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綜合實(shí)驗大樓冷源系統相關(guān)設備的自動(dòng)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(dòng)化系統（Building Automation System,簡(jiǎn)稱(chēng)BAS），BAS通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行綜合的控制與管理，在一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )系統上連接大樓內的各種設備，它結合計算機網(wǎng)絡(luò )、自動(dòng)控制和通信技術(shù)，確保在建筑物內保持一個(gè)舒適和安全的辦公環(huán)境，同時(shí)實(shí)現高效節能。
在綜合實(shí)驗用房項目中，整個(gè)中央空調系統的能耗約占整個(gè)建筑能耗的60%左右，而其中冷水機組約占整個(gè)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(gè)冷水系統設備占整個(gè)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(huán)節，是空調系統制冷的源頭，也是消耗電能最大的地方。實(shí)現冷源系統節能、高效穩定運行的一個(gè)非常有效的技術(shù)手段就是利用自動(dòng)控制技術(shù)對冷源系統相關(guān)設備（冷水機組、冷凍冷卻水泵、冷卻塔、閥門(mén)）進(jìn)行自動(dòng)化的監控，使系統達到最高效率的運行。
本項目綜合實(shí)驗樓是集辦公、試驗等為一體的多功能綜合業(yè)務(wù)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(diǎn)：（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(mén)控制（AO）；（5） 冷卻水供回水溫度（AI）；（6） 冷卻水供回水旁通閥開(kāi)關(guān)控制（DO）；（7） 冷卻水泵手自動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測（DI）；（8） 冷卻水泵運行狀態(tài)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(tài)監測（DI）；（11） 冷卻水泵啟�？刂疲―O）；（12） 冷凍水泵手自動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測（DI）；（13） 冷凍水泵運行狀態(tài)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(tài)監測（DI）；（16） 冷凍水泵啟�？刂疲―O）；（17）冷卻塔回水管閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制（DO）；（18） 冷卻塔回水管溫度監測（AI）；（19） 冷卻塔手自動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測（DI）；（20） 冷卻塔運行狀態(tài)監測（DI）；（21）冷卻塔故障報警監測（DI）；（22） 冷卻塔啟�？刂疲―O）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(shí)際所需的冷負荷量，并可決定開(kāi)啟冷水機組的數量；（3） 冷水機組啟停聯(lián)動(dòng)控制：開(kāi)啟冷卻塔、開(kāi)啟冷卻水蝶閥、開(kāi)啟冷卻水泵、開(kāi)啟冷凍水蝶閥、開(kāi)啟冷凍水泵、開(kāi)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(dòng)控制冷卻塔風(fēng)機的啟停臺數以及冷卻水供回水旁通閥開(kāi)關(guān)，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(lián)動(dòng)控制，通過(guò)冷負荷需求決定開(kāi)啟冷水機組和冷卻塔的臺數；（6） 通過(guò)監測冷凍水供回水壓差，控制冷凍水供回水壓差旁通閥門(mén)，當監測實(shí)際的冷凍水供回水壓差超過(guò)設定壓差值時(shí)，冷凍水供回水壓差旁通閥門(mén)將開(kāi)啟能平衡此時(shí)監測到的實(shí)際壓差值的開(kāi)度，達到冷凍水供回水壓力平衡的目的；（7） 冷卻塔風(fēng)機啟動(dòng)后，聯(lián)動(dòng)打開(kāi)冷卻塔回水電動(dòng)蝶閥；反之，冷卻塔風(fēng)機停止運行，聯(lián)動(dòng)關(guān)閉冷卻塔回水電動(dòng)蝶閥；（8） 冷卻塔風(fēng)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(shí)，表明冷卻塔供水冷負荷達到設計要求，系統自動(dòng)停止冷卻塔風(fēng)機運行，進(jìn)行節能運行；當監測到冷卻塔底部出水溫度高于設定值時(shí)，系統自動(dòng)啟動(dòng)冷卻塔風(fēng)機運行，以便向冷水機組提供低溫冷卻水進(jìn)行散熱，同時(shí)，為最大限度地保護設備，延長(cháng)設備使用壽命，在每次啟動(dòng)、停止冷卻塔風(fēng)機的間隔時(shí)間不小于 10分鐘（此時(shí)間可更改）；（9） 監測冷凍、冷卻水泵和冷卻塔運行狀態(tài)、故障報警以及手自動(dòng)狀態(tài)；（10） 在 BAS上人工選定啟停；（11） 監測冷凍、冷卻水泵出口水流開(kāi)關(guān)狀態(tài)：當系統發(fā)出啟動(dòng)冷凍、冷卻水泵指令后，延時(shí) 10秒（此時(shí)間可更改），系統自動(dòng)檢測水流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，假若水流開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，表明冷凍、冷卻水泵故障，系統自動(dòng)發(fā)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(shí)，系統自動(dòng)啟動(dòng)備用泵投入運行；（13） 系統自動(dòng)累計泵運轉時(shí)間，提示適時(shí)進(jìn)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(hù)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�，同時(shí)監測其動(dòng)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(jìn)行機組臺數調控。同時(shí)保證設備交替運行，延長(cháng)使用壽命，平均分配各設備運行時(shí)間，指定各季節的優(yōu)先使用設備，以便發(fā)生故障時(shí)能夠做到自動(dòng)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(shí)間的長(cháng)短，短則先開(kāi)，長(cháng)則后開(kāi)。卸載次序亦是如此，長(cháng)則先停，短則后停。當計算的負荷超過(guò)一臺機組相應的冷量時(shí)，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(guān)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(kāi)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(shí)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(mǎn)負荷時(shí)，而是出現在部分負荷時(shí)。電機輸入功率與負荷率的關(guān)系如圖1所示。
我們再計算冷水機組COP與負荷率的關(guān)系，如圖2,較高的COP并不是出現在最高負荷時(shí)，要使冷水機組工作在較佳的性能狀態(tài)，每個(gè)冷水機組的工作負荷為其額定負荷的50%~90%.
在實(shí)際的運行當中，空調負荷運行于部分負荷的時(shí)間占絕大多數。以往的控制方式基本上是以空調的負荷來(lái)控制冷水機組的開(kāi)啟，新機組在線(xiàn)運行冷水機組的接近滿(mǎn)負荷時(shí)加載。我們綜合考慮冷水機組的COP,如果多開(kāi)一臺機組能使在線(xiàn)運行的所有機組都處于一個(gè)比較理想的COP狀態(tài)，這時(shí)多開(kāi)一臺機組消耗的電量足以抵消COP處在不理想狀態(tài)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(kāi)利19XRV離心式冷水機組與5臺冷凍水泵組成的冷凍水循環(huán)系統先串聯(lián)后并聯(lián)，為保證冷水機組對冷凍水的流量要求，同時(shí)開(kāi)啟冷水機組與冷凍水泵。如圖3所示。
假定在總負荷不發(fā)生改變時(shí)，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(kāi)一組水泵和機組前后所消耗能量之比，來(lái)計算整個(gè)冷源系統是否節能，確定某一個(gè)負荷段多開(kāi)或少開(kāi)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(shí)，只啟動(dòng)一臺機組。因為此時(shí)多開(kāi)一臺水泵消耗的42kW電量，大于開(kāi)啟兩臺機組COP提高所節約的電量。
當0.2P∑<P<0.38 P∑時(shí)，開(kāi)啟兩臺機組。0.38 P∑是一個(gè)計算耗能的平衡點(diǎn)，如果只開(kāi)兩臺機組，每臺機組運行負荷為0.95 P1,由圖1可知這個(gè)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(shí)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(shí) , 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(diǎn)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(shí)間向上增長(cháng)的趨勢時(shí)，則可多開(kāi)啟一臺機組及水泵。負荷越高于0.38 P∑，節能越多，此時(shí)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(shí)運行。
當P=0.54 P∑時(shí)，3臺機組每臺機組運行負荷為0.9 P1,0.54 P∑也是一個(gè)計算耗能的平衡點(diǎn)，此時(shí)就要考慮開(kāi)啟第4臺機組。
當 P = 0 . 6 P∑時(shí) , 3 臺 機 組 開(kāi) 啟 的 總 耗 電 量 為1106.4kW,4臺機組開(kāi)啟的總耗電量為1059.6kW,此負荷點(diǎn)節能46.8kW.
當P=0.54 P∑且P有持續一段時(shí)間向上增長(cháng)的趨勢時(shí)，則可多開(kāi)啟一臺機組及水泵。P越大于0.54 P∑，就越節能。此時(shí)，機組COP提高到了5.944.
當0.54P∑<P<0.7 P∑時(shí)，4臺機組保持同時(shí)運行。
當P=0.7 P∑時(shí)，4臺機組每臺機組運行負荷為0.875P1,0.7P∑也是一個(gè)計算耗能的平衡點(diǎn)，此時(shí)就要考慮開(kāi)啟第5臺機組。
當P=0.75 P∑時(shí)，4臺機組開(kāi)啟的總耗電為1358.4kW,5臺機組開(kāi)啟的總消耗電能為1324.5kW,此負荷點(diǎn)節能33.9 kW.
當P=0.8 P∑時(shí)，4臺機組開(kāi)啟的總耗電為1475.2kW,5臺機組開(kāi)啟的總消耗電能為1405.5kW.此負荷點(diǎn)節能69.7kW.
當P=0.7 P∑且P有持續一段時(shí)間向上增長(cháng)的趨勢時(shí)，則可多開(kāi)啟一臺機組及水泵。P越大于0.7 P∑，就越節能。此時(shí)，機組COP提高到了5.958.
P>0.8 P∑，保持5臺機組同時(shí)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(shí)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(shí)，先根據溫度來(lái)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(shí)需增加冷卻塔的臺數。風(fēng)機控制柜上取得冷卻塔風(fēng)機運行狀態(tài)、故障狀態(tài)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(shí)冷卻塔頻繁開(kāi)啟，需設定一個(gè)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(guò)自然冷卻即可達到要求時(shí)，冷卻塔風(fēng)機可關(guān)閉。
監測風(fēng)機手/自動(dòng)狀態(tài)、運行狀態(tài)與故障狀態(tài)。
根據流量和熱量，開(kāi)啟符合要求的冷卻水泵的臺數。
運行時(shí)間累計計算，保養、維修記錄。
冷卻塔系統的控制實(shí)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(gè)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(kāi)度曲線(xiàn)可知它的控制由3段組成。
當水管溫度值低于設定值t1時(shí)，旁通閥的控制位于I區，說(shuō)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(guò)冷卻塔進(jìn)行熱交換，因此旁通閥全開(kāi)。
當水管溫度值高于設定值t1又低于t2時(shí)，旁通閥的控制位于II區，說(shuō)明冷卻水溫度在一個(gè)溫度區間內變化，這時(shí)旁通閥需和冷卻塔同時(shí)作用，因此旁通閥開(kāi)度隨溫度變化而變化。當水管溫度值高于設定值t2時(shí)，旁通閥的控制位于III區，說(shuō)明冷卻水溫度較高，這時(shí)旁通閥全關(guān)，冷卻水需通過(guò)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(dòng)切換：自動(dòng)運行模式下，如常用泵發(fā)生故障，自動(dòng)投入備用泵。在不同時(shí)間段合理地運行設備，可編寫(xiě)控制節假日，上下班等時(shí)間的啟動(dòng)停止運行程序，節約能源。監測運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手/自動(dòng)狀態(tài)和水流狀態(tài)，啟�？刂�。運行時(shí)間累計計算，保養、維修記錄。
5 冷水系統聯(lián)動(dòng)配置。
聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)順序，系統聯(lián)動(dòng)控制如圖5所示：
冷卻水塔風(fēng)機-冷卻水塔電動(dòng)蝶閥-冷卻水電動(dòng)蝶閥-冷卻水泵-水流狀態(tài)確認-冷凍機冷凍電動(dòng)蝶閥-冷凍水泵-（水流狀態(tài)確認）-冷水機組。
聯(lián)動(dòng)停止順序：
冷水機組-（延時(shí)5分鐘）-冷凍水泵-冷凍水電動(dòng)蝶閥-冷卻水泵-冷卻水電動(dòng)蝶閥-冷卻水塔電動(dòng)蝶閥-冷卻水塔風(fēng)機。
控制系統的現場(chǎng)元件由水溫傳感器、水流量計、液體壓差開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)、液體壓差傳感器、水流開(kāi)關(guān)、電動(dòng)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(diǎn)一覽；根據點(diǎn)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(diǎn)一覽表，如表2所示；并調整IQ3及其擴展模塊數量及配置，優(yōu)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(huán)節，是空調系統制冷的源頭，也是消耗電能最大的地方。通過(guò)實(shí)踐與研究，本文根據空調冷源系統運行特點(diǎn)，指出了BAS控制策略，分析并比較了多臺冷水機組聯(lián)合運行，根據COP與負荷的關(guān)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(yǔ)。
隨著(zhù)我國科技和經(jīng)濟的高速發(fā)展，如何開(kāi)發(fā)和利用智能建筑的資源，達到節能減排，真正實(shí)現“智能化”,以最高的效率為人提供一個(gè)最佳的生活和工作環(huán)境，將成為一個(gè)建立在建筑、電氣自動(dòng)化、計算機、暖通等眾多學(xué)科之上的交叉型新課題由于時(shí)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(dòng)之前需要進(jìn)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(méi)有通過(guò)網(wǎng)關(guān)和冷水機組建立一個(gè)無(wú)縫的連接，在控制流程中僅僅將冷水機組進(jìn)行簡(jiǎn)單的監控（啟�？刂�、狀態(tài)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(fā)器冷凝器進(jìn)出口溫度，冷凝、蒸發(fā)壓力等。不能通過(guò)協(xié)議將冷水機的內部數據傳入BAS,實(shí)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(gè)準確完善的控制策略。
參考文獻：
[1] 王再英， 韓養社， 高虎賢。智能建筑：樓宇自動(dòng)化系統原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[2] 沈曄。樓宇自動(dòng)化技術(shù)與工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.
[3] 曲麗萍，王修巖，翟玉文， 等。樓宇自動(dòng)化系統[M].北京：中國電力出版社，2004.
[4] 趙哲身。智能建筑控制與節能[M].北京：中國電力出版社，2007.
[5] 張宜。綜合布線(xiàn)工程[M].北京：中國電力出版社，2008.
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