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綜合實驗大樓冷源系統相關設備的自動化監控論文
引言
智能建筑中最基本、最重要的組成部分是樓宇自動化系統（Building Automation System,簡稱BAS），BAS通過網絡進行綜合的控制與管理，在一個控制網絡系統上連接大樓內的各種設備，它結合計算機網絡、自動控制和通信技術，確保在建筑物內保持一個舒適和安全的辦公環境，同時實現高效節能。
在綜合實驗用房項目中，整個中央空調系統的能耗約占整個建筑能耗的60%左右，而其中冷水機組約占整個中央空調系統能耗的65%左右，冷卻塔及水泵約占15%左右，整個冷水系統設備占整個建筑年總能耗的48%.冷源系統是空調系統中最重要的核心環節，是空調系統制冷的源頭，也是消耗電能最大的地方。實現冷源系統節能、高效穩定運行的一個非常有效的技術手段就是利用自動控制技術對冷源系統相關設備（冷水機組、冷凍冷卻水泵、冷卻塔、閥門）進行自動化的監控，使系統達到最高效率的運行。
本項目綜合實驗樓是集辦公、試驗等為一體的多功能綜合業務樓，由主樓（地上27層、地下2層）和南裙樓（地上3層、地下2層）、北裙樓（地上3層、地下2層）組成。
1 冷源系統控制功能。
系統監控點：（1）冷凍水供回水溫度（AI）；（2） 冷凍水供回水壓力（AI）；（3） 冷凍水供水流量（AI）；（4） 冷凍水供回水壓差旁通閥閥門控制（AO）；（5） 冷卻水供回水溫度（AI）；（6） 冷卻水供回水旁通閥開關控制（DO）；（7） 冷卻水泵手自動開關狀態監測（DI）；（8） 冷卻水泵運行狀態監測（DI）；（9） 冷卻水泵故障報警監測（DI）；（10） 冷卻水泵出口水流狀態監測（DI）；（11） 冷卻水泵啟�？刂疲―O）；（12） 冷凍水泵手自動開關狀態監測（DI）；（13） 冷凍水泵運行狀態監測（DI）；（14） 冷凍水泵故障報警監測（DI）；（15） 冷凍水泵出口水流狀態監測（DI）；（16） 冷凍水泵啟�？刂疲―O）；（17）冷卻塔回水管閥門開關控制（DO）；（18） 冷卻塔回水管溫度監測（AI）；（19） 冷卻塔手自動開關狀態監測（DI）；（20） 冷卻塔運行狀態監測（DI）；（21）冷卻塔故障報警監測（DI）；（22） 冷卻塔啟停控制（DO）系統控制功能：（1） 監測冷凍、冷卻水供回水溫度、冷凍水供回水壓力和供水流量； （2） 冷負荷需求計算：根據冷凍水供、回水溫度和供水流量測量值，計算建筑空調實際所需的冷負荷量，并可決定開啟冷水機組的數量；（3） 冷水機組啟停聯動控制：開啟冷卻塔、開啟冷卻水蝶閥、開啟冷卻水泵、開啟冷凍水蝶閥、開啟冷凍水泵、開啟冷凍機組；停止反之；（4） 冷卻水溫度監測：根據冷卻塔底部出水溫度，自動控制冷卻塔風機的啟停臺數以及冷卻水供回水旁通閥開關，維持需要的冷卻水溫度恒定；（5） 冷水機組與冷卻塔是一對一配套聯動控制，通過冷負荷需求決定開啟冷水機組和冷卻塔的臺數；（6） 通過監測冷凍水供回水壓差，控制冷凍水供回水壓差旁通閥門，當監測實際的冷凍水供回水壓差超過設定壓差值時，冷凍水供回水壓差旁通閥門將開啟能平衡此時監測到的實際壓差值的開度，達到冷凍水供回水壓力平衡的目的；（7） 冷卻塔風機啟動后，聯動打開冷卻塔回水電動蝶閥；反之，冷卻塔風機停止運行，聯動關閉冷卻塔回水電動蝶閥；（8） 冷卻塔風機啟停節能控制：當冷卻塔底部出水溫度低于設定的溫度（溫度設定值按照設計要求給定的溫度值做參照）時，表明冷卻塔供水冷負荷達到設計要求，系統自動停止冷卻塔風機運行，進行節能運行；當監測到冷卻塔底部出水溫度高于設定值時，系統自動啟動冷卻塔風機運行，以便向冷水機組提供低溫冷卻水進行散熱，同時，為最大限度地保護設備，延長設備使用壽命，在每次啟動、停止冷卻塔風機的間隔時間不小于 10分鐘（此時間可更改）；（9） 監測冷凍、冷卻水泵和冷卻塔運行狀態、故障報警以及手自動狀態；（10） 在 BAS上人工選定啟停；（11） 監測冷凍、冷卻水泵出口水流開關狀態：當系統發出啟動冷凍、冷卻水泵指令后，延時 10秒（此時間可更改），系統自動檢測水流開關狀態，假若水流開關不動作，表明冷凍、冷卻水泵故障，系統自動發出報警并停止冷凍、冷卻水泵運行，防止冷凍、冷卻水泵空轉，造成設備損壞；（12） 當工作水泵出現故障時，系統自動啟動備用泵投入運行；（13） 系統自動累計泵運轉時間，提示適時進行維護保養；（14） 中央監控系統提供各項參數記錄、聲光報警信息等。
2 冷水機組的臺數控制。
啟�？刂剖窍到y根據用戶端的負荷情況，供水管的流量及集水器、分水器的溫差，計算冷熱負荷，向其控制系統提交啟�？刂埔螅瑫r監測其動作反饋。常規方式是根據一次供回水溫差與總流量的乘積，即冷源系統總負荷量，直接進行機組臺數調控。同時保證設備交替運行，延長使用壽命，平均分配各設備運行時間，指定各季節的優先使用設備，以便發生故障時能夠做到自動切換。冷水機組負荷計算公式如下：
其中，機組加載次序的判斷根據的是累計運行時間的長短，短則先開，長則后開。卸載次序亦是如此，長則先停，短則后停。當計算的負荷超過一臺機組相應的冷量時，機組需要增加一臺，反之機組需要卸載一臺。
2.1 COP與負荷關系。
冷水機組性能指數（COP）是指冷水機組在額定的工況下制冷量與輸入功率之比。為方便測試比較，我們以開利19XRV離心式冷水機組為例，冷凍水流量保持不變，出水溫度控制在7℃，這時負荷的變化是由冷凍水回水溫度差引起的。COP的最高值一般不是出現在滿負荷時，而是出現在部分負荷時。電機輸入功率與負荷率的關系如圖1所示。
我們再計算冷水機組COP與負荷率的關系，如圖2,較高的COP并不是出現在最高負荷時，要使冷水機組工作在較佳的性能狀態，每個冷水機組的工作負荷為其額定負荷的50%~90%.
在實際的運行當中，空調負荷運行于部分負荷的時間占絕大多數。以往的控制方式基本上是以空調的負荷來控制冷水機組的開啟，新機組在線運行冷水機組的接近滿負荷時加載。我們綜合考慮冷水機組的COP,如果多開一臺機組能使在線運行的所有機組都處于一個比較理想的COP狀態，這時多開一臺機組消耗的電量足以抵消COP處在不理想狀態消耗的電量。
2.2 臺數控制計算。
單臺冷凍水泵耗電42 kW, 將5臺開利19XRV離心式冷水機組與5臺冷凍水泵組成的冷凍水循環系統先串聯后并聯，為保證冷水機組對冷凍水的流量要求，同時開啟冷水機組與冷凍水泵。如圖3所示。
假定在總負荷不發生改變時，冷卻水流量不需要改變，即冷卻水的流量根據總負荷的變化而變化。這樣，我們可以根據多開一組水泵和機組前后所消耗能量之比，來計算整個冷源系統是否節能，確定某一個負荷段多開或少開一組水泵和機組。
我們設總負荷為P,每臺機組額定負荷為P1,系統總額定負荷為P∑=5P1.
當P<P1時，只啟動一臺機組。因為此時多開一臺水泵消耗的42kW電量，大于開啟兩臺機組COP提高所節約的電量。
當0.2P∑<P<0.38 P∑時，開啟兩臺機組。0.38 P∑是一個計算耗能的平衡點，如果只開兩臺機組，每臺機組運行負荷為0.95 P1,由圖1可知這個負荷段單臺機組耗能達到302.5kW,再加上兩臺水泵84kW,總耗電為302.5×2+42×2=689kW,此時COP只有5.534;如果由3臺機組共同負擔，每臺機組運行負荷0.633 P1,由圖可知每臺機組消耗的電能為188kW,則系統總能耗為690kW,兩種模式的能耗基本相同。
當 P = 0 . 4 P∑時 , 如 果 兩 臺 機 組 和 兩 臺 水 泵 運行，耗電為327×2+42×2=738kW;3臺機組和3臺水泵運行，每臺機組運行負荷為0.667P1,耗電為197.3×3+42×3=717.9kW.此負荷點節能20.1kW.根據計算，節能隨負荷的增加而增加。因此，當P>0.38 P∑且有持續一段時間向上增長的趨勢時，則可多開啟一臺機組及水泵。負荷越高于0.38 P∑，節能越多，此時機組的COP提高到了5.920.如果持續P>0.4 P∑，需要保持3臺水泵和機組同時運行。
當P=0.54 P∑時，3臺機組每臺機組運行負荷為0.9 P1,0.54 P∑也是一個計算耗能的平衡點，此時就要考慮開啟第4臺機組。
當 P = 0 . 6 P∑時 , 3 臺 機 組 開 啟 的 總 耗 電 量 為1106.4kW,4臺機組開啟的總耗電量為1059.6kW,此負荷點節能46.8kW.
當P=0.54 P∑且P有持續一段時間向上增長的趨勢時，則可多開啟一臺機組及水泵。P越大于0.54 P∑，就越節能。此時，機組COP提高到了5.944.
當0.54P∑<P<0.7 P∑時，4臺機組保持同時運行。
當P=0.7 P∑時，4臺機組每臺機組運行負荷為0.875P1,0.7P∑也是一個計算耗能的平衡點，此時就要考慮開啟第5臺機組。
當P=0.75 P∑時，4臺機組開啟的總耗電為1358.4kW,5臺機組開啟的總消耗電能為1324.5kW,此負荷點節能33.9 kW.
當P=0.8 P∑時，4臺機組開啟的總耗電為1475.2kW,5臺機組開啟的總消耗電能為1405.5kW.此負荷點節能69.7kW.
當P=0.7 P∑且P有持續一段時間向上增長的趨勢時，則可多開啟一臺機組及水泵。P越大于0.7 P∑，就越節能。此時，機組COP提高到了5.958.
P>0.8 P∑，保持5臺機組同時運行。
3 冷卻塔控制。
冷卻水的供水溫度決定冷卻塔投入的數量。為了降低能耗，當供水水溫低于設定值時減少冷卻塔運行臺數，反之則增加運行臺數。當冷卻水溫度高于設定值時，先根據溫度來調節冷卻塔的臺數，在調節后30min冷卻水供水溫度仍高于設定值，這時需增加冷卻塔的臺數。風機控制柜上取得冷卻塔風機運行狀態、故障狀態和啟�？刂菩盘�。
監控內容為：
為避免冷卻塔的冷卻水供水溫度在設定值附近變化時冷卻塔頻繁開啟，需設定一個調節死區溫度值。
根據冷卻塔的出口溫度相應啟停冷卻塔運行臺數。
冷卻水溫度若僅通過自然冷卻即可達到要求時，冷卻塔風機可關閉。
監測風機手/自動狀態、運行狀態與故障狀態。
根據流量和熱量，開啟符合要求的冷卻水泵的臺數。
運行時間累計計算，保養、維修記錄。
冷卻塔系統的控制實際上是分為兩部分：一是臺數控制，二是旁通+冷卻塔混合控制。臺數控制是根據冷卻塔出水的第一個溫度；旁通控制則是由旁通后的冷卻水溫度。
從圖4旁通閥開度曲線可知它的控制由3段組成。
當水管溫度值低于設定值t1時，旁通閥的控制位于I區，說明冷卻水溫度太低，為保護冷水機組和提高冷水機組能效比，冷卻水不宜通過冷卻塔進行熱交換，因此旁通閥全開。
當水管溫度值高于設定值t1又低于t2時，旁通閥的控制位于II區，說明冷卻水溫度在一個溫度區間內變化，這時旁通閥需和冷卻塔同時作用，因此旁通閥開度隨溫度變化而變化。當水管溫度值高于設定值t2時，旁通閥的控制位于III區，說明冷卻水溫度較高，這時旁通閥全關，冷卻水需通過冷卻塔熱交換降溫。
4 冷凍水泵、冷卻水泵的監控。
監控內容為：備用水泵自動切換：自動運行模式下，如常用泵發生故障，自動投入備用泵。在不同時間段合理地運行設備，可編寫控制節假日，上下班等時間的啟動停止運行程序，節約能源。監測運行狀態、故障狀態、手/自動狀態和水流狀態，啟�？刂�。運行時間累計計算，保養、維修記錄。
5 冷水系統聯動配置。
聯動啟動順序，系統聯動控制如圖5所示：
冷卻水塔風機-冷卻水塔電動蝶閥-冷卻水電動蝶閥-冷卻水泵-水流狀態確認-冷凍機冷凍電動蝶閥-冷凍水泵-（水流狀態確認）-冷水機組。
聯動停止順序：
冷水機組-（延時5分鐘）-冷凍水泵-冷凍水電動蝶閥-冷卻水泵-冷卻水電動蝶閥-冷卻水塔電動蝶閥-冷卻水塔風機。
控制系統的現場元件由水溫傳感器、水流量計、液體壓差開關、液位開關、液體壓差傳感器、水流開關、電動蝶閥及執行器、壓差旁通閥及執行器組成。系統配置清單，如表1所示。
根據系統監控內容，根據樓層位置，建立受控設備匯總；確立每種設備的工藝流程，做出控制系統，完成每種設備的監控點一覽；根據點數，選擇標準型或擴展型IQ3,以IQ3的擴展模塊、4DIX數字輸入擴展模塊及繼電器模塊SRMV作為輔助；做出DDC監控點一覽表，如表2所示；并調整IQ3及其擴展模塊數量及配置，優化設計；設計傳感器、執行器、調節閥、變送器配置，完成控制系統設備匯總。
冷源系統是空調系統中最重要的核心環節，是空調系統制冷的源頭，也是消耗電能最大的地方。通過實踐與研究，本文根據空調冷源系統運行特點，指出了BAS控制策略，分析并比較了多臺冷水機組聯合運行，根據COP與負荷的關系計算，加減冷機的不同控制策略及系統功能、冷卻塔、冷凍冷卻水泵的控制策略。
6 結語。
隨著我國科技和經濟的高速發展，如何開發和利用智能建筑的資源，達到節能減排，真正實現“智能化”,以最高的效率為人提供一個最佳的生活和工作環境，將成為一個建立在建筑、電氣自動化、計算機、暖通等眾多學科之上的交叉型新課題由于時間、條件和作者水平的限制，有很多不足之處：冷水機組在啟動之前需要進行電氣系統、冷媒系統、潤滑系統、機械系統的準確檢測，但是本方案沒有通過網關和冷水機組建立一個無縫的連接，在控制流程中僅僅將冷水機組進行簡單的監控（啟�？刂�、狀態檢測、故障檢測）。不能很好地把握冷水機組的內部參數，如：冷水機組的供、回水溫度、當前機組負荷百分比、蒸發器冷凝器進出口溫度，冷凝、蒸發壓力等。不能通過協議將冷水機的內部數據傳入BAS,實現冷水機數據讀取。因此在冷水機組的群控上不能提出一個準確完善的控制策略。
參考文獻：
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