調行業的小系統向綠色建筑領域的大系統發展，形成更高、更大、更強的產業模式，響應國家軍民融合的大戰略。

3) 系統工程技術的應用始終指導以集成冷熱源系統整體最優為目標持續改進。系統工程技術必須以系統整體最優化為目標，必須要進行頂層決策、市場調研、科學分析、整體規劃、統籌安排，這些原則和方法也適用于應用系統工程技術的其他產品或系統。