智能冷却：卡尔斯鲁厄市政公用事业公司应用人工智能和数字孪生技术的案例

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发布日期：2025年5月6日 / 更新日期：2025年5月6日 – 作者：Konrad Wolfenstein

智能冷却：卡尔斯鲁厄市政公用事业公司应用人工智能和数字孪生技术的案例——图片：Factory4Solutions GmbH

通过数字化精准实现节能：花园房车的智能冷却系统

卡尔斯鲁厄市政公用事业公司：城市降温智能系统

在气候变化和能源成本不断上涨的时代，提高能源利用效率变得日益重要。这不仅适用于供暖和电力供应，也适用于制冷，尤其是在现代化的人口密集城市地区以及数据中心或医疗设施等特殊应用领域，制冷更是不可或缺。市政能源供应商，例如卡尔斯鲁厄市电力公司（Stadtwerke Karlsruhe），在这方面肩负着特殊的责任。他们不仅要保障能源供应安全，还要寻找创新方法来降低运营成本，同时为可持续发展做出贡献。卡尔斯鲁厄市GartenCarée园区利用先进数字技术优化制冷系统就是一个令人印象深刻的例证。.

作为一家拥有约1100名员工的市政公用事业公司，卡尔斯鲁厄市政公用事业公司（Stadtwerke Karlsruhe）可靠地为该地区超过40万居民提供电力、天然气、区域供热和饮用水等重要能源。其广泛的职责范围包括大型建筑群复杂能源系统的运行和维护，例如GartenCarée的冷却系统。GartenCarée是一座多功能建筑群，包含公寓、办公空间、医疗机构、零售商店、餐厅以及一个关键的数据中心。不间断且按需供应的冷却系统对于所有单元的平稳运行至关重要。.

加滕卡雷现有的制冷系统设计绝非简单。它融合了多种技术，旨在实现最灵活、最节能的供热方式。其核心是三台吸收式制冷机，其优势在于无需使用昂贵的电力，而是可以利用环保的区域供热，甚至附近炼油厂的废热。此外，该系统还配备了一台传统的双压缩机压缩式制冷机，用于在高制冷需求或特定运行条件下运行；以及一座冷却塔，用于将多余的热量散发到环境中。.

尽管从根本上讲，通过组合不同的能源可以灵活应对制冷需求和室外温度，但卡尔斯鲁厄市政公用事业公司面临着一个共同的挑战：缺乏关于整个系统实际能耗以及各个组件之间相互作用的详细透明度。在实施智能解决方案之前，对效率的了解基本上仅限于年度平衡表。虽然可以在年底确定产生了多少兆瓦时的制冷量以及总共使用了多少电力和区域供热，但却无法详细分析哪个组件在什么时间消耗了多少能源，以及这种消耗是否与产生的制冷量达到最佳比例。市政公用事业公司的负责人恰如其分地将这种情况描述为一种“盲目飞行”，因为有针对性的优化潜力在很大程度上仍然隐藏着。.

项目目标：提高透明度并显著提升效率

因此，卡尔斯鲁厄市政公用事业部门的明确目标是消除这种缺乏透明度的局面。他们不仅希望发现潜在的节能机会，还希望主动、自动地实现这些节能措施。解决方案在于实施一套自动化能源系统管理系统。该系统由专业公司Factor4Solutions开发，基于人工智能软件，并运用了数字孪生技术。该系统的引入实现了对制冷系统的全新控制方式，并能进行高度精细的能源监控。.

软件和必要传感器的安装首次实现了制冷系统内所有能量流动的可视化和详细测量。冷冻水和冷却水的体积流量、系统各点的温度，以及从吸收器、压缩机、水泵到冷却塔等各个组件的精确能耗（电力和区域供热）等参数，现在都可以实时记录和分析。这一全面的数据基础是优化的关键。该软件现在可以持续分析哪些运行条件最经济。水泵控制就是一个简单而有效的优化潜力示例，它通过透明的数据采集得以展现。通常，制冷系统中的水泵无论实际需求如何，都以100%的流量运行。然而，详细分析表明，根据所需的制冷量和系统状况，通常只需60%甚至更低的流量即可满足需求。手动或始终如一地操作这些设备会导致大量不必要的电力消耗。.

制冷系统中一个常被忽视的问题，只有通过详细分析才能发现，那就是辅助设备的能耗。水泵、冷却塔风机或其他辅助设备的能耗有时可能与制冷机组相当甚至更高，尤其是在控制不理想的情况下。此外，许多系统的优化仅限于单个组件或理想化的运行状态，而这种理想状态在实际运行中很少能达到——通常不到总运行时间的3%。这导致大部分运行时间内大量电能被浪费。而针对性地改进所有系统组件之间的交互正是本解决方案的专长所在。.

六个月后：取得切实成果，潜力巨大

Factor4Solutions 的智能软件采用整体方法。它并非孤立地看待每个组件，而是将整个制冷系统视为一个动态单元。所有相关单元（例如冷水机、水泵、风扇等）的能耗都会被综合评估。这得益于对各个组件和整个系统的数字孪生模型的应用。数字孪生本质上是一个虚拟的、高精度的模型，能够实时反映真实系统。该模型使人工智能能够计算各种运行场景，并持续确定各个组件如何以最佳方式协同工作，从而实现系统效率的最大化。.

该系统不再按照预先设定的固定方案（例如，一台机器始终作为基础负荷运行，另一台机器始终作为峰值负荷运行）进行控制，而是根据实际需求动态控制。机组的选择和控制现在基于当前天气状况（室外温度）、实际制冷需求和已确定的能效。智能系统管理系统利用标准化的通信协议，选择性地激活和调节各个冷水机组和辅助机组的输出。最终，无论在何种负荷情况和环境条件下，系统都能实现最高能效运行。.

在卡尔斯鲁厄市政公用事业公司完成测试阶段并全面调试系统后不久，这种方法的有效性便显现出来。在切换到智能控制的头六个月内，该公司年度用电量显著下降——与上年同期相比节省了20%以上。效率的提升直接体现在运营成本上，并在短短六个月内就带来了数万美元的财务节省。.

但据专家称，这仅仅是个开始。在新控制系统运行的头六个月里，系统也曾部分或全部沿用旧的传统控制方式运行。智能解决方案的全部潜力需要在一个完整的年度周期内才能充分发挥，因为各种冷水机组（吸收式、压缩式、自然冷却式）的最佳运行模式很大程度上取决于季节、室外温度和具体的制冷需求。Factor4Solutions公司基于初始运行数据和数字孪生模拟计算得出，预计全年节能潜力超过40%。卡尔斯鲁厄市政公用事业公司正全力以赴实现这一宏伟目标。.

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这就是市政公用事业公司如何可持续地提高效率和降低成本的方法。

通过智能监控实现100%运行可靠性

除了纯粹的能源效率和成本降低之外，系统的运行可靠性对于像卡尔斯鲁厄市政公用事业公司 (Stadtwerke Karlsruhe) 这样的公用事业公司来说至关重要。尤其是在为数据中心供电时，即使是短暂的停机也可能造成严重后果，因此冷却系统的持续可用性绝对必不可少。智能解决方案在此方面提供了另一个关键优势：该系统不仅可以一次性设置并独立管理，而且还由供应商 Factor4Solutions 进行持续的远程监控、测试和优化。.

尽管卡尔斯鲁厄市政公用事业公司拥有自己的监控系统和合格人员，但Factor4Solutions专家团队提供的额外专业支持，凭借其在制冷技术和人工智能辅助系统优化方面的深厚知识，无疑是一项宝贵的补充。通过人工智能进行持续远程监控，该系统通常能够在异常或潜在问题导致故障之前就检测到它们。得益于数字孪生技术以及将当前运行数据与模型理想状态进行实时比较，偏差能够及早发现，客户可以主动获知即将发生的故障或必要的维护措施。这实现了预测性维护，避免了计划外停机。确保系统始终处于运行就绪状态对卡尔斯鲁厄市政公用事业公司至关重要，尤其因为该公司负有为位于GartenCarée的敏感数据中心提供制冷的合同义务。.

解决方案的引入和集成

从市政公用事业公司的角度来看，智能解决方案的引入和实施过程顺利，没有出现任何问题。与已负责该公司计量和控制技术的外部服务提供商的合作，在此过程中至关重要。.

双方共同确定并确认了软件安装所需的数据点。Factor4Solutions公司位于柏林，负责远程管理该解决方案。该公司事先已明确告知需要从工厂控制系统中获取哪些特定数据点，例如流量、温度以及热量和冷量计的精确读数。.

数据提供后，软件配置非常迅速。一天之内，系统基本完成设置，即可开始数据采集和初步分析。仅需四到六周，即可获得工厂数据的首次全面分析结果。基于该分析结果，系统可以进行进一步的微调。例如，明确了哪些额外的数据点有助于更精确的优化，并据此扩展和校准了系统。.

这种相对简单快捷的集成使得该技术在各种应用和行业中都具有根本性的吸引力，无论在哪里使用复杂的冷却系统并且需要提高其效率。.

快速摊销是扩大合作的有力论据

智能制冷优化带来的积极影响在卡尔斯鲁厄市政公用事业公司很快就显现出来，并且效果显著。尽管新的控制系统仅全面运行了六个月，但与上一年相比，年度能耗和制冷量对比显示效率显著提高，节能效果也十分明显。.

尤其令人鼓舞的是其经济效益：该系统的摊销期非常短。使用该软件的年度成本以及Factor4Solutions制冷专家提供的持续支持服务费用，均可被运行前五个月所实现的节能效益所抵消。这意味着从第六个月开始，该系统产生的净成本节约将超过其初始系统成本。如此快速的投资回报（ROI）有力地证明了采用此类技术的必要性。.

鉴于积极的合作经验和已证实的效率提升，卡尔斯鲁厄市政公用事业公司不仅考虑扩大与 Factor4Solutions 的合作，而且已经开始实施，也就不足为奇了。该公司另一套冷却系统目前也由这套智能系统进行管理和优化。此外，该公司还运营着许多其他规模和复杂程度各异的冷却系统，这些系统都可能适合使用人工智能解决方案进行优化。由于该技术已被证明具有灵活性，并且可以集成到几乎所有常见的冷却系统中，因此很有可能通过人工智能和数字孪生技术，在这些系统中实现更深入的分析、更高的透明度和更大的节能潜力。.

位于卡尔斯鲁厄的GartenCarée项目成功展现了现代数字技术——尤其是人工智能和数字孪生技术——如何革新制冷等传统高能耗行业的能源效率。通过将运营设施改造为透明、智能控制系统，能源供应商不仅可以显著降低运营成本，还能提高运营可靠性，并为降低能源消耗、保护气候做出重要贡献。卡尔斯鲁厄市政公用事业公司的成功案例表明，投资于智能、数据驱动的优化系统能够迅速收回成本，并为更可持续、更高效的能源供应铺平道路。最初超过20%的显著节能效果以及预计超过40%的节能潜力，凸显了能源系统智能控制和联网所蕴含的巨大潜力。.

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