基于按需供冷的冷源群控系统设计与实现

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• 时间:2008-10-15
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关键词：冷源群控 按需供冷 节能管理

Abstract:Analyzed the composition and the energy saving ways of the chiller plants system. Programmed the applicable chiller plant control energy saving management programs, based on the new method of cooling on demand and the graphic function blocks of American ALC Corporation.The chilled water supply temperature reset optimization program, the chiller operating numbers control program, the chillers’ starting in proper order control program,the chillers management program and chilled pump frequency conversion control program are included. The feasibility and stability was tested and verified in the laboratory. The ideal effect was also achieved in the practical project.

Keywords:chiller plant control, cooling on demand, energy efficiency management

　　根据统计，发达国家的建筑物能耗已占全国总能耗的30%——45%左右，在民用建筑中暖通空调能耗达到65%，其中冷源系统能耗为空调能耗的主要部分。为保证建筑的舒适性要求，冷源系统从设计到运行均考虑较大的冷负荷余量，造成冷源冷量的供给与末端冷负荷需求之间能量匹配的矛盾越来越明显，导致冷源系统长期在低效率下运行，运行成本居高不下。因此，背靠当前BAS的发展水平，提高冷源系统的实用控制水平，提高冷源的运行效率，已成为迫切需要解决的问题。

1 冷源系统

　　1.1冷源系统基本构成

　　本文以宁夏某项目冷源系统为例说明其基本流程，如图1所示。该冷源系统主要设备包括：100冷吨螺杆冷水机组2台，300冷吨螺杆冷水机组1台。11kw冷却水泵3台（二用一备），11kw冷冻水泵3台（二用一备），32kw冷却水泵2台（一用一备），32kw冷冻水泵2台（一用一备）。100冷吨机组与300冷吨机组各有两台喷雾式冷却塔，其中300冷吨冷却塔内有风扇，冷冻站设集水器及分水器之间有压差旁通阀门。本冷源系统为典型的机泵一对一系统。

图1 冷源系统流程图

　　1.2冷源系统的节能途径

　　冷源系统的能耗主要由制冷机电耗、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机电耗构成。其主要节能途径有以下4种：①最大限度减少运行时间。②优化制冷机组冷凝与蒸发压力，减少此压力差必须提高冷冻水供水温度或降低冷却水温度。③多台冷机在部分负荷条件下运行时，应保证冷机处于高效区。④水泵的能耗约占空调系统总能耗的15-20%;由于冷源系统经常性处于部分负荷状态下工作，系统实际需水量也经常性的小于设计值。采用变流量系统，使输送能耗随流量的增减而增减，具有显著的节能效益。

2 按需供冷控制原理

　　按需供冷是指从能源统一管理的角度出发，根据用户对冷量的实际需求，对冷源系统的设备实行节能控制。从图2可以看出，控制系统利用网络控制技术，对末端设备、冷水用户和冷源进行监控，冷需求和用冷时间请求呈链状传递。

图2 按需供冷控制框图

　　末端用户（如VAV BOX）根据控制区域温度及风阀的开度状况，计算冷需求和用冷时间请求传递给上级空调机组;空调机组（AHU）根据下级冷需求设定送风温度，与实测值比较后，通过PID算法控制盘管水阀开度。AHU的冷需求计算方法为当水阀开度超过90%时，记为1;当室温为警告高温（25.6℃），记为2;室温为准高温（24.4-25.6℃），记为1;三者累加，代表冷需求;用冷时间计算是按照一定的方式表示用冷时间，区分出是工作时间用冷，还是非工作时间用冷，并作为网络变量传播给上级冷源系统。冷源统计来自所有AHU等用户的冷需求和用冷时间请求，来确定制冷机的优化启停，重新设定冷冻水的供水温度和调整加压泵的转速。

3 冷源群控节能管理系统的设计与实现

　　3.1冷源群控节能管理程序框架

　　本文根据按需供冷的控制原理，采用美国奥莱斯公司的控制模块库，编制了冷源群控节能管理程序，主要任务是：①统计来自冷水用户的冷需求和用冷时间请求，确定冷源是否投入运行;②根据冷负荷控制冷机的运行台数;③提供给各台冷机均等的工作机会，并且互为备用④监视所有冷机的工作状态，故障状态，启动的先后顺序;⑤根据用户冷需求设定冷冻水的供水温度。⑥确定冷冻泵的启停，并按用户冷需求进行变频控制。框架如图3所示。

图3 冷源群控节能管理程序框架

　　3.2程序核心模块的实现

　　3.2.1按冷需求优化设定冷冻水供水温度

　　通过楼控网络收集来自各冷水用户的冷需求并累加求和，即成为整个系统的冷需求;选择各冷水用户的用冷时间请求的最大值，即成为整个系统的用冷时间请求。在核心模块STPT中根据供冷需求的次数不断对冷冻水供水温度设定值进行优化调整，当冷需求次数=0时，提高供水温度设定值0.25℃;当冷需求次数#gt;0，根据冷需求数量降低冷冻水供水温度设定值，每次降低值最大不超过1℃;在任何情况下，冷冻水供水温度设定值不得超出允许范围;在冷机全部停机或系统重起时，冷冻水供水温度设定值恢复规定的初始值。程序见图4

图4 冷需求法优化设定冷冻水供水温度程序模块

　　3.2.2制冷机群控管理

　　制冷机群控管理的主要目的是根据冷负荷控制冷机的运行台数，以保证各台冷机都处于高效工作区间，同时监视所有冷机的工作状态、故障状态和启动的先后顺序，提供给各台冷机均等的工作机会，并且互为备用。包括以下三个核心的程序模块：

　　（1）各台冷机管理程序模块

　　各台冷机管理程序模块的主要功能是比较并处理发送给各台冷机的启动信号与制冷机控制程序反馈的运行信号。当出现冷机掉电、启动失败或处于维护状态时，停止给冷机的启动信号，发出相应事件通知。初始启动时，为避免多台机组同时启动造成电力负荷涌浪，应错开各台启动的延时时间30秒。冷机启动失败后，用户可以通过软件开关重新启动。累计冷机运行时间，当超过设定值时，发出需要维护的事件通知。

　　（2）冷机启动顺序循环程序模块

　　该程序模块的主要功能为确定冷机启动顺序和控制启动顺序循环，以保证各台冷机均等的工作机会。例如：有三台冷机按1、2、3编号，启动顺序分为123、321、231三种。管理人员可选择手动循环、冷机的累计运行时间和定时循环三种方式来控制冷机启动顺序循环，同时也可以手动超越单台启停冷机。

　　（3）制冷机运行台数控制程序模块

　　制冷机做为空调系统的核心设备，台数优化控制是节能的关键。例如：有3台离心式冷水机组，单台只能通过调整出口导叶进行能量调节，当系统在低负荷时，会导致三台机组都工作在低效区间，造成能量浪费。因此，制冷机台数控制程序模块采用负荷控制法，其基本思路是在冷冻水供回水干管上安装温度传感器，在回水干管上安装流量传感器，计算实时冷负荷。其计算公式为Q=C×G×（T3-T1） 式中：Q为冷负荷，C为水的比热系数;M为总管流量，T1、T3分别是供水、回水温度。当实时冷负荷大于机组额定产冷能力的85%，且冷冻水供水温度大于12℃的时候，则激活相应的负荷阶段运行条件，阶梯增加制冷机的运行台数，从而使制冷量与负荷相匹配。当相应的负荷阶段运行条件消失的时候，相应减少制冷机的运行台数。需要注意的是为了保证系统的运行稳定，必须使用平滑程序，限制负荷变化率不大于3KW/5秒，防止负荷值突变引起冷机不必要的启停，增减冷机运行台数的时间间隔最小不少于10分钟，避免冷机频繁启动;管理人员可以超越锁定制冷机的运行台数，当冷机启动失败后，系统将自动启动其它冷机。程序见图5

图5 冷机运行台数控制程序

　　3.2.3按冷需求对冷冻泵变频控制

　　制冷机和冷冻水泵为一对一关系，由冷机群控管理程序根据制冷机启停状态确定水泵的启停。同时根据来自用户的冷需求和用冷时间统计对运行的水泵进行变频控制，以达到节能的目的。当接受冷机群控管理程序中的启动指令，并且冷需求#gt;3时，冷冻水泵投入运行。使用设定值优化模块来设定水泵转速。初始启动时，水泵的转速设置为50%;当冷需求=0时，降低水泵转速5%;当冷需求#gt;1，根据冷需求数量提高水泵转速，每次提高值最大不超过10%;程序中使用平滑增减模块，限制水泵的转速变化率不大于每秒1%，以保证运行稳定。程序见图6

图6冷冻水泵按需调速控制程序

4 结论

　　本文从能源统一管理的思路出发，依据按需供冷的控制新方法，编制了上述简明的冷源群控节能管理程序，适当使用“时间延迟”、“平滑增减”、“上下限保护”、“信号最小保持时间”等模块，利用这些功能保证系统运行控制稳定，同时引入部分经验数值，使控制程序具备了实际应用的价值。利用WebCTRL/ALC系统的实验平台，将编制的控制程序进行了模拟调试，验证了程序的稳定性。2004年将研究的上述程序模块应用在宁夏某智能化项目中，对三台冷水机组进行节能控制，控制系统能够适时的加载和卸载，并使冷机的出水温度一直保持在出水温度设定值很小的范围内波动，体现了很好的控制精度，达到了预期的功能要求，同时也为的冷源群控设计提供了宝贵的第一手资料。

　　本文作者创新点：提出了基于按需供冷的冷源群控节能管理新方法，并采用楼宇自控组态软件编制了简明实用的核心程序模块，在实际工程应用中取得了很好的控制效果。

参考文献

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　　[3]邢丽娟，杨世忠.中央空调系统的节能措施[J] .微计算机信息.2006，10-1：63-65