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。