杭州某产业园空调冷源群控系统的设计

蒯标 严燕

1 杭州海康威视数字技术股份有限公司

2 特灵空调系统（中国）有限公司

在现代智能建筑中，中央空调系统已经成为建筑物非常重要的组成部分，它给人们提供了舒适的工作、生活、休闲环境。据国内外的相关统计数据资料表明，空调系统在提供人们舒适环境的同时，也消耗大量的宝贵能源，通常，空调系统的耗电量会占到整幢建筑物耗电量的50%甚至更多，而制冷主机及其辅助设备，如冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等的耗电量会占到整个空调系统耗电量的80%以上。通过中央冷源监测与控制系统实现中央冷源系统的节能运行，对降低设备运行费用、提高营运效益是非常重要的[1]。本文以具体项目介绍了Trane 公司Tracer SC+楼控系统在中央空调群控系统中节能方面的应用。

1 杭州某产业园冷源系统概况

本项目为软件生产调试中心，整个园区的空调冷热源集中设置在本单体地下一层北侧的能源中心内。园区内各单体的空调冷热源由能源中心提供。本项目夏季冷负荷14235 kW，空调冷源系统采用设计三台4044kW（1150RT）离心式冷水机组，两台制冷量2100 kW（600RT）离心式冷水机组。项目冷源系统图如图1所示。

图1 冷源系统图

2 冷机群控系统控制策略

冷机群控系统的核心是群控策略，也就是控制逻辑，依据建筑物的空调负荷需求，自动调节优化控制多台冷水机组及相关设备的运行，使机组制冷能力与系统负荷相匹配。

机组优化的目的是为了使整个系统能耗最低，因此不仅要考虑冷水机组的能耗，还要考虑其附属设备如冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵的能耗。

每台冷冻机仍由机载控制器控制，所有就地的故障，安全及机械控制仍由控制器完成。而集中控制系统协调冷冻机运行，完成系统冷冻水的控制。系统的实际能力由机房控制和系统设备的能力共同决定。

2.1 监控内容

系统主要监控对象包括冷水机组，冷冻水系统，冷却水系统和压差旁通系统。具体监控内容：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的运行状态、故障、手自动情况并控制启停；冷冻水总供回水温度、压力和各栋楼房回水温度、压力；冷冻水总管回水流量和系统负荷；冷却水总管回水流量；旁通阀开度；冷机、冷冻水泵、冷却水泵累计运行时间；各阀门开关状态。

2.2 设备启停顺序策略

制冷机组起动顺序：开（加）机指令---制冷机组冷凝器侧电动蝶阀打开---对应冷却水泵启动---冷却塔按程序投入运行---冷凝器侧水流状态确认---制冷机组蒸发器侧电动蝶阀打开---对应冷冻水一次泵打开---蒸发器侧水流状态确认---制冷主机开启

制冷机组停机顺序：关（减）机指令---制冷主机卸载至关闭---延时10 分钟（可调）对应冷冻水一次泵关停---制冷机组蒸发器侧电动蝶阀关闭---对应冷却水泵关停---冷却塔关闭---制冷机组冷凝侧电动蝶阀关闭

2.3 制冷机组软启动与软关机控制

在系统冷冻水供水温度远离其设定点时，软启动模式能够防止系统产生过多冷量。例如，在冷冻机在周一早晨初次启动时，冷冻水管中的滞留水温较高，可能会错误地计算出高于实际需求的系统冷负荷。软启动功能可确保冷水机房缓慢的加载，防止过快地产生过多冷量。

软启动的机理是限制冷冻机的电流。在软启动模式下，冷冻机卸载启动，直到有一个加机要求冷冻机才被允许运转于全冷量状态。

在软启动模式下的加机算法与正常模式下的不同。在软启动模式，冷水机房群控监测系统回水温度，如果这个温度下降的速率不够快，这就意味着需要更多冷量。冷水机房群控持续检测每分钟回水温度的变化，如果变化率不大于操作人员的输入值，加机定时器开始工作[2]。

为了避免制冷主机在启动和停止时对电网造成巨大冲击，确保制冷主机和配电站的安全，制冷主机在启动与关机时采用“软启动”与“软关机”控制。

在加载制冷主机时采用“软启动”模式，中央冷源监测与控制系统在收到加机信号后，首先降低运行制冷主机的运行工况，然后启动下一台制冷主机，最后将多台制冷主机同时加大运行工况。

在减载制冷主机时采用“软关机”模式，中央冷源监测与控制系统在收到减机信号后，首先降低了多台制冷主机的运行工况，然后停止列入减机序列的制冷主机。

2.4 制冷机的加减机控制

本项目设计制冷机组加载控制原则：以压缩机运行电流作为加载制冷机组的依据。当制冷主机运行电流与额定电流的百分比大于100%，并保持15 分钟后或此比例5 分钟内持续增大时，系统加载一台制冷主机。加载时优先加载小容量制冷主机，如小容量制冷主机已全部处于运行状态，则启动大容量制冷主机。

加载的制冷机组与已运行的制冷机组当并联运行，无论制冷机组容量匹配与否，运行电流与额定运行电流比值要保持一致。

本次提供两种制冷主机的降载依据：

1）根据温度的减机逻辑检测系统实际供回水温差ΔTa。当系统的实际供回水温差ΔTa小于系统设计的供回水温差ΔTd时，系统发出一个减机请求。如果减机请求持续存在达到减机延迟时间时，一台冷冻机被减去。降载后，处于运行状态的制冷主机并联运行，无论制冷主机容量匹配与否，运行电流与额定运行电流比值需要保持一致[3]。

2）制冷主机减机的依据取决于制冷机组压缩机运行电流，按当前计算制冷主机平均运行电流卸机。

本项目制冷主机为1150RT×3 台，600RT×2 台。其制冷主机减机策略如下：

1）当5 台制冷机组（1150RT×3+600RT×2）同时运行电流低于87%并保持15 分钟后，系统卸除1 台600RT 制冷主机。

2）当4 台制冷机组（1150RT×3+600RT×1）的运行电流低于85%并保持15 分钟后，系统卸除1 台600RT 制冷主机。

3）当4 台制冷机组（1150RT×2+600RT×2）的运行电流低于82%并保持15 分钟后，系统卸除1 台600RT 制冷主机。

4）当3 台制冷机组（1150RT×3）的运行电流低于84%并保持15 分钟后，系统卸除1150RT 制冷主机，同时加载600RT 制冷主机。

5）当3 台制冷机组（1150RT×2+600RT×1）的运行电流低于79%并保持15 分钟后，系统卸除600RT 制冷主机。

6）当3 台制冷机组（1150RT×1+600RT×2）的运行电流低于74%并保持15 分钟后，系统卸除600RT 制冷主机。

7）当2 台制冷机组（1150RT×2）的运行电流低于76%并保持15 分钟后，系统卸除1150RT 制冷主机，同时加载600RT 制冷主机。

8）当2 台制冷机组（1150RT×1+600RT×1）的运行电流低于65%并保持15 分钟后，系统卸除600RT 制冷主机。

9）当1 台制冷机组（1150RT×1）的运行电流低于52%并保持15 分钟后，系统卸除1150RT 制冷主机，同时加载600RT 制冷主机。

10）当唯一运行的600RT 制冷机组的运行负荷低于10%时，关闭该制冷主机，如供水温度在7 ℃以上并保持15 分钟重启600RT 制冷主机。

2.5 冷冻水泵控制

本项目一次冷冻水泵与冷水主机一一对应运行，均为变频控制，小机组二用一备，互为备用。大机组三用一备。在互为备用的水泵中，根据“均等运行时间”原则顺序启停各台水泵。

根据末端最不利端压力差PID 调节冷冻水泵频率，当末端最不利端压力差变大时，相应的减少所开冷冻水泵的频率。当末端最不利端压力差变小时，相应的增加所开冷冻水泵的频率。

根据冷冻机和冷冻水泵性能特性限定变频水泵最低频率，其中大机1150RT 机组对应水泵最小频率设置为25Hz，小机600RT 机组对应水泵最小频率设置为30Hz。

此项目设计制冷主机与冷冻水泵相互对应，冷冻水泵的开启台数按照对应的制冷主机的开启台数来决定。

2.6 冷却水泵控制

本项目冷却水泵与冷水主机一一对应运行，小机组二用一备，互为备用。大机组三用一备。在互为备用的水泵中，根据“均等运行时间”的原则顺序启停各台水泵。

通过获取冷水机组冷凝温度或压力变频调节水泵流量与设定值对应，并通过冷水机组冷凝温度或压力情况调节水泵流量。

根据冷冻机和冷冻水泵性能特性限定变频水泵最低频率，其中大机1150RT 机组对应水泵最小频率设置为30Hz，小机600RT 机组对应水泵最小频率设置为40Hz。

此项目设计制冷主机与冷冻水泵相互对应，冷却水泵的开启台数按照对应的制冷主机的开启台数来决定。

2.7 冷却塔的优化控制

此次项目设置了4 台冷却塔，每台冷却塔含两台变频风机，每台塔进出水分别设置两个电动开关阀门。冷却塔进出水管上的电动开关阀与冷却塔的启停连锁：冷却塔开，其对应的电动阀门开。冷却塔关，其对应的电动阀门关。

控制系统将根据冷却水供水温度，通过调节冷却塔风机的开启台数及频率运行，调节换热，来保证冷却水的供水温度，为冷水机组高效运行创造良好的环境。

冷却水供水温度直接影响冷冻机制冷效率。冷却水供水温度越低，则制冷机效率越高，其耗电量将会越低。但是，降低冷却水温度，却会引起冷却水塔的能耗升高。所以，要想达到主机和冷却塔综合能耗最低，必须找到最佳的冷却水供水温度。

冷却水温的调节有许多方法，通常多采用冷却塔风机的变频控制。根据变频风机的节能原理，低速运行是冷却塔本身节能所在。故此次项目冷却塔优化控制实现方法如下：

1）在室外安装室外湿球温度传感器，根据系统的计算，计算出此时的最优化的冷却水的温度设定值。

2）当系统启动时，一台风机先以最低频率启动，如果不能满足最优化的冷却水的温度，则第二台、第三台……依次以最低频率加入。如果此时冷却水温度仍未到设定值，所有风机同频上升来加大风量，直至达到计算的最优化的冷却水的温度设定值。

3）当工况发生变化，计算出的最优化的冷却水的温度设定值高于冷却水的实际温度时，全部风机同步降频来维持冷却水的温度，以满足最优化温度要求。当所有风机都处在最低频率时（因为所有风机同步动作，所以同时处在最低频率），如果还有降频的需求，则依次关闭一台风机，直至冷却塔风机全部关闭。

3 空调群控系统的实现

本次方案设计选用TRANE Tracer SC+系统作为本项目中央冷源监测与控制系统（以下简称CCS）平台，该系统采用管理层网络和监控层网络（控制器）两级网络架构，全以太网的架构最大的保证了系统的通信的速率和可靠性。

系统在冷冻站值班机房设Tracer CCS 监控管理主机，根据现场的监控点位配置TRANE Tracer SC+系统控制器与Tracer UC600 现场智能控制器及配套的XM I/O 点扩展模块。整个系统经通信网关把群控数据给到园区的BA 系统，实现远程监控。

本方案设计在考虑系统硬件配置时，除满足方案目前需要以外，对于DDC 控制器及其扩展模块上的输入输出点数量，考虑了大约10%左右的备用量，作为将来可能的调整及设备增加之用。

TRANE Tracer SC+系统网络架构如图2 所示：

图2 网络系统图

TRANE Tracer 系统以标准的以太网（IEEE802.3）作为物理标准，TCP/IP 为网络通讯协议，并采用Windows XP/Windows 7 作为操作系统。

TRANE Tracer 系统的网络配置遵循分散控制，集中监视，资源和信息共享的基本原则，是一个工业化标准的集散型控制系统。

5 结束语

此系统2019 年正式投入使用，经过近两个供冷季的运行验证，运行效果很好，各方面达到设计预期。合理的冷机群控策略是实现中央空调系统高效节能的关键，对实现建筑节能减排有着重大意义。冷机群控系统影响因素复杂，考虑不确定性因素的影响，合理设置控制阈值，能有效提高群控的可靠性和系统的能效性。随着楼宇自控技术的发展，通过楼宇自控系统这个平台对冷冻机房实现集中控制和统一管理，对空调系统中制冷主机、水泵、冷却塔等设备统一考虑，实现各机电设备的有效协同控制，才能实现整个空调系统的高效运行。