上海宸新節(jié)能科技有限公司 何培新

1 項目簡介

本案例的甲級智能商務(wù)樓宇位于陸家嘴地區(qū)，總建筑面積約60,000m2，其中商業(yè)建筑面積約5,500m2，辦公層建筑面積39,500m2。其冷機站由2臺York離心式冷機、1臺York螺桿式冷機、一臺板式交換器、5臺冷卻塔、4臺定速冷凍水泵、以及5臺冷卻水泵組成。冷機站采用兩管制一次泵設(shè)計方案，閥門可以進行遠程控制，但系統(tǒng)不能顯示冷凍水、冷卻水流量的數(shù)據(jù)。

冷機站采用常規(guī)BA管理系統(tǒng)軟件，原有設(shè)備的控制信號接入York的DDC(直接數(shù)字控制器)。并以自動或手動方式遠程控制各設(shè)備的運行狀況。冷機站控制系統(tǒng)可將部分運行參數(shù)送往大樓的樓宇自動化系統(tǒng)(Honeywell的EBI)，進行顯示。

冷機站每年的運行費用約為100萬元，運行時間為5月到10月，主要在辦公時間為大樓的辦公建筑提供冷源。

2 項目改造的預(yù)期效果

由于該系統(tǒng)在原設(shè)計中已經(jīng)比較精確地計算了建筑所需要的冷熱量，系統(tǒng)的運行也已經(jīng)處于滿負荷工作狀態(tài)，如在硬件上對設(shè)備進行節(jié)能改造，效果并不顯著。經(jīng)過綜合考慮和評估，我們認為，在冷機站上使用霍尼韋爾（Honeywell）軟件系統(tǒng)（以下簡稱“先進控制系統(tǒng)），可以提高冷機站的高效運行，達到節(jié)能的目的。根據(jù)目前的使用情況，現(xiàn)階段暫不考慮使用水泵變頻裝置。但在管道上留有接口，待系統(tǒng)投入使用一段時間后，根據(jù)實際使用情況，再作出是否需要變頻改造的評估。

通過本項目的技術(shù)改造，可以最大化地利用冷機站的現(xiàn)有設(shè)備；提高冷機站安全、自動、高效的運行水平；達到按用戶側(cè)的需要動態(tài)生產(chǎn)冷量的目的；實時收集冷機站運行數(shù)據(jù)；掌握系統(tǒng)設(shè)備維護信息；實現(xiàn)冷機站運行能耗較降低10%以上的節(jié)能目標。

3 項目實施方案

為了實現(xiàn)上述節(jié)能目標，冷機站在原有的常規(guī)BA軟件控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，安裝了霍尼韋爾（Honeywell）先進控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)需求側(cè)信息，輔助計算當前運行負荷水平和趨勢，采用仿真手段動態(tài)模擬冷機站各部分的工作狀況和性能，并在此基礎(chǔ)上采用動態(tài)優(yōu)化技術(shù)，在兼顧各種因素的同時，生成最安全、經(jīng)濟的冷機站運行方案。

3.1 先進控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

為完成先進控制系統(tǒng)的工作指令，系統(tǒng)安裝了有關(guān)電器設(shè)備，詳見表1。

3.2 冷機站設(shè)備及控制系統(tǒng)

根據(jù)先進控制系統(tǒng)的工作要求，在冷機站的工作室內(nèi)安裝控制柜，控制柜內(nèi)設(shè)有輸入輸出模塊以及控制器。通過輸入輸出模塊，冷機站的冷機、水泵等所有設(shè)備的控制和測量信號都接入控制器，控制器將各種數(shù)據(jù)送往冷機站先進控制系統(tǒng)工作站，并接受它發(fā)出的控制指令（遠程控制模式下），通過輸入輸出模塊送往各個執(zhí)行機構(gòu)。冷機站的運行原理見圖1。

4 冷機站配置先進控制系統(tǒng)

4.1 冷機站運行管理系統(tǒng)工作原理

冷機站運行管理軟件系統(tǒng)由兩部分組成，常規(guī)BA系統(tǒng)和Honeywell先進控制系統(tǒng)。設(shè)備的開啟、關(guān)停和水溫的設(shè)定等信息先輸入常規(guī)BA系統(tǒng)，再送入Honeywell先進控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將這些信號與有關(guān)信息進行優(yōu)化整合，生成高效的運行方案。

表1 先進控制系統(tǒng)電器設(shè)備一覽表

先進控制系統(tǒng)設(shè)有兩個模塊：應(yīng)用支撐平臺以及優(yōu)化控制模塊。前者主要負責與冷機站控制系統(tǒng)的雙向通訊，后者主要完成動態(tài)運行優(yōu)化。在運行過程中，由控制系統(tǒng)從各設(shè)備實時采集運行數(shù)據(jù)送往應(yīng)用支撐平臺，經(jīng)過平臺處理的數(shù)據(jù)再被送往優(yōu)化控制模塊，在這模塊區(qū)域，運行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成性能信號和負荷數(shù)據(jù)，而優(yōu)化控制模塊的優(yōu)化引擎以5分鐘的間隔，采集和參考有關(guān)數(shù)據(jù)，生成2小時或更長時間內(nèi)的優(yōu)化運行方案。這些數(shù)據(jù)信號再轉(zhuǎn)化成各種設(shè)備的控制命令，下傳至冷機站的各硬件設(shè)備。冷機站運行管理軟件系統(tǒng)工作原理見圖2。

4.2 先進控制系統(tǒng)工作原理

影響冷機站工作的可變因素諸多，負荷、能源價格、蓄冷與釋冷、設(shè)備性能等因素時刻影響能源的消耗。只有在未來一個時間段內(nèi)充分考慮這些因素的變化，才能保證冷機站在整個時間段內(nèi)總的運行效率最優(yōu)、成本最低。為此，先進控制系統(tǒng)采用了動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)技術(shù)，在動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)中的優(yōu)化引擎能夠綜合考慮各種時變因素，根據(jù)當前運行負荷及變化趨勢、設(shè)備的性能、能源的價格、用戶節(jié)能要求、設(shè)備維護計劃、系統(tǒng)的蓄冷等情況進行優(yōu)化，從而獲得初始運行方案。動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)工作原理見圖3。

先進控制系統(tǒng)的優(yōu)化能力是由優(yōu)化引擎和與其相密切配合的模擬仿真系統(tǒng)所實現(xiàn)的。首先，能夠求解復(fù)雜問題的優(yōu)化引擎“設(shè)計”出初始運行方案（涉及2小時或更長時間段內(nèi)各設(shè)備的啟停和工作點），送到具有自適應(yīng)能力的模擬仿真系統(tǒng)，處理該方案下冷機系統(tǒng)的運行能耗、輸出功率、水系統(tǒng)的溫度和流量變化以及末端的溫度變化，然后根據(jù)計算結(jié)果“改進”初始方案，再送到仿真系統(tǒng)。周而復(fù)始，直至獲得最佳運行方案。優(yōu)化原理詳見圖4。

仿真系統(tǒng)中的模型由靜態(tài)模型和動態(tài)模型組成，前者主要描述設(shè)備在各種工況條件下穩(wěn)定運行時的性能，后者主要描述各種因素與水溫或室溫變化率間的關(guān)系。冷凍水系統(tǒng)和建筑物本身也具有蓄熱/冷效應(yīng)（當制冷開始時，冷凍水水溫逐漸降低、而建筑物各處的溫度則以更緩慢的速度降低），只用靜態(tài)特性的模型技術(shù)是無法準確模擬和預(yù)測運行的情況，而全部采用動態(tài)模型會大大增加計算負擔。采用靜態(tài)為主，動態(tài)為輔的系統(tǒng)模型可以緩解這一矛盾。

無論是靜態(tài)模型還是動態(tài)模型都是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計方法建立的。由于主要設(shè)備（冷機、冷卻塔、水泵等）的性能以及末端對制冷/熱的反應(yīng)特性會隨著時間、環(huán)境、和維護水平的不同而發(fā)生變化，而一成不變的模型不能反映這些變化并可能導致無效或不可靠的優(yōu)化結(jié)果，所以仿真系統(tǒng)采用自適應(yīng)機制緩解這一問題。它在空閑時將最新的運行數(shù)據(jù)加入訓練樣本（當數(shù)據(jù)集合過大時，最舊的訓練數(shù)據(jù)將被剔除）然后重新建立相關(guān)模型。這種機制加上冷機和末端本身漸進式變化為主的特性，仿真系統(tǒng)中包含的模型能夠?qū)?yīng)側(cè)和需求側(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行較高精度的模擬仿真。圖5比較了某冷機COP的實際值和模擬值間的差別。

冷機站工作在一個充滿時變因素（負荷、能源價格、蓄冷與釋冷、設(shè)備性能等）的環(huán)境中，只有充分考慮未來一個時間段內(nèi)這些因素的變化才能保證冷機站在整個時間段內(nèi)總的運行效率最優(yōu)、成本最低。為此冷機站先進控制系統(tǒng)采用了動態(tài)優(yōu)化引擎（常用的動態(tài)優(yōu)化方法包括二次規(guī)劃、分支定界方法等）綜合考慮各種時變因素從而獲得最優(yōu)運行方案。下面表2從4個方面對比了動態(tài)優(yōu)化技術(shù)和靜態(tài)優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)劣。圖6介紹了兩種技術(shù)的工作范圍。

4.3 改造后的冷機站主要功能

通過以上先進控制系統(tǒng)工作原理的介紹，不難看出,裝有該系統(tǒng)的冷機站將有表3所示功能。

由于原理上的不同，先進控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)存在較多差異，表4總結(jié)了這些差異的不同點。

5 先進控制系統(tǒng)節(jié)能特點

表2 動態(tài)優(yōu)化技術(shù)和靜態(tài)優(yōu)化技術(shù)對比

○ 按需供應(yīng)。先控系統(tǒng)能夠參考需求側(cè)的溫度分布估計當前負荷需求，同時根據(jù)大氣溫濕度、時間等條件,通過檢索歷史數(shù)據(jù)獲得負荷的變化趨勢。按照實際需求安排冷量的生產(chǎn)，可以避免過量供應(yīng)造成的浪費。

○高效運行。先進控制系統(tǒng)在變化的環(huán)境中能夠根據(jù)外界情況、設(shè)備性能、以及冷機站整體性能，通過優(yōu)先選擇高效率的子系統(tǒng)或設(shè)備，盡量使系統(tǒng)工作在最優(yōu)區(qū)域，以最經(jīng)濟的方式生產(chǎn)所需的冷、熱量。

○智能管理。由于使用了優(yōu)化引擎和模擬仿真技術(shù)，先進控制系統(tǒng)能夠合理利用電價的變動、冷機站的蓄冷能力、建筑物和循環(huán)水系統(tǒng)的蓄冷特性，延長系統(tǒng)在最優(yōu)效率區(qū)間或者低電價時段的工作時間。

表3 冷機站主要功能一覽表

表4 先進控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)比較表

6 結(jié)語

樓宇節(jié)能改造項目可供選擇的技術(shù)途徑不少,可從硬件設(shè)備的技術(shù)改造做起，也可從軟件控制系統(tǒng)入手。多數(shù)節(jié)能服務(wù)公司可能更注重前者，而我公司努力探索后者的技術(shù)應(yīng)用研究。在項目的改造中保留原有的硬件設(shè)備，通過先進控制系統(tǒng)的運用，提高系統(tǒng)的節(jié)能效率。希望本案例的節(jié)能方式能為同行帶來一定的啟示。