華 康（上海建科建筑節(jié)能技術(shù)股份有限公司，上海 200032）

隨著信息化技術(shù)普及，許多建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就加入了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)變頻技術(shù)結(jié)合自動(dòng)控制方案，將定流量系統(tǒng)改造成變流量系統(tǒng)，使得中央空調(diào)系統(tǒng)的泵組運(yùn)行跟隨著負(fù)荷的變換做出改變，達(dá)到一定程度上的節(jié)能。

但目前許多投入運(yùn)行3～5 a 的建筑，在實(shí)際管理過(guò)程中往往因?yàn)樽詣?dòng)控制模式運(yùn)行效果不理想或能耗效率低下等原因，放棄自動(dòng)化控制模式轉(zhuǎn)而采用人工控制。另一方面，目前的主流控制技術(shù)一般只針對(duì)單個(gè)環(huán)節(jié)（例：流量與溫差）進(jìn)行優(yōu)化控制，而無(wú)法讓整套中央空調(diào)系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。所以，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全局的優(yōu)化控制。這就不單只考慮某一臺(tái)冷水機(jī)組或者某一臺(tái)水泵，而是要對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

本文將介紹一種對(duì)空調(diào)系統(tǒng)開展全局能效尋優(yōu)控制的自控系統(tǒng)。本系統(tǒng)將提升整套空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，顯著提升節(jié)能效果；同時(shí)以某商業(yè)項(xiàng)目為例，通過(guò)在既有的中央空調(diào)系統(tǒng)中增加必要的傳感器、執(zhí)行器和控制柜，實(shí)現(xiàn)全局能效尋優(yōu)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，并對(duì)實(shí)際節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 中央空調(diào)全局能效尋優(yōu)控制系統(tǒng)的介紹

中央空調(diào)全局能效尋優(yōu)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱尋優(yōu)系統(tǒng)）由 4 個(gè)部分組成：（1）能源站監(jiān)測(cè)設(shè)備：在中央空調(diào)系統(tǒng)的能源站內(nèi)安裝大量的監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源站運(yùn)行的重要指標(biāo)，主要包括（不限于）：冷凍水流量與供回水溫度、冷卻水回水溫度、冷卻塔室外濕球溫度、主機(jī)實(shí)時(shí)功率、輸配水泵的實(shí)時(shí)功率等。（2）全樓分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)：在全樓安裝能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)全樓能源分類與分項(xiàng)的消耗情況，主要包括（不限于）：電、水、氣等，公共照明、電梯用電、分戶用電、廚房用水、廚房用氣等。如已有能源系統(tǒng)的樓宇則完善其能源監(jiān)測(cè)的種類與點(diǎn)位，并實(shí)時(shí)接入其能源消耗數(shù)據(jù)。（3）全局尋優(yōu)的計(jì)算軟件：根據(jù)能源站監(jiān)測(cè)設(shè)備和全樓分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)開展全局尋優(yōu)計(jì)算，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算和歷史數(shù)據(jù)模型分析，得出最優(yōu)控制策略并實(shí)時(shí)將最優(yōu)控制策略下達(dá)給執(zhí)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)控制。（4）執(zhí)行控制系統(tǒng)：由分布在中央空調(diào)控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的控制柜和控制器組成，用于執(zhí)行系統(tǒng)的控制策略。

2 中央空調(diào)全局能效尋優(yōu)控制系統(tǒng)的控制策略 簡(jiǎn)介

尋優(yōu)系統(tǒng)是以能源站各主要設(shè)備的性能曲線設(shè)定建立影響因子和影響系數(shù)，并結(jié)合每個(gè)能源站自身的實(shí)際情況建立基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型。實(shí)時(shí)采集中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和全樓分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的樓宇綜合用能數(shù)據(jù)開展多維模型數(shù)據(jù)計(jì)算，通過(guò)比較當(dāng)下執(zhí)行控制系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)與歷史策略執(zhí)行反饋數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)全局執(zhí)行策略的效果，并持續(xù)主動(dòng)開展下一次的全局尋優(yōu)控制策略制定。

2.1 能源站高效運(yùn)行的控制策略

能源站的能效提升是尋優(yōu)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)能源節(jié)省的最重要途徑。尋優(yōu)系統(tǒng)整體上遵循能源站全局能耗效率最優(yōu)的基本原則。能源站的主要耗能設(shè)備為主機(jī)組、冷凍水泵組、冷卻水泵組、冷卻塔組。能源站的綜合能耗由每個(gè)單體設(shè)備的能耗累加而成，每個(gè)單體設(shè)備的能耗又受到多種因素的影響。在項(xiàng)目執(zhí)行中，系統(tǒng)首先會(huì)設(shè)定一些基礎(chǔ)閾值，然后，根據(jù)能源站內(nèi)各設(shè)備的性能參數(shù)建立各自的能耗數(shù)學(xué)模型，隨之建立整個(gè)能源站的能效尋優(yōu)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。

在運(yùn)行時(shí)，控制計(jì)算機(jī)以定量時(shí)間步長(zhǎng)測(cè)量制冷（熱）負(fù)荷的實(shí)時(shí)值以及其他參數(shù)（溫度、壓力、室外工況、流量等），并據(jù)此進(jìn)行各能耗數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合求解，從多種參數(shù)運(yùn)行組合方式中找出能夠滿足此制冷（熱）負(fù)荷的，且整個(gè)能源站總能耗最低即整體效率最高的工作狀態(tài)。

2.2 能源站與末端系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)尋優(yōu)控制策略

能源站供給的唯一目標(biāo)就是滿足末端系統(tǒng)的需求。尋優(yōu)系統(tǒng)對(duì)于末端設(shè)備是以監(jiān)測(cè)為主，輔助少量控制手段。通過(guò)采集空調(diào)末端系統(tǒng)和全樓分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，開展需求分析預(yù)測(cè)，最終聯(lián)動(dòng)能源站實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)控制。在項(xiàng)目執(zhí)行中，系統(tǒng)首先會(huì)設(shè)定一些基礎(chǔ)限定項(xiàng)，用于控制空調(diào)末端系統(tǒng)的無(wú)效率行為。然后，尋優(yōu)系統(tǒng)需要建立末端系統(tǒng)需求量的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，分析采集的空調(diào)末端系統(tǒng)和全樓分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合末端系統(tǒng)風(fēng)水比和供冷量關(guān)系曲線，提取有效因子。

尋優(yōu)系統(tǒng)將根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)末端需求量的預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算最優(yōu)化的供給方案，預(yù)先按 105% 需求量給末端系統(tǒng)供給冷（熱）量，以保證末端使用的舒適性、時(shí)效性和全系統(tǒng)能耗的高效性。尋優(yōu)系統(tǒng)的目標(biāo)是提升能效而不是降低舒適度，不限制需求是末端側(cè)控制的基本原則。

2.3 尋優(yōu)系統(tǒng)的校核、采信與調(diào)整的簡(jiǎn)介

經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研工作發(fā)現(xiàn)，許多原建造時(shí)配置了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建筑經(jīng)過(guò) 3～5 a 的運(yùn)行，有不少建筑開始放棄自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)而實(shí)行人工管理。通過(guò)對(duì)部分系統(tǒng)開展測(cè)試，發(fā)現(xiàn)大量老系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)誤差較大等情況。系統(tǒng)根據(jù)不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)開展計(jì)算，制定控制策略并執(zhí)行，這就是大量建筑物轉(zhuǎn)用人工管理的原因。

(1) 校核：尋優(yōu)系統(tǒng)所有采集數(shù)據(jù)必須是雙重及以上的采集源。常規(guī)方案：建立兩套獨(dú)立的硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且同一系統(tǒng)環(huán)節(jié)需選擇不同的監(jiān)測(cè)位置。兩套硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用獨(dú)立的通信設(shè)備，且同時(shí)讀取具備通信條件的主設(shè)備內(nèi)置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。尋優(yōu)系統(tǒng)將采集到 2～3 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)數(shù)據(jù)一致性規(guī)則校核數(shù)據(jù)之間的準(zhǔn)確度，并判斷出有效數(shù)據(jù)、無(wú)效數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)。

(2) 采信：尋優(yōu)系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)計(jì)算、歸納、對(duì)比和分析異常數(shù)據(jù)的情況，并識(shí)別“偽異常數(shù)據(jù)”。將“偽異常數(shù)據(jù)”進(jìn)行軟件校準(zhǔn)，并歸入有效數(shù)據(jù)使用。例如：冷凍水回水溫度 A 1 點(diǎn)為 12℃、A 2 點(diǎn)為 15 ℃、A 3（冷機(jī)讀數(shù)）為 13 ℃，由于歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，冷凍水回水溫度 A 1=A 2=A 3－1 K。此時(shí)系統(tǒng)可以迅速采信 A 1 點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并仍然使用 A 3－1 K 開展校核，并對(duì) A 2 識(shí)別為故障。

(3) 調(diào)整：尋優(yōu)系統(tǒng)的最終目標(biāo)是提升空調(diào)系統(tǒng)能耗效率，尋優(yōu)系統(tǒng)在每次給出執(zhí)行策略后會(huì)記錄所有執(zhí)行器設(shè)定的參數(shù)和監(jiān)測(cè)設(shè)備反饋的能耗效率及末端使用情況，并將數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入至系統(tǒng)中開展自學(xué)習(xí)計(jì)算。系統(tǒng)可能會(huì)提出進(jìn)一步優(yōu)化的執(zhí)行策略，用于下次類似工況時(shí)執(zhí)行。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，系統(tǒng)將會(huì)不停地對(duì)比分析已執(zhí)行策略的效果，從而降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器精度的絕對(duì)依賴，并實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)優(yōu)化的策略升級(jí)。

3 案 例

3.1 項(xiàng)目概況

上海市某商業(yè)項(xiàng)目總建筑面積為 3.7 萬(wàn) m2，建筑共 5 層，地上 3 層，地下 2 層。夏季空調(diào)冷負(fù)荷為 5 150 kW，冬季空調(diào)熱負(fù)荷為 3 746 kW?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)備情況詳見(jiàn)表 1。

表1 上海市某商業(yè)項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備清單

3.2 硬件系統(tǒng)建設(shè)

首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，準(zhǔn)備了本項(xiàng)目需要加裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備，主要包括：必要的溫度、壓力和流量傳感器等能源站監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及主要耗能設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)儀表。利用這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，結(jié)合尋優(yōu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型和主要設(shè)備性能模型參數(shù)，一同進(jìn)行聯(lián)合求解。尋優(yōu)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)與執(zhí)行設(shè)備情況詳見(jiàn)表 2。

表2 尋優(yōu)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)與執(zhí)行設(shè)備清單

3.3 全局尋優(yōu)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

3.3.1 尋優(yōu)系統(tǒng)在能源站的應(yīng)用效果

尋優(yōu)系統(tǒng)根據(jù)本項(xiàng)目的有效因子和各因子的影響參數(shù)建立能源站能耗效率優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行、擬合、尋優(yōu)的策略調(diào)整，對(duì)能源站實(shí)現(xiàn)了 3 個(gè)方便的能效提升。

(1) 冷卻塔能效提升。尋優(yōu)系統(tǒng)通過(guò)建立冷卻塔能耗模型對(duì)冷卻塔進(jìn)行開啟臺(tái)數(shù)的控制。冷卻塔能耗模型基于冷卻塔的熱濕交換原理，計(jì)算出冷卻塔在不同進(jìn)水溫度、冷卻水流量、室外濕球溫度等不同工況下既能滿足排熱量需求，又能配合實(shí)現(xiàn)機(jī)房整體能效比最高的冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)。確定臺(tái)數(shù)后系統(tǒng)向冷卻塔風(fēng)機(jī)發(fā)出啟/停信號(hào)，并向冷卻塔進(jìn)水管上的電動(dòng)截止閥發(fā)出開/關(guān)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)控制。經(jīng)過(guò)電耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，有效提升冷卻塔能效 6.2%，預(yù)計(jì)全年節(jié)能量為 6 300 kWh。

(2) 冷機(jī)能效提升。通過(guò)傳感器提供的運(yùn)行參數(shù)，尋優(yōu)系統(tǒng)中的冷水機(jī)組能耗模型可以精確計(jì)算出冷水機(jī)組在不同的運(yùn)行工況，也就是不同冷水機(jī)組冷凍水進(jìn)出水溫、冷卻水進(jìn)出水溫、冷凍水流量、冷機(jī)負(fù)荷率之下的能效 COP，從而得到各種系統(tǒng)工況下冷水機(jī)組的能耗。尋優(yōu)系統(tǒng)基于優(yōu)化程序的能耗計(jì)算結(jié)果執(zhí)行冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)控制、加減機(jī)策略和冷凍水供水溫度的重置兩項(xiàng)功能。冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)控制（在滿足不同的冷負(fù)荷需求的前提下），以機(jī)房整體能效比最高為控制目標(biāo)，在不同運(yùn)行組合中尋優(yōu)而確定冷水機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，并進(jìn)行加減機(jī)判斷。冷凍水供回水溫度的重置在不同室外干球溫度條件下優(yōu)化選擇對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的冷凍水供水溫度，所選溫度即能對(duì)應(yīng)最低的冷凍機(jī)房整體能耗。這不僅進(jìn)一步為降低機(jī)房能耗提供機(jī)會(huì)，也同時(shí)確保了不同室外條件下的除濕要求。經(jīng)過(guò)電耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，有效提升冷機(jī)能效 9.5%，預(yù)計(jì)全年節(jié)能量為 198 500 kWh。

(3) 冷凍水泵和冷卻水泵能效提升?？照{(diào)負(fù)荷總是隨室外氣象參數(shù)以及室內(nèi)負(fù)荷的變化而變化，在系統(tǒng)供回水溫差一定的情況下，系統(tǒng)水流量是可變化的。由于空調(diào)負(fù)荷不斷在變化，如果水泵頻率不當(dāng)，會(huì)造成大流量小溫差現(xiàn)象，導(dǎo)致能源浪費(fèi)，所以降低冷凍水泵和冷卻水泵能耗的根本原則是調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)使冷凍水流量和空調(diào)負(fù)荷相匹配，使冷卻水流量和室外濕球溫度相匹配。

尋優(yōu)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)安裝在冷凍水管的輸入壓差信號(hào)對(duì)冷凍水泵進(jìn)行變頻調(diào)速。冷凍水泵壓差輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的是，全局優(yōu)化控制系統(tǒng)中的冷凍水泵能耗模型在計(jì)算了冷凍水泵不同的冷凍水流量、揚(yáng)程和運(yùn)行頻率等運(yùn)行工況下的能耗后，從不斷計(jì)算的結(jié)果中找出能耗最低的最優(yōu)工作點(diǎn)。根據(jù)該工作點(diǎn)以壓差控制的方式來(lái)進(jìn)行冷凍水泵變頻調(diào)速，達(dá)到重置需求流量的目的。同樣，冷卻水泵的臺(tái)數(shù)和運(yùn)行頻率控制也是基于流量?jī)?yōu)化及溫度控制來(lái)執(zhí)行的，以全局優(yōu)化控制系統(tǒng)中的冷卻水泵能耗模型算得的機(jī)房整體能效比最高為控制目標(biāo)來(lái)運(yùn)行的。經(jīng)過(guò)電耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，有效提升水泵能效 12%，預(yù)計(jì)全年節(jié)能量為 85 700 kWh。

3.3.2 尋優(yōu)系統(tǒng)在空調(diào)末端系統(tǒng)的應(yīng)用效果

對(duì)末端設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化主要是通過(guò)對(duì)末端的空氣處理機(jī)組和組合式新風(fēng)處理機(jī)組實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)對(duì)大于 11 kW 的風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻、對(duì)新風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量控制，利用全局的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步減少風(fēng)側(cè)和水側(cè)的能耗來(lái)實(shí)現(xiàn)的，綜合實(shí)現(xiàn)用能平衡，確保系統(tǒng)始終處于最高效率點(diǎn)。經(jīng)過(guò)電耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，有效提升水泵能效 3%～5%，預(yù)計(jì)全年節(jié)能量為 9 000～15 000 kWh。

3.3.3 尋優(yōu)系統(tǒng)全局聯(lián)動(dòng)預(yù)測(cè)計(jì)算的應(yīng)用效果

結(jié)合全樓分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)商鋪廚房用氣量、廚房用水量、末端系統(tǒng)送風(fēng)量、電梯運(yùn)行、實(shí)時(shí)室外溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)模型分析，尋優(yōu)系統(tǒng)建立了一個(gè)適用于本項(xiàng)目的末端需求預(yù)測(cè)模型。通過(guò)模型的計(jì)算與預(yù)測(cè)，事前制定供能策略。

結(jié)合末端需求預(yù)測(cè)模型提供的數(shù)據(jù)，尋優(yōu)系統(tǒng)對(duì)冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔能耗模型算法開展內(nèi)部建模仿真計(jì)算和外部運(yùn)行參數(shù)反饋修正；通過(guò)各種控制、優(yōu)化措施協(xié)調(diào)中央空調(diào)各設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行在一個(gè)整體能效最高的狀態(tài)；在積累一定量的運(yùn)行數(shù)據(jù)后還能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)全年商場(chǎng)在不同時(shí)段的冷熱負(fù)荷，從而作出預(yù)判以達(dá)到進(jìn)一步降低系統(tǒng)整體能耗的目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

中央空調(diào)系統(tǒng)較為復(fù)雜，其非線性程度高、時(shí)滯大、耦合大，系統(tǒng)的性能受到很多因素的影響，欲對(duì)其進(jìn)行有效地自動(dòng)控制并降低能耗并不容易。對(duì)自控系統(tǒng)改進(jìn)，通常是針對(duì)某個(gè)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，但是整體效果不佳，因此，本文提出了中央空調(diào)全局能效尋優(yōu)控制系統(tǒng)，以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)該系統(tǒng)的工作原理及控制策略進(jìn)行了詳細(xì)闡述。案例項(xiàng)目通過(guò)使用尋優(yōu)系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了每年 30 萬(wàn) KWh 電耗的節(jié)省，且對(duì)于整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全智能化的管理，極大地降低人員投入、提升了管理效率，為現(xiàn)有空調(diào)自控系統(tǒng)的改進(jìn)完善提供較好的參考價(jià)值，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全局節(jié)能有很好的樣本作用。