深圳达实智能股份有限公司 广东 深圳 518057
【摘 要】文章提出了一种新的中央空调节能控制及监测管理方式：通过采用分布式节能监控部署，克服了传统集中控制存在的问题；通过设备级和系统级的优化与控制，克服了传统单一水泵变频节能的局限性；同时利用远程监测和数据挖掘技术，持续挖掘中央空调系统整体节能空间。
【关键词】中央空调系统；节能控制；监测管理
1.前言
中国拥有世界上最大的建筑市场，2010年全国房屋总面积已超过400亿平方米，每年新增建筑面积将达到16亿到20亿平方米，到2020年我国新增建筑面积将达到200亿平方米。在建筑机电设备中，中央空调系统能耗一般占建筑总能耗的40%-60%，中央空调已成为既有建筑中的耗能大户。我国目前的建筑能耗普遍偏高，造成能源的巨大浪费，因此中央空调节能对于实现建筑节能减排的目标意义重大，同时市场机会广阔。
2.中央空调系统运行管理现状
目前，中央空调系统运行管理主要存在以下几个问题：
（1）设计问题：绝大部分大型建筑中的中央空调系统在系统设计和设备选型过程中通常按极端工况（最热的气候、最大人流量）设计，并留有10%左右的余量，而四季变换和昼夜温差使得中央空调系统绝大部分时间都处在低负荷和低效运行状态，导致长期存在“大马拉小车”的现象。
（2）使用问题：建筑建成投用后，功能分区和使用负荷往往与设计存在较大偏差；末端各区域需求与冷量往往不匹配，导致冷热不均；同时不合理的运行制度导致空调系统各耗能设备的运行时间过长、不完善的设备保养措施导致系统效率降低，并缩减了设备的使用寿命。
（3）管理问题：完全依靠人工管理、对人的依赖性很大，以及操作不便等造成较大的能源浪费；同时高层管理人员往往因缺少有效的管理手段和方法，导致关注不够，能源管理无从做起或难以持续。
目前常规的中央空调节能解决方案往往通过对水泵和空调风机的简单变频，从单一设备的控制层面解决问题，而忽略了系统层面及管理方面的节能空间挖掘。
3.中央空调系统节能控制及监测管理措施
（1）节能控制：以保证系统安全运行为核心，在保证中央空调系统供应区域环境品质的前提下，通过全面采集影响空调系统运行的各种参数，传送至节能控制系统，控制系统根据系统运行规则，推算出系统该时刻所需的冷量（或热量）及系统的优化运行参数，并利用变频技术，自动控制水泵、风机的转速，以调节空调水系统的流量，保证中央空调系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而实现综合优化节能。
（2）监测管理：通过建立中央空调能源监测管理系统，实现系统的集中管理、分级管理及操作，并对相关设备用能情况进行实时监测，实时掌握设备运行状况及运行能耗；对系统运行环境及运行能耗进行对比分析，为精细化管理提供决策依据；为节能控制系统提供差异化节能控制方案。
4.中央空调系统节能控制及监测管理架构
网络架构说明如下：
（1）集中监控层
集中监控层包括集成工作站、网络交换机、组态软件、数据库、ups电源、打印机等，通过以太网与主控单元通讯实现对系统的冷水生产、输送、分配和热交换各环节的全过程进行监控与优化设置及报表打印输出。集成工作站与主控制器间通讯速度可达10Mbps 。
支持分布式多操作站和客户端，具有强大的通讯能力，能连接PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等上千种设备，同时提供OPC、DDE、ModBus Rtu、ModBus TCP/IP等第三方访问接口，具有更好的开放性、兼容性和集成性，可以满足与上层智能化管理系统集成平台（IBMS系统）兼容集成的要求。系统内置安全保护逻辑，管理人员可通过系统集成平台对机房冷机出水水温，冷冻水供回水压差设定值、系统整体启停时刻表等参数进行设定，并可通过系统集成平台发出的指令使群控系统在不同运行模式之间进行切换。
（2）现场管理层
现场管理层为主控单元，主控单元与分布控制单元通过总线组成分布式控制网络，充分体现“分散控制、集中管理”的安全设计理念，实现对包括制冷机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、阀门、空调机组、新风机组等整个中央空调冷冻站和末端设备的综合控制和管理，达到系统综合优化运行。
采用协议简单、容错能力强、安全性好的多级工业现场总线网络，当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量，缩短了维护停工时间。
主控单元通过通讯读取已有计量仪表的数据，实时采集设备运行功率、能耗和计算系统制冷量及COP，为系统能耗与性能分析提供支撑。
（3）设备控制层
设备控制层包括各设备控制箱（柜）、传感器等现场监控控制设备。各水泵的控制通过通讯与硬接线结合的方式与已有的启动柜对接；各电动阀门的控制通过阀门控制箱与阀门硬接线方式直接与阀门对接；
5.中央空调系统节能控制及监测管理方法
系统的核心是专家系统、模糊控制及变频无级调速。在控制器中建立了知识库、模糊控制模型和模糊运算规则，形成智能模糊控制。通过全面采集影响空调系统运行的各种参数，按系统最优的原则，经智能模糊运算，得出相应的控制参数。这些控制参数被送到冷冻水子系统、冷却水子系统和冷却塔子系统，从而改变空调系统循环流体的流量和温度，以保证整个系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而最终达到综合节能的目的。它与当今普遍使用的定流量中央空调控制模式相比，具有以下技术特点：
（1）实现空调高效节能控制：系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式，通过对中央空调能源运行系统的动态监测和闭环控制，将空调主机的定流量运行改为变流量运行，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化，在空调系统的任何负荷条件下，都能既确保中央空调系统的舒适性，又实现最大的节能。
（2）保障空调主机始终保持高的热转换效率：众所周知，随着中央空调系统负荷的变化，必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数，导致主机热转换效率降低，这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题。中央空调节能控制系统通过专家控制技术和模糊控制技术实现系统寻优,参数重设等方法，使空调主机始终处于优化的工作点上，提高系统能源利用率。
（3）实现中央空调全系统综合性能优化和协调运行：中央空调系统是一个较复杂的系统工程，要实现中央空调系统的最佳运行和节能，从局部去解决问题（如采用通用变频器PID控制）是不可能办到的，必须针对空调系统的各个环节（包括主机、冷冻水系统、冷却水系统等）统一考虑，全面控制，使整个系统协调运行，才能实现最佳综合节能。为此，中央空调节能控制系统设计中从系统工程学的理念出发，不仅对中央空调各部分进行全面控制，而且通过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一起，实现它们之间的信息综合、资源共享，在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理，实现中央空调全系统的协调运行和综合性能优化。
（4）系统的核心是模糊控制器及其控制软件：模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，是近年来发展起来的新型控制技术，尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。
6.中央空调系统节能控制及监测管理实施
（1）根据采集需求，在冷冻水泵、冷却水泵以及主机的相应采集点加装水温传感器，流量传感器，压差传感器。
（2）设计安装1套中央空调节能主控系统。该主控系统能实时监控冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的工作状态，以及大楼内外环境温度、冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度、冷冻水压差和流量、主机设备消耗功率等工艺参数、室内供回风温度等。还可以实现工频与变频切换控制、自动（远程）和手动（本地）切换控制等多种功能。
（3）设计安装多套一次冷冻水泵智能节能控制系统、多套二次冷冻水泵智能节能控制系统、多套冷却水泵智能节能控制系统。每套节能控制系统设置水泵型专用智能变频调速控制器，可分别各控制1~2台水泵，并可以根据系统需要远程自动/手动运行，就地还有变频运行和旁路运行选择开关。
（4）设计安装1套冷却塔信号扩展箱，用于冷却塔的启停控制。
（5）设计安装2套阀门控制箱，用于主机和冷却塔电动阀自动控制。
（6）设计安装1套中央空调能源监测管理系统，对中央空调系统冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机及冷水主机等主要设备进行远程监测、统计、分析、监管。
7.效益分析
（1）空调系统整体耗电量降低
在满足室内环境需求的前提下，可以实现中央空调系统综合节能率达到20%以上，节能可持续，且有保障。
（2）保证环境品质
可对末端环境参数、机电设备运行参数、能耗参数进行实时在线监测，对故障即时报警、即时响应，避免因环境品质不合格导致对末端用户产生不良影响。
（3）延长空调系统使用寿命
可实现机电设备的软启动方式，从而减少中央空调设备的机械磨损，可通过在线检修的方式，避免设备过修或失修，从而能有效延长设备的使用寿命，并降低维护成本。
（4）提升管理效率
可定期对空调系统运行数据进行分析并自动生成各类报表，及时向公司管理者反馈系统运行、保养以及故障响应等方面的作业信息，提高设备管理部门的自动化管理水平，使深圳地铁大厦的管理更上一层楼，节约管理成本。
（5）远程监控
操作人员可以在办公室监控系统的运行状态，操作设备的运行，最及时的发现系统出现的问题，而不必绕到机房进行实地操作。
8.结语
针对建筑中央空调系统的普遍运行管理中存在的问题，通过优化与控制、远程监测和数据挖掘的全过程流程体系，不断挖掘中央空调系统的节能潜力，提高中央空调系统的运行效率，减少中央空调系统的不合理运行时间，达到中央空调系统节能最大化的目的。
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院，公共建筑节能设计标准GB 50189-2005[S] . 北京：中国建筑工业出版社，2005；
[2]田丽从，吴晓苹，城市能源监测管理平台研发及应用[J] . 建设科技，2010，（8）：46-51。
[3]中国建筑科学研究院，中央空调水系统节能控制装置技术规范GB/T 26759-2011[S] .北京：中国标准出版社，2011。
论文作者:潘超
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第4期
论文发表时间:2016/8/20
标签：空调系统论文; 节能论文; 系统论文; 中央论文; 中央空调论文; 水泵论文; 设备论文; 《低碳地产》2015年第4期论文;