中央空调节能控制系统的技术应用分析

朱肖晶，朱 兵，王 科，金 辉

（1.苏州供电公司，江苏 苏州 215004；2.南京鼓楼医院 动力科，南京 210008；3.上海合煌能源科技有限公司，上海 200437；4.上海聚鑫节能工程科技有限公司，上海 200092）

目前市场上冷水机房节能控制系统主要分为2类:一是传统机房群控系统，即主要对水泵进行变频控制，对冷却塔和冷水机组进行启停控制，但缺乏整体节能控制软件；二是节能控制系统，即通过对空调系统的数据采集、数据分析，由优化软件以多维寻优算法方式寻找空调系统的最优效率点，从而对整个冷水机房的运行进行优化协调。

表1 冷冻机房设备配置

1 项目概况

1.1 改造前空调系统配置

苏州工业园区建屋2.5产业园会议中心总建筑面积12 986 m2，分为地下一层（5 833 m2）和地上3层（7 153 m2），建筑总高度53 m。空调系统配置为:1—3层由屋顶风冷热泵机组供冷/供热，每个会议室分别由对应空调箱进行温度调节，其中9台空调箱位于楼顶机房、1台空调箱位于一层机房内。表1为冷冻机房设备配置。

1.2 改造前用电能耗

会议中心大楼2015年用电量总计为32.1万kWh，耗电费用总计为31.48万元，每月耗电数据如表2所示。

2 系统配置

本项目中央空调为一次泵定流量系统，采用冷冻机房节能控制系统即冷冻水泵加装变频器，可实现除冷水机组的冷冻机房全变频控制。同时采用冷冻机房综合优化算法，跟踪冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的运行曲线，对每台设备采用主动式控制和整个机房设备的集成控制，以实现整个冷冻机房综合能耗最低的目标。

表2 会议中心大楼2015年中央空调用电统计

2.1 系统原理

中央空调冷冻机房主要由冷水机组、冷冻水泵组、冷却风机组构成，而在实际运行时，这些设备的工况一般不会恰好同时运行在各自的峰值效率点上。同时，冷冻水的温度与流量，以及冷却环节都允许在一定的范围内变化，而不会对满足制冷需求造成影响。这样，就有可能通过统筹考虑，通过合理选择冷水机组出力、冷冻水供水温度及流量、冷却风机工作状态等参数，调整各设备的工作状态，达到使整个冷冻机房设备运行效率最高的优化目标。图1为系统优化控制原理图。

中央空调节能系统的控制原理是对冷冻机房内的全部设备，包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔，建立性能模型，并应用计算机联合计算求解出冷冻机房的最低总能耗，然后进行控制寻优，找出各设备实现机房最低能耗的运行工况，并对其进行主动式控制反馈控制。节能控制系统根据当前系统的实时负荷需求，通过多维寻优的方法运行不同的台数组合，寻找整个冷水机房的最佳效率点，保证每台冷水机组都在其最佳效率点附近运行，从而使整个中央空调冷水机房能动态地运行在最佳效率点上，实现最佳节能控制目标。

2.2 系统架构

本项目控制系统为2层构架，上位机为工业控制计算机，负责整个控制策略的实现及整个机房运行状态的监视；下位机为PLC，实际控制各相关设备的运行。控制计算机与PLC之间采用RS485方式实现控制器以及监控主机之间的通信。

（1）中央控制站

中央控制站以工业控制计算机为硬件基础，安装有核心节能优化控制软件。该软件以各个设备模型为基础，根据设备控制子站采集到的系统工况，按照优化算法进行计算，并将计算结果传递给设备控制子站作为其执行的依据。中央控制站的软件界面同时承担了机房日常运行管理的工作。

（2）设备控制子站

设备控制子站以工业级别的PLC控制器为基础，执行中央控制站发出的指令，对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔及相关执行机构实施控制。同时，控制子站通过相关传感器采集系统运行参数，通过工业以太网传送至中央控制站参与优化程序计算。

（3）监测执行机构

•电能监测仪:在供电总线、空调主机、水泵、风机箱安装电能监测仪，可测量电流、电压、有功功率，功率因数、电能示数等；

•传感器:水系统管路增设温度传感器及冷冻水供水总管流量传感器；

•执行机构:水系统管路设置水流量调节阀、风机箱设置调节阀，执行机构用于远程 控制调节执行；

所有模拟量、数字量信号，通过PLC或上位机采集软件将实时数据传输至控制软件系统。系统架构图如图2所示。

图1 系统优化控制原理图

2.3 系统控制策略模型

在具体的控制策略中，本系统首先根据冷冻机房内各设备的特性建立各自的能耗数学模型，在此基础上建立整个冷冻机房的能量平衡数学模型及能耗数学模型。在系统运行时，控制计算机以一定的时间间隔测量制冷负荷的实时值，并据此进行各能耗数学模型的联合求解，找出能够满足此制冷负荷的、且整个冷冻机房总能耗最低（即整体效率最高）的工作状态。在此基础上，控制计算机确定各受控变量的设定值，并将其传送到对应的PLC中，再由PLC控制各台设备的运行状态，使得整个冷冻机房运行在效率最高的状态下。

2.3.1 冷水机组能耗模型及控制

通过建立冷水机组的能耗模型，可以精确计算出冷水机组在各运行工况下（如:不同的冷冻水进出水温、冷却水进出水温、部分负荷率等）的能效COP，从而得到各种系统工况下冷水机组的能耗。本项目的模型计算中充分考虑了当前冷冻机房的定频风冷螺杆机组。节能控制系统优化算法在定频风冷螺杆机组精确建模的基础上，充分发挥机组在不同工况下的性能。

冷水机组的台数控制和加减机策略是基于优化程序的计算结果来执行的。即在满足不同的冷负荷需求的前提下，以机房整体能效比最高为控制目标，在不同运行组合中寻优而确定冷水机组运行的台数，并进行加减机判断。

冷水机组能耗模型为

式中:tchws为冷冻水供水温度，℉；tcws/oat为冷却水进水温度，℉；Q为冷水机组容量，Rt；Qref为冷水机组在典型蒸发温度和冷凝温度下的额定容量，Rt；P为输入功率，kW；Pref为在典型蒸发和冷凝温度下的输入功率，kW。

2.3.2 冷冻水泵模型及控制（能效优先策略）

通过建立冷冻水泵的能耗模型，可以精确计算出冷冻水泵在各运行工况下（如:不同的冷冻水流量、扬程和运行频率等）的能耗。

冷冻水泵的能耗计算公式仅考虑冷冻水泵根据压差信号进行变频调速，根据优化算法找到其优化后的工作点。冷冻水供水压差设定值根据末端需求流量重置，冷冻水泵根据重置后的压差设定值工作，通过优化算法计算得到所需流量。

冷冻水泵的能耗性能模型基于差压信号进行变频调速，冷冻水泵功率为

式中:Wchwe为冷冻水泵功率；Qchw为冷冻水流量；f5为冷冻水泵功率函数；f6为冷冻水泵功率修正函数。

图2 系统架构图

2.3.3 冷冻水供水温度重置（过渡季节策略）

冷水机组冷冻水供水温度设定的上限根据室外温度重置。冷冻水供水温度上限根据室外温度进行分区间选择可以进一步降低机房能耗，同时确保了不同室外条件下的除湿要求。系统优化程序在不同室外干球温度条件下优化选择对应区间内的冷冻水供水温度，所选温度即能对应最低的冷冻机房整体能耗。

2.3.4 系统预冷功能（电价优先策略）

系统优化程序依据分时电价政策，在不同电价时段对机组进行能量的调节。可在低谷电价时对整个用冷系统空间进行预冷，在高峰电价时降低冷冻系统整体能耗。

2.3.5 能量限制功能（电力需求响应策略）

在用电高峰期间设置空调系统电量总额限制。对系统各个空调箱、风机盘管末端设备进行调节，部分时段进行冷冻系统用量及通风系统用量的控制，控制冷冻系统、通风系统的负荷，最终实现系统主机、水泵、风机及各个用电设备的负载降低，避免超出限定电量。

3 项目实施

3.1 改造方法

（1）风阀、水阀控制改造

对产业园会议中心楼中央空调系统新风、送风、回风进行风量控制。其中新风阀门为根据室外空气焓值与室内回风的焓值进行比较，在保证控制区域压力的前提下，当新风不增加室内空气负荷时，采取新风量最大的运行策略；否则采取新风量最小的运行策略。风机频率在保证风管最小压力的前提下，依据回风温度与设定回风温度的偏差进行调节，当回风温度大于设定回风温度时，则加大风机频率，加大送风量；当回风温度小于设定回风温度时，则减小风机频率，减小送风量。

（2）节能优化控制改造

节能优化控制系统根据现场运行情况和设备数学模型进行数据分析和实时计算，并根据计算结果，实时控制整个系统安全、高效地运行。水泵的运行根据主机状况和压差、温度进行自动化控制。送风、回风的运行根据各会议室内的温湿度、空气质量、空气压力进行自动化调节。

3.2 主要施工内容

（1）水系统施工

首先移除水管施工部位保护层和保温层，将冷冻水变送器、冷冻水电磁流量计、插入式温度传感器分别安装在冷冻水和冷却水系统的供回水主管上。待所有仪表安装完成后，对相关管道进行保温处理和保护层施工，最后打开所关闭的阀门，将系统中注满水，水系统施工完成。

（2）电气系统施工

在电气系统中增加水流量调节阀控制、风阀调节器控制、温湿度传感器采样、室外大气温湿度传感器采样等模拟量与PLC连接，电能监测仪数据通过转换器与上位机通信。所有阀门电动执行器和传感器通过与PLC的通信反馈，实现手动和远程集中群控。冷冻水泵、空调箱等用带手动及远程控制的变频控制柜替换原有控制柜。PLC控制柜设置于冷冻机房，控制上位机设置于值班室内，实现以太网互联。

表3 会议中心大楼2016—2017年中央空调用电统计

3.3 系统调试

（1）绝缘测试

电气施工完成后，先将变频器的负载端卸去，以绝缘测试表进行线路的相与相、相与地线的测试，测试值大于500 MΩ为合格。

（2）空/负载测试

绝缘测试合格之后，对变频器通电就地空载调试，观察变频器的启动时间，检测变频器的输出端的电压值；然后将负载接入变频器的输出端，进行就地负载调试，对变频器的启动时间进行调整，满足电动机的启动需求。

（3）系统联调

就地测试结束之后，将选择开关转至自动状态，与整个系统进行联调。采集水温数据，水流量数据，并经过PLC与整个系统联动，最终形成冷却水泵、冷冻机的变频节能运行。

4 项目效果

苏州建屋2.5产业园会议中心中央空调节能系统改造完毕后，2016年夏季（7月—9月）、秋季（10月—11月）及冬季（2016年12月至2017年2月）期间，会议中心楼中央空调运行电量为21.55万kWh，运行费用为21.1万元左右，相较2015年同期节约了15%。表3为会议中心大楼2016—2017年中央空调用电统计。

本项目节能改造实现了对2.5产业园空调系统冷水机组台数控制、智能化保护，冷却水泵台数、变频控制等一系列功能。同时，除了整个冷冻机房达到高效节能外，系统还实现了会议中心中央空调冷冻机房自动化管理，产业园管理方可依据该系统自动计算冷冻机房综合能耗、查询各设备运行累计时间、运行状态显示，远程监控机房设备，并定期查看系统运行状态报告，实现对产业园内中央空调系统的可视化、智能化、精细化管理。

［1］ 张国强.模糊控制在日本制冷空调中的应用［J］.暖通空调，1992（6）:4-6.

［2］ 龚明启.中央空调系统动态运行节能优化策略研究［D］.广州:广州大学，2006.

［3］ 廉小亲.模糊控制技术［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［4］ 王健，王亚慧，郝学，等.变风量空调房间数学模型的仿真研究［J］.智能建筑，2006（10）:54-56.