中央空调系统冷却塔节能优化和智能控制研究

武晓 周宇豪 王亚东

中移系统集成有限公司 北京 100052

1 冷却塔的PID智能控制框架

改造以节能为目的，对于冷却塔风机采用PID控制和变频技术进行温度控制[1]。以某品牌的多回路智能PID作为控制器，以某品牌热电阻温度传感器作为温度采集装置，通过某品牌5.5kW变频器对电机进行调速，使用可控硅模块和电动阀进行流量调节。改造前启动塔风机数量和阀门开启状态采用的传统控制且没有变频器。提出的控制系统将应用多回路智能PID控制器、变频器、可控硅开关、电动阀、温度传感器等对冷却塔进行控制。

2 数据中心中央空调冷却塔基于节能改造的硬件设计

中央空调系统的冷却塔控制系统的硬件由多回路智能PID控制器、温度传感器、水位保护、高温保护、变频器等组成。下面对主要器件的功能进行介绍。

多回路智能PID是整个节能控制系统的核心硬件，对整个冷却塔节能控制系统起着核心控制作用[2]。对整个系统采集的数据进行记录、显示、监测、处理。出水温度传感器为PT100温度传感器，安装在能够灵敏反应中央空调机组冷却水温度的地方，其作用是为多回路智能PID控制器采集水温数据。水位保护器是冷却塔水位监测装置，水位过低或者过高都会反馈信息给多回路智能PID控制器。防止某些特殊情况下（如机组水流开关或者压差开关故障）机组干烧。高温保护是防止冷却塔水温过高的温度传感器，冷却塔水温过高可能引起中央空调主机踹振，严重情况下会使机组报废，与出水温度传感器安装在同一个地方。

主变频器是某品牌的5.5kW变频器。主变频器控制一台5.5kW的风机，采用PID方式控制，根据水温调节频率。电动阀采用某品牌DN100电动阀，根据冷却塔进出水温度的差值调整流量。可控硅模块通过接收多回路智能PID控制器给出的信号对电动阀门进行控制，其优点在于可以将通断时间降到1s和通断电路没有任何电火花。2号、3号辅助变频器为某品牌的5.5kW变频器，辅助变频器启动条件是在主变频器控制的风机满负荷的情况下不能达到降温目标时依次启动，依次启动的温差为1.5℃。根据数据中心中央空调冷却塔节能需求所制定的硬件选型方案如表1所示。

表1 节能控制系统硬件选型方案

综上所述，数据中心中央空调冷却塔控制系统的硬件系统通过不同器件采集各种数据传输给多回路智能PID控制器，多回路智能PID控制器对接收到的数据进行处理，然后发出指令给各个执行器，实现冷却塔的节能控制。

3 中央空调冷却塔的节能需求进行的程序设计

要使中央空调冷却塔系统安全、节能、高效的运行，就必须对冷却塔出水温度和流量进行有效控制，当下用于冷却塔控制的方式有PID控制和模糊控制两种方式，而PID在冷却塔控制方面是应用最为广泛的算法。采用PID算法对程序进行设计，控制系统的流程图如图1所示。

图1 冷却塔控制回路系统图

从图可以看出对节能系统的控制如下：利用安装在冷却塔进出水管上的温度传感器测出进出水温度，根据测出的出水温度与设定值进行比较，从而进行主变频器的频率调节和启动辅助变频器，对冷却塔散热量进行调整。根据冷却塔进出水温差进行电动阀门开度的调节，进而对冷却水的流量进行调节。设定最高出水温度保护值，保护值与高温保护温度传感器测出温度进行对比，以达到保护中央空调主机的目的。水位保护器对水位进行测量，当超过最高水位或者低于最低水位时，水位保护器闭合给出信号，多回路智能PID控制器发出报警信号[3]。

综合上述过程，运用基于节能需求的数据中心中央空调冷却塔控制系统对冷却塔系统进行控制的过程如下：在程序中提前设定冷却塔出水温度值和进出水温差值，通过各个温度传感器对冷却塔系统的温度进行采集后，将采集的温度与设定值进行对比，通过PID算法将处理过的信号传输给变频器，通过调节频率对电机的转速进行调节，如果偏差值较大则多回路智能PID控制器将根据温差依次启动辅助变频器，从而实现对温度的控制，以实现冷却塔节能的目的。

4 结语

针对传统的中央空调冷却塔控制系统存在能耗高、效率低的问题，提出改善这一缺点的中央空调冷却塔控制系统开发应用，通过对其硬件设计、硬件选择、软件设计，完成了基于改善能耗高、效率低的控制系统，最后通过对比得出提出的控制系统比传统的中央空调冷却塔控制系统在保证安全运行的情况下更加节能且节能效果明显。