制冷系统的自动控制策略

关键词　制冷自动控制变频调节电子膨胀阀安全联锁泄漏报警集中监控

一、自动控制要管的三个目标

制冷系统的自动控制不是单看温度。第一件事是库温稳定，温度波动大，果蔬与鲜肉的品质受影响，医药与疫苗的温控要求更严。第二件事是能效，制冷机组的负荷随季节、昼夜、进出货频次变化，固定输出必然有一部分时间在浪费。第三件事是安全，氨与卤代烃都是有害物质，压力、液位、泄漏都要联锁。

三个目标之间有冲突。为了库温稳定，最简单的做法是让压缩机一直满负荷运行，代价是能效差。为了能效，压缩机要频繁调节输出，代价是控制策略复杂、设备磨损增加。自动控制要在这两者之间找平衡点，同时把安全联锁放在优先级最高的位置。

二、从定频启停到变频调节

定频压缩机的输出只有开与关两种状态，靠蒸发压力的偏差调节回气阀门的开度来控制制冷量。机组启动时电流冲击大，启动完成后只能全速运行，部分负荷下的能效差。

变频压缩机用变频器调节转速，把输出连续地压到跟负荷匹配的位置。负荷低时转速降下来，压缩机与冷凝风机的功耗随之下降。变频调速让压缩机、冷却水泵、冷却塔风机按实际负荷无级调节输出功率，避免低负荷时仍按全负荷运行。这是自动控制收益最直接的一项。

三、电子膨胀阀与过热度控制

供液量的控制决定蒸发器的换热效果。电子膨胀阀接收过热度信号，用比例、积分、微分算法调节阀开度，把蒸发器出口的过热度稳定在设定值附近。相比热力膨胀阀靠感温包与弹簧动作，电子膨胀阀的响应更快，过热度设定值可以压得更低，蒸发器面积利用得更充分。

电子膨胀阀是制冷控制元器件里国产化程度最高的一类。浙江三花智能控制股份有限公司在港交所上市聆讯后资料集里，引用弗若斯特沙利文的数据：按 2024 年收入计，该公司的电子膨胀阀在全球市场排名第一、市场占有率 51.4%，四通换向阀 55.4%，微通道换热器 43.4%，全球制冷空调控制元器件市场占有率约 45.5%。

图 1　三花智控制冷元器件的全球市场占有率（%）

四、除霜的自动判断

除霜控制从定时走向按需。定时的做法是按固定周期切换除霜，不管有没有结霜，除霜次数偏多，除霜期间库温波动大。按需的做法是用温差或者压差判断霜层厚度，霜层到设定值时启动除霜。

判断方式有几种。定时方式按运行累计时间启动；温差方式比较蒸发器进出口空气温差，温差缩小到设定值说明换热变差；压差方式比较风机前后的空气压差，霜层堵住风道时压差上升。热气融霜的智能控制可以按使用场景自动调整化霜参数，减少无效化霜，化霜次数最多减少 50%。

图 2　除霜的三种自动判断方式

五、安全联锁与泄漏报警

安全联锁是自动控制里优先级最高的部分。GB 50072-2021《冷库设计标准》第 6.7 节规定制冷系统的安全与监控配置：活塞式制冷压缩机排出口设止回阀，螺杆式制冷压缩机吸气管处设止回阀；压缩机冷却水出水管上配置断水停机保护；大、中型制冷系统的高压侧配置超压报警；冷凝器配置压力表和安全阀，水冷冷凝器配置冷却水断水报警，蒸发式冷凝器配置风机和水泵故障报警。

第 7.4 节规定制冷剂泄漏探测报警系统。采用氨为制冷剂时，空气中氨气浓度达到 1.5×10⁻⁴ 时，报警信号自动启动事故排风机并把信息传到控制室；氨气浓度探（检）测器宜布置在机房顶部，安装高度高出可能释放位置 0.5 m 到 2 m，有效覆盖水平半径建议不大于 3 m。采用卤代烃及其混合物、二氧化碳为制冷剂或载冷剂时，探测器宜设置在机房被保护空间的下部，安装高度距地坪 0.3 m 到 0.6 m。

图 3　制冷剂探测器的安装高度（m）

六、集中监控与远程运维

单台机组自控以外，系统级监控把多台设备、多个库房的数据集中到一套平台上。现场层是传感器与执行器，控制层是可编程逻辑控制器与变频器，监控层是集中监控与远程运维，管理层做能耗分析与预测性维护。

汇川技术为金乡大蒜智能冷仓提供了自动化与信息化方案，依托工业互联网平台把起重设备的定位、抓取、存放自动化，单体冷仓可以存储蒜片 6 万吨。物联网方案的远程运维功能，支持对冷库设备的远程监控、远程调试、故障报警与设备保养提醒。冰轮环境依托智汇云平台构建数字孪生中枢，通过实时监测与算法动态调优驱动运行优化。

图 4　制冷自动控制的四个层次

七、数据积累与算法应用

自动控制的上限取决于数据的完整度。库温、压力、电流、功率、蒸发器进出口温差这些参数被记录下来，才能判断设备的实际运行效率与结霜趋势。

数据积累到一定程度，可以用算法做动态调优。控制策略从固定的温度设定值，转向按负荷预测与电价时段调整压缩机的输出。磁悬浮离心压缩机、变频螺杆压缩机在部分负荷下的效率优势明显，配合算法调度，把机组运行在不同的负荷区间，是自动控制从稳定性走向能效优化的路径。

八、控制系统的落地层次

一套完整的制冷自动控制系统按四个层次落地。现场层装传感器与执行器，采集温度、压力、液位与制冷剂浓度，驱动阀门与风机；控制层用可编程逻辑控制器执行逻辑，变频器调节转速；监控层做数据的集中显示、报警与远程访问；管理层做能耗统计与设备健康管理。

层次之间的通信协议要贯通。小型系统用模块化控制器加触摸屏，大型系统用现场总线把各分支冷间与冷却间连到主控制器，再与上位机通信。通信不畅会带来控制延迟，这在需要快速响应的安全联锁上不能接受。

九、控制改造的收益与条件

自动控制改造的收益来自三块：部分负荷下的能效提升、人工值班费用减少、设备故障率下降。改造后，压缩机的启停次数减少，运行在效率更高的区间，长期电费下降。

改造要成立有三个条件。第一是控制系统要与设备匹配，变频压缩机配变频控制，定频压缩机只能做启停与加卸载控制。第二是安全联锁要完整，安全保护的动作不能被上位机的优化逻辑覆盖。第三是运维能力要跟上，远程监控与算法调优需要有人看数据、处理报警。制冷设备企业的研发投入是这一环节的参照，雪人股份 2024 年研发费用 1.42 亿元，5000 多名员工中有 800 多人是科研人员。

图 5　全球制冷空调控制元器件市场规模

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