蒯標(biāo) 嚴(yán)燕

1 杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司

2 特靈空調(diào)系統(tǒng)（中國）有限公司

在現(xiàn)代智能建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為建筑物非常重要的組成部分，它給人們提供了舒適的工作、生活、休閑環(huán)境。據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料表明，空調(diào)系統(tǒng)在提供人們舒適環(huán)境的同時，也消耗大量的寶貴能源，通常，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量會占到整幢建筑物耗電量的50%甚至更多，而制冷主機(jī)及其輔助設(shè)備，如冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等的耗電量會占到整個空調(diào)系統(tǒng)耗電量的80%以上。通過中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中央冷源系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行，對降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用、提高營運(yùn)效益是非常重要的[1]。本文以具體項目介紹了Trane 公司Tracer SC+樓控系統(tǒng)在中央空調(diào)群控系統(tǒng)中節(jié)能方面的應(yīng)用。

1 杭州某產(chǎn)業(yè)園冷源系統(tǒng)概況

本項目為軟件生產(chǎn)調(diào)試中心，整個園區(qū)的空調(diào)冷熱源集中設(shè)置在本單體地下一層北側(cè)的能源中心內(nèi)。園區(qū)內(nèi)各單體的空調(diào)冷熱源由能源中心提供。本項目夏季冷負(fù)荷14235 kW，空調(diào)冷源系統(tǒng)采用設(shè)計三臺4044kW（1150RT）離心式冷水機(jī)組，兩臺制冷量2100 kW（600RT）離心式冷水機(jī)組。項目冷源系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 冷源系統(tǒng)圖

2 冷機(jī)群控系統(tǒng)控制策略

冷機(jī)群控系統(tǒng)的核心是群控策略，也就是控制邏輯，依據(jù)建筑物的空調(diào)負(fù)荷需求，自動調(diào)節(jié)優(yōu)化控制多臺冷水機(jī)組及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行，使機(jī)組制冷能力與系統(tǒng)負(fù)荷相匹配。

機(jī)組優(yōu)化的目的是為了使整個系統(tǒng)能耗最低，因此不僅要考慮冷水機(jī)組的能耗，還要考慮其附屬設(shè)備如冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵的能耗。

每臺冷凍機(jī)仍由機(jī)載控制器控制，所有就地的故障，安全及機(jī)械控制仍由控制器完成。而集中控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)冷凍機(jī)運(yùn)行，完成系統(tǒng)冷凍水的控制。系統(tǒng)的實(shí)際能力由機(jī)房控制和系統(tǒng)設(shè)備的能力共同決定。

2.1 監(jiān)控內(nèi)容

系統(tǒng)主要監(jiān)控對象包括冷水機(jī)組，冷凍水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)和壓差旁通系統(tǒng)。具體監(jiān)控內(nèi)容：冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的運(yùn)行狀態(tài)、故障、手自動情況并控制啟停；冷凍水總供回水溫度、壓力和各棟樓房回水溫度、壓力；冷凍水總管回水流量和系統(tǒng)負(fù)荷；冷卻水總管回水流量；旁通閥開度；冷機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵累計運(yùn)行時間；各閥門開關(guān)狀態(tài)。

2.2 設(shè)備啟停順序策略

制冷機(jī)組起動順序：開（加）機(jī)指令---制冷機(jī)組冷凝器側(cè)電動蝶閥打開---對應(yīng)冷卻水泵啟動---冷卻塔按程序投入運(yùn)行---冷凝器側(cè)水流狀態(tài)確認(rèn)---制冷機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)電動蝶閥打開---對應(yīng)冷凍水一次泵打開---蒸發(fā)器側(cè)水流狀態(tài)確認(rèn)---制冷主機(jī)開啟

制冷機(jī)組停機(jī)順序：關(guān)（減）機(jī)指令---制冷主機(jī)卸載至關(guān)閉---延時10 分鐘（可調(diào)）對應(yīng)冷凍水一次泵關(guān)停---制冷機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)電動蝶閥關(guān)閉---對應(yīng)冷卻水泵關(guān)停---冷卻塔關(guān)閉---制冷機(jī)組冷凝側(cè)電動蝶閥關(guān)閉

2.3 制冷機(jī)組軟啟動與軟關(guān)機(jī)控制

在系統(tǒng)冷凍水供水溫度遠(yuǎn)離其設(shè)定點(diǎn)時，軟啟動模式能夠防止系統(tǒng)產(chǎn)生過多冷量。例如，在冷凍機(jī)在周一早晨初次啟動時，冷凍水管中的滯留水溫較高，可能會錯誤地計算出高于實(shí)際需求的系統(tǒng)冷負(fù)荷。軟啟動功能可確保冷水機(jī)房緩慢的加載，防止過快地產(chǎn)生過多冷量。

軟啟動的機(jī)理是限制冷凍機(jī)的電流。在軟啟動模式下，冷凍機(jī)卸載啟動，直到有一個加機(jī)要求冷凍機(jī)才被允許運(yùn)轉(zhuǎn)于全冷量狀態(tài)。

在軟啟動模式下的加機(jī)算法與正常模式下的不同。在軟啟動模式，冷水機(jī)房群控監(jiān)測系統(tǒng)回水溫度，如果這個溫度下降的速率不夠快，這就意味著需要更多冷量。冷水機(jī)房群控持續(xù)檢測每分鐘回水溫度的變化，如果變化率不大于操作人員的輸入值，加機(jī)定時器開始工作[2]。

為了避免制冷主機(jī)在啟動和停止時對電網(wǎng)造成巨大沖擊，確保制冷主機(jī)和配電站的安全，制冷主機(jī)在啟動與關(guān)機(jī)時采用“軟啟動”與“軟關(guān)機(jī)”控制。

在加載制冷主機(jī)時采用“軟啟動”模式，中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)在收到加機(jī)信號后，首先降低運(yùn)行制冷主機(jī)的運(yùn)行工況，然后啟動下一臺制冷主機(jī)，最后將多臺制冷主機(jī)同時加大運(yùn)行工況。

在減載制冷主機(jī)時采用“軟關(guān)機(jī)”模式，中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)在收到減機(jī)信號后，首先降低了多臺制冷主機(jī)的運(yùn)行工況，然后停止列入減機(jī)序列的制冷主機(jī)。

2.4 制冷機(jī)的加減機(jī)控制

本項目設(shè)計制冷機(jī)組加載控制原則：以壓縮機(jī)運(yùn)行電流作為加載制冷機(jī)組的依據(jù)。當(dāng)制冷主機(jī)運(yùn)行電流與額定電流的百分比大于100%，并保持15 分鐘后或此比例5 分鐘內(nèi)持續(xù)增大時，系統(tǒng)加載一臺制冷主機(jī)。加載時優(yōu)先加載小容量制冷主機(jī)，如小容量制冷主機(jī)已全部處于運(yùn)行狀態(tài)，則啟動大容量制冷主機(jī)。

加載的制冷機(jī)組與已運(yùn)行的制冷機(jī)組當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行，無論制冷機(jī)組容量匹配與否，運(yùn)行電流與額定運(yùn)行電流比值要保持一致。

本次提供兩種制冷主機(jī)的降載依據(jù)：

1）根據(jù)溫度的減機(jī)邏輯檢測系統(tǒng)實(shí)際供回水溫差ΔTa。當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際供回水溫差ΔTa小于系統(tǒng)設(shè)計的供回水溫差ΔTd時，系統(tǒng)發(fā)出一個減機(jī)請求。如果減機(jī)請求持續(xù)存在達(dá)到減機(jī)延遲時間時，一臺冷凍機(jī)被減去。降載后，處于運(yùn)行狀態(tài)的制冷主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，無論制冷主機(jī)容量匹配與否，運(yùn)行電流與額定運(yùn)行電流比值需要保持一致[3]。

2）制冷主機(jī)減機(jī)的依據(jù)取決于制冷機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行電流，按當(dāng)前計算制冷主機(jī)平均運(yùn)行電流卸機(jī)。

本項目制冷主機(jī)為1150RT×3 臺，600RT×2 臺。其制冷主機(jī)減機(jī)策略如下：

1）當(dāng)5 臺制冷機(jī)組（1150RT×3+600RT×2）同時運(yùn)行電流低于87%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1 臺600RT 制冷主機(jī)。

2）當(dāng)4 臺制冷機(jī)組（1150RT×3+600RT×1）的運(yùn)行電流低于85%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1 臺600RT 制冷主機(jī)。

3）當(dāng)4 臺制冷機(jī)組（1150RT×2+600RT×2）的運(yùn)行電流低于82%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1 臺600RT 制冷主機(jī)。

4）當(dāng)3 臺制冷機(jī)組（1150RT×3）的運(yùn)行電流低于84%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1150RT 制冷主機(jī)，同時加載600RT 制冷主機(jī)。

5）當(dāng)3 臺制冷機(jī)組（1150RT×2+600RT×1）的運(yùn)行電流低于79%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除600RT 制冷主機(jī)。

6）當(dāng)3 臺制冷機(jī)組（1150RT×1+600RT×2）的運(yùn)行電流低于74%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除600RT 制冷主機(jī)。

7）當(dāng)2 臺制冷機(jī)組（1150RT×2）的運(yùn)行電流低于76%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1150RT 制冷主機(jī)，同時加載600RT 制冷主機(jī)。

8）當(dāng)2 臺制冷機(jī)組（1150RT×1+600RT×1）的運(yùn)行電流低于65%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除600RT 制冷主機(jī)。

9）當(dāng)1 臺制冷機(jī)組（1150RT×1）的運(yùn)行電流低于52%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1150RT 制冷主機(jī)，同時加載600RT 制冷主機(jī)。

10）當(dāng)唯一運(yùn)行的600RT 制冷機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷低于10%時，關(guān)閉該制冷主機(jī)，如供水溫度在7 ℃以上并保持15 分鐘重啟600RT 制冷主機(jī)。

2.5 冷凍水泵控制

本項目一次冷凍水泵與冷水主機(jī)一一對應(yīng)運(yùn)行，均為變頻控制，小機(jī)組二用一備，互為備用。大機(jī)組三用一備。在互為備用的水泵中，根據(jù)“均等運(yùn)行時間”原則順序啟停各臺水泵。

根據(jù)末端最不利端壓力差PID 調(diào)節(jié)冷凍水泵頻率，當(dāng)末端最不利端壓力差變大時，相應(yīng)的減少所開冷凍水泵的頻率。當(dāng)末端最不利端壓力差變小時，相應(yīng)的增加所開冷凍水泵的頻率。

根據(jù)冷凍機(jī)和冷凍水泵性能特性限定變頻水泵最低頻率，其中大機(jī)1150RT 機(jī)組對應(yīng)水泵最小頻率設(shè)置為25Hz，小機(jī)600RT 機(jī)組對應(yīng)水泵最小頻率設(shè)置為30Hz。

此項目設(shè)計制冷主機(jī)與冷凍水泵相互對應(yīng)，冷凍水泵的開啟臺數(shù)按照對應(yīng)的制冷主機(jī)的開啟臺數(shù)來決定。

2.6 冷卻水泵控制

本項目冷卻水泵與冷水主機(jī)一一對應(yīng)運(yùn)行，小機(jī)組二用一備，互為備用。大機(jī)組三用一備。在互為備用的水泵中，根據(jù)“均等運(yùn)行時間”的原則順序啟停各臺水泵。

通過獲取冷水機(jī)組冷凝溫度或壓力變頻調(diào)節(jié)水泵流量與設(shè)定值對應(yīng)，并通過冷水機(jī)組冷凝溫度或壓力情況調(diào)節(jié)水泵流量。

根據(jù)冷凍機(jī)和冷凍水泵性能特性限定變頻水泵最低頻率，其中大機(jī)1150RT 機(jī)組對應(yīng)水泵最小頻率設(shè)置為30Hz，小機(jī)600RT 機(jī)組對應(yīng)水泵最小頻率設(shè)置為40Hz。

此項目設(shè)計制冷主機(jī)與冷凍水泵相互對應(yīng)，冷卻水泵的開啟臺數(shù)按照對應(yīng)的制冷主機(jī)的開啟臺數(shù)來決定。

2.7 冷卻塔的優(yōu)化控制

此次項目設(shè)置了4 臺冷卻塔，每臺冷卻塔含兩臺變頻風(fēng)機(jī)，每臺塔進(jìn)出水分別設(shè)置兩個電動開關(guān)閥門。冷卻塔進(jìn)出水管上的電動開關(guān)閥與冷卻塔的啟停連鎖：冷卻塔開，其對應(yīng)的電動閥門開。冷卻塔關(guān)，其對應(yīng)的電動閥門關(guān)。

控制系統(tǒng)將根據(jù)冷卻水供水溫度，通過調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)的開啟臺數(shù)及頻率運(yùn)行，調(diào)節(jié)換熱，來保證冷卻水的供水溫度，為冷水機(jī)組高效運(yùn)行創(chuàng)造良好的環(huán)境。

冷卻水供水溫度直接影響冷凍機(jī)制冷效率。冷卻水供水溫度越低，則制冷機(jī)效率越高，其耗電量將會越低。但是，降低冷卻水溫度，卻會引起冷卻水塔的能耗升高。所以，要想達(dá)到主機(jī)和冷卻塔綜合能耗最低，必須找到最佳的冷卻水供水溫度。

冷卻水溫的調(diào)節(jié)有許多方法，通常多采用冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻控制。根據(jù)變頻風(fēng)機(jī)的節(jié)能原理，低速運(yùn)行是冷卻塔本身節(jié)能所在。故此次項目冷卻塔優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)方法如下：

1）在室外安裝室外濕球溫度傳感器，根據(jù)系統(tǒng)的計算，計算出此時的最優(yōu)化的冷卻水的溫度設(shè)定值。

2）當(dāng)系統(tǒng)啟動時，一臺風(fēng)機(jī)先以最低頻率啟動，如果不能滿足最優(yōu)化的冷卻水的溫度，則第二臺、第三臺……依次以最低頻率加入。如果此時冷卻水溫度仍未到設(shè)定值，所有風(fēng)機(jī)同頻上升來加大風(fēng)量，直至達(dá)到計算的最優(yōu)化的冷卻水的溫度設(shè)定值。

3）當(dāng)工況發(fā)生變化，計算出的最優(yōu)化的冷卻水的溫度設(shè)定值高于冷卻水的實(shí)際溫度時，全部風(fēng)機(jī)同步降頻來維持冷卻水的溫度，以滿足最優(yōu)化溫度要求。當(dāng)所有風(fēng)機(jī)都處在最低頻率時（因為所有風(fēng)機(jī)同步動作，所以同時處在最低頻率），如果還有降頻的需求，則依次關(guān)閉一臺風(fēng)機(jī)，直至冷卻塔風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉。

3 空調(diào)群控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本次方案設(shè)計選用TRANE Tracer SC+系統(tǒng)作為本項目中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)（以下簡稱CCS）平臺，該系統(tǒng)采用管理層網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)（控制器）兩級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，全以太網(wǎng)的架構(gòu)最大的保證了系統(tǒng)的通信的速率和可靠性。

系統(tǒng)在冷凍站值班機(jī)房設(shè)Tracer CCS 監(jiān)控管理主機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)控點(diǎn)位配置TRANE Tracer SC+系統(tǒng)控制器與Tracer UC600 現(xiàn)場智能控制器及配套的XM I/O 點(diǎn)擴(kuò)展模塊。整個系統(tǒng)經(jīng)通信網(wǎng)關(guān)把群控數(shù)據(jù)給到園區(qū)的BA 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本方案設(shè)計在考慮系統(tǒng)硬件配置時，除滿足方案目前需要以外，對于DDC 控制器及其擴(kuò)展模塊上的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量，考慮了大約10%左右的備用量，作為將來可能的調(diào)整及設(shè)備增加之用。

TRANE Tracer SC+系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

TRANE Tracer 系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（IEEE802.3）作為物理標(biāo)準(zhǔn)，TCP/IP 為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，并采用Windows XP/Windows 7 作為操作系統(tǒng)。

TRANE Tracer 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置遵循分散控制，集中監(jiān)視，資源和信息共享的基本原則，是一個工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的集散型控制系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

此系統(tǒng)2019 年正式投入使用，經(jīng)過近兩個供冷季的運(yùn)行驗證，運(yùn)行效果很好，各方面達(dá)到設(shè)計預(yù)期。合理的冷機(jī)群控策略是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的關(guān)鍵，對實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排有著重大意義。冷機(jī)群控系統(tǒng)影響因素復(fù)雜，考慮不確定性因素的影響，合理設(shè)置控制閾值，能有效提高群控的可靠性和系統(tǒng)的能效性。隨著樓宇自控技術(shù)的發(fā)展，通過樓宇自控系統(tǒng)這個平臺對冷凍機(jī)房實(shí)現(xiàn)集中控制和統(tǒng)一管理，對空調(diào)系統(tǒng)中制冷主機(jī)、水泵、冷卻塔等設(shè)備統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)各機(jī)電設(shè)備的有效協(xié)同控制，才能實(shí)現(xiàn)整個空調(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。