智輔控（廈門(mén)）自控系統有限公司

1 引言

現代建筑中，空調系統制冷機房的耗電占具了大樓總電耗相當大的部分。為使制冷系統在滿(mǎn)足總負荷需求的前提下達到全年平均能耗效率，AVSCPE( ALL － Variable Speed Chiller PlantEfficiency，即制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔四者耗電量之和與制冷機提供的冷量的比值)≤0.80kW/RT。為此提出制冷機房群控系統集中管理和控制整個(gè)制冷機房?jì)鹊乃兄评湓O備、探測器及控制器，依據整體耗電量低的原則進(jìn)行整體節能優(yōu)化及確定佳運行策略。本文將以上海盧灣區太平橋126項目為實(shí)例簡(jiǎn)述制冷機房群控系統的高效節能控制方案。

2 工程概述

126 地塊占地面積1.18 萬(wàn)平方米，辦公樓、裙房和地下一、二層商鋪的空調總冷負荷為3538RT，選用4 臺900RT 的變頻離心冷水機組和1 臺400RT 螺桿冷水機組。滿(mǎn)負荷時(shí)運行4 臺900RT 的冷水機組，400RT的冷水機組晚間使用。

本項目機房配置如下：

冷源系統采用全變頻中央制冷系統，制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機均能變頻運行。系統在實(shí)際運行時(shí)，能依據末端實(shí)際負荷需求的變化自動(dòng)調節各設備的負載率以達到優(yōu)化運行。

3 節能控制思路

按照設計，該項目制冷機房全年十二個(gè)月均有運行。在工作日，寫(xiě)字樓部分主要負荷集中在早八點(diǎn)至晚六點(diǎn)的上班時(shí)間，夜間商業(yè)裙房及地下商場(chǎng)仍需求大量冷量；周末冷機需要不間斷運行，以滿(mǎn)足商場(chǎng)冷量的需求。冬季及過(guò)渡季節，5層至27 層的辦公區域可啟用辦公樓24小時(shí)空調冷卻水系統進(jìn)行冷卻塔自然冷卻。根據空調系統的運行特點(diǎn)可知，制冷機房常年處于運行在部分負荷工況，此工況下，冷凍水泵揚程偏高，冷卻水泵流量偏大，冷凍水供回水溫差在2 至3 度，系統處于小溫差大流量的狀態(tài)。

常規冷卻塔配置風(fēng)機為定頻風(fēng)機，長(cháng)期運行會(huì )出現以下主要問(wèn)題：(1)隨季節的變化，晝夜的溫差，環(huán)境溫度不斷變化，冷卻負荷也隨之變化，但定頻風(fēng)機轉速不可調節，造成能源浪費，增加運行成本。(2)啟動(dòng)困難，系統運行不穩定，冷卻風(fēng)機采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對電網(wǎng)有較大沖擊。

操作人員根據以往操作經(jīng)驗、水管溫度及壓力參數判斷系統的機組以及水泵運行臺數，并且水泵為定速運行(或為傳統的BA 控制，根據系統的供回水溫度控制制冷機組啟停，輔助設備與機組數量連鎖)。如為人工控制，則由操作人員手動(dòng)完成機組的自動(dòng)啟停、連鎖和保護等，很難考慮眾多影響系統效率的因素進(jìn)一步降低機房的能耗水平，也難以精確地按照實(shí)際需要生產(chǎn)冷量并在各區域間合理分配。針對上述機房所存在的問(wèn)題，采用制冷機房群控系統對整個(gè)機房進(jìn)行節能

控制，節能建議如下：

(1) 增加控制硬件設備，通過(guò)加裝必要的溫度、壓力和流量傳感器檢測制冷機房的各項指標，動(dòng)態(tài)更新空調系統真實(shí)的負荷需求，在此基礎上利用運行優(yōu)化技術(shù)以經(jīng)濟的方式控制機組產(chǎn)生所需的冷量，并根據室外的工況及室內的溫濕度狀況，優(yōu)化冷凍水和冷卻水的供水溫度。

(2) 空調負荷總是隨室外氣象參數以及室內負荷的變化而變化的，當系統供回水溫差一定的情況下，系統水流量是可變化的。由于空調負荷不斷在變化，如果水泵定流量運行，必然會(huì )造成大流量小溫差現象，導致能源浪費。因此為現有水泵安裝變頻器，這樣可實(shí)現在滿(mǎn)足末端負荷的前提下水泵自動(dòng)變頻，起到節約電量的目的。

(3) 為了設備安全穩定運行及降低運行成本，冷卻塔風(fēng)機進(jìn)行變頻軟啟動(dòng)，避免啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現自動(dòng)控制達到節能效果。

(4) 安裝制冷機房群控系統，制冷機房的耗能主要設備為冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔，機房的綜合能耗由每個(gè)單體設備的能耗累加而成，但是每個(gè)單體設備的能耗又受到多種因素的影響，并且各設備之間的運行會(huì )相互影響，通過(guò)群控系統尋找整個(gè)制冷機房的佳效率點(diǎn)，保證制冷機房能動(dòng)態(tài)地運行在佳效率點(diǎn)上實(shí)現佳節能目標。

4 節能控制系統

圖1 為群控系統圖，控制系統為兩層構架，上位機為工業(yè)控制計算機，負責整個(gè)控制策略的實(shí)現及整個(gè)機房運行狀態(tài)的監視，下位機為PLC，實(shí)現控制各相關(guān)設備的運行?？刂朴嬎銠C與PLC之間采用RS485 方式實(shí)現控制器以及監控主機之間的通訊。

中央控制計算機以各個(gè)設備模型為基礎，根據設備控制子站采集到的系統工況按照優(yōu)化算法進(jìn)行計算，找到能夠滿(mǎn)足此制冷負荷的、且整個(gè)冷熱水機房總能耗低(即整體效率高) 的工作狀態(tài)，并將計算結果傳遞給設備控制子站作為其執行的依據。另外，中央控制站的軟件界面承擔了機房日常運行管理的工作。設備控制子站以工業(yè)級別的PLC 控制器為基礎，執行中央控制站發(fā)出的指令，對冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔及相關(guān)執行機構實(shí)施控制。同時(shí)，控制子站通過(guò)相關(guān)傳感器采集系統運行參數，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至中央控制站參與優(yōu)化程序計算，使得整個(gè)制冷機房運行在效率高的狀態(tài)下。

4．1 傳感器、執行機構

(1) 制冷機房?jì)人到y管路需要增加的傳感器、執行機構包括：二次冷凍水供回水干管壓差傳感器；二次冷凍水回水干管溫度傳感器；二次冷凍水供水干管溫度傳感器；二次冷凍水回水干管流量傳感器；一次冷凍水供水干管流量傳感器；冷卻水回水總管流量傳感器；冷卻水供水總管溫度傳感器；冷卻水回水總管溫度傳感器；冷水機組蒸發(fā)器進(jìn)水管段電動(dòng)閥門(mén)及執行器；冷水機組冷凝器進(jìn)水管段電動(dòng)閥門(mén)及執行器。

(2) 辦公樓24 小時(shí)空調冷卻水系統管路需要增加的傳感器、執行機構包括：空調冷卻水供回水干管壓差傳感器; 空調冷卻水回水干管溫度傳感器；空調冷卻水供水干管溫度傳感器；空調冷卻水回水干管流量傳感器。

4.2 控制功能

實(shí)現冷凍機房綜合能耗低；冷水機組臺數控制；冷水機組智能化喘振保護；冷水機組冷凍水供水溫度重置；冷凍水泵變頻控制；冷凍水泵臺數控制；冷卻水泵變頻控制；冷卻水泵臺數控制；冷卻塔臺數控制；冷卻風(fēng)機變頻控制；冷卻水溫度重置；冷凍水旁通流量控制；冷水機組蒸發(fā)器側電動(dòng)蝶閥開(kāi)關(guān)控制；冷凍站全自動(dòng)加減機控制。

隨著(zhù)空調系統的負荷變化，通過(guò)溫度、流量傳感器的測得值反饋至群控系統進(jìn)行優(yōu)化控制，從而實(shí)現冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的臺數和變頻控制，實(shí)現冷凍機房綜合能耗低。

5 節能效果分析

現在空調系統使用情況，并結合上海地區歷年氣候特點(diǎn)及典型商場(chǎng)及寫(xiě)字樓空調負荷情況，模擬仿真得到制冷季期間該機房的逐時(shí)冷負荷。

可以看出，制冷機房運行時(shí)間長(cháng)，而炎熱的七八月份輸出冷負荷達到高值，需要運行三臺900RT 機組。通過(guò)群控模擬仿真計算得到的結果，控制策略下每月的耗電量均低于常規控制策略下的耗電量，圖3 為制冷機房?jì)?yōu)化群控系統與常規控制的逐月能耗對比圖。

采用優(yōu)化群控節能系統前后各設備能耗如表2。

優(yōu)化系統與常規控制各設備能耗對比如圖4。

各設備節能量占整體比重如圖5。

從以上圖表可以看到，126 地塊項目安裝節能優(yōu)化控制系統后，冷水機組的節能效果占總節能量的10%；而冷凍水泵和冷卻水泵通過(guò)加裝變頻器，并采用臺數控制，可使水泵始終運行在佳效率點(diǎn)附近，兩者的節能量占總節能量的74%；冷卻塔以整個(gè)冷凍機房能效高位控制目標，運行風(fēng)機自動(dòng)控制，節能量占總節能量的16%，為機房整體能效優(yōu)的目標服務(wù)的，保證冷水機組維持在比較低的冷凝溫度下，使冷水機組有更出色的表現。

6 結語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上分析模擬計算，針對本項目，采用制冷機房群控系統的高效節能控制方案可實(shí)現以下效果：(1) 經(jīng)濟效益：全年可節電880，002kWh，如果以電費費率1.00 元/kWh 計，每年可節省電費880，002 元。(2) 環(huán)境效益：每年可以節省355 噸標煤，減少CO2排放724 噸。(3) 控制功能提升：實(shí)現全自動(dòng)控制，無(wú)需人員參與操作。降低了對維護人員的技術(shù)要求以及操作故障的可能性，從而提高了冷水機房運行的安全性。