基于物联网的冷水机组节能与安全分析

黎天标，毛 力，曾永忠，周 璇，叶向荣

（1.广州特种承压设备检测研究院，广州 510000；2.华南理工大学，广州 510000）

绿色发展是我国“十四五”规划的核心，碳达峰和碳中和贯穿于经济社会发展全过程和各方面，建筑节能和工业节能是实现工业领域碳达峰行动的重要途径。冷水机组是建筑空调机组和工业冷却的主要用能设备，在电子工业、医药制造和数据中心等领域趋势尤其明显。中央空调系统的总能耗在公共建筑能耗中占的比例约为40%～60%，而冷水机组的能耗又占空调系统总能耗的40%，部分地区甚至高达70%。降低冷水机组的能耗成为了空调节能，甚至建筑节能的重要一环[1]。另外，冷水机组系统中的蒸发器和冷凝器等承压设备存在爆炸及氨泄漏等危险性[2]。现有冷水机组节能运行监测系统大多仅针对空调系统节能进行监测与故障诊断，而缺少对冷水机组中的冷凝器、蒸发器及油分离器等压力容器的安全在线监测。目前检验机构开展冷水机组节能及其系统中的压力容器安全检测均需要测试人员到现场，耗费大量的人力物力，而且只能测出当时状态下冷水机组的节能及安全状况，无法测定冷水机组在运行工况变化后的节能与安全状况，与冷水机组动态负荷频繁变化的现状不相符，同时也无法对冷水机组的运行参数进行实时监测，不能满足节能与安全监测的需要。

为实现冷水机组节能与安全的在线监测，记录运行数据，并分析不同运行工况下冷水机组节能与系统的安全性，利用物联网技术研究开发冷水机组节能与安全运行参数在线远程监测系统，建立集节能数据采集、汇总、统计、分析计算、预报预警及数据共享于一体的统一的信息化监测平台，不仅能够满足建筑业主、工业企业和安全监管部门的现实需要，而且对于冷水机组系统的节能改造和社会实现碳达峰、碳中和意义重大。

1 系统构建

基于物联网的冷水机组节能与安全监测系统是应用物联网无线数据传输技术，对冷水机组的各种运行参数进行在线监测与预警，该系统具有施工便捷、成本低、监测范围广、速度快，以及便于进行长期的全天侯无地域限制动态监测等优势，特别对一些安装运行时间较长、自动控制水平较低、缺乏远程在线监测装置、布线困难、节能和安全运行等级无法判断等场合，该物联网监测系统将发挥不可替代的作用。

基于物联网的冷水机组节能与安全监测系统主要包括冷水机组运行节能在线监测模块、节能分析模块、运行数据标准管理模块、安全分析模块及运行节能数据分析模块等组成。其中，冷水机组运行节能在线监测模块包括冷水机组蒸发温度及蒸发压力、冷凝温度、冷凝压力、冷冻供回水温度和冷却水进出口温度等运行参数的可视化在线监测；节能监测分析模块包括运行节能建模计算、统计分析与低节能报警等功能；运行数据标准管理模块包括冷水机组冷凝器运行参数阈值、COP阈值与表字段拓展信息维护功能；安全分析模块包括各类冷水机组特种承压部件典型安全运行参数库建立、特种承压部件安全运行历史数据展示等功能。

2 系统软件平台

软件平台遵循J2EE规范，采用组件+分布式架构。最大化组件通用性的优势，各应用层功能可以灵活通过组件组合的方式实现。组件采用JAVA语言JAR包的形式提供。根据实际需要可灵活扩展组件，也可根据实际情况通过组件组合添加新的功能。平台架构图如图1所示。

图1 基于物联网的冷水机组节能与安全监测系统平台架构图

软件平台总体功能包括4大核心功能模块及1个基础支撑模块。4大核心功能为标准子系统、节能分析、安全分析及数据分析。基础支撑模块包含用户、角色、权限及数据字典等。总体功能框架图如图2所示。

图2 软件平台总体功能框架图

其中，运行节能建模评价可以实现对多种冷水机组运行特性分析，利用采集的运行参数，结合新兴的机器学习算法（如支持向量机、小波分析等）或多元非线性回归算法等建立各类冷水机组运行节能模型，结合相关标准，对各种工况下冷水机组运行节能等级进行评价，为企业提供冷水机组节能改造依据。

冷水机组特种承压部件安全运行智能诊断对冷水机组内的各特种承压部件（冷凝器、蒸发器等）的安全运行参数进行前期调研分析，建立不同类型冷水机组特种承压组件的安全运行参数库，利用数据库建立起运行的安全阈值，对特种承压设备进行实时监控，根据冷水机组系统中特种承压设备的在线监测数据，判断冷水机组特种承压部件的安全运行状态，对可能存在的安全问题进行预警，以达到消除安全隐患的目的。

基于物联网的冷水机组节能与安全监测系统软件平台的实施过程主要为：①根据数据来源的不同，软件平台具备读取本地文件和链接远程数据库的功能，用户可自由筛选建模和控制算法所需的输入输出数据；②软件平台具备数据在线预处理功能，实现数据缺失、突变值和累积突变值的在线识别与修复，实现数据的归一化和平滑操作，保证建模和控制算法的数据质量；③平台中应有多种能耗预测算法的调用接口，可以对比不同算法的结果从而选择预测精准度高的算法；④对于每种能耗预测算法，能够调节超参数，保证预测的精准性；⑤软件平台可对原始数据和计算结果进行可视化操作，以图表形式向用户展示，便于用户分析。

2.1 冷水机组运行参数在线监测

冷水机组运行节能在线监测界面包括设备选择和实时监测界面。可选择安装了数据采集仪的各企业的各台冷水机组，对冷水机组的冷冻水进出口温度，冷却水进出口温度，压缩机吸气温度、排气温度，压缩机吸气压力、排气压力及运行节能等参数进行实时监测。如图3所示。

图3 冷水机组运行节能监测分析界面图

2.2 冷水机组运行数据标准管理

冷水机组运行数据标准管理界面能够根据用户需求，自行设定各种运行参数字段设置、安全运行阈值以及运行节能标准等参数，作为冷水机组的安全运行诊断的标准。冷水机组运行数据监测同样能够对冷水机组的各运行参数与已设定的阈值或标准进行对比分析，一旦超出阈值，则在界面进行报警，提示设备维护人员及时进行安全隐患排查。如图4所示。

图4 冷水机组运行参数监测分析界面

2.3 冷水机组运行数据安全分析

冷水机组运行数据的安全分析主要包括冷水机组系统中压力容器设备的数据查询，压力容器设备异常历史数据查询、节能报告、报警方式及报警字段设置等功能，如图5所示。

图5 冷水机组运行报警情况统计分析

2.4 冷水机组运行节能数据分析

冷水机组运行节能数据分析功能目前已实现冷水机组运行节能监测的数据分析，通过抽取2020年广州地区部分冷水机组节能数据进行分析，可以直观地反映出各区甚至各台冷水机组节能状况，为后期更好地开展冷水机组节能改造等措施提供技术支撑。广州各区域部分冷水机组运行节能分析总览，如图6所示。

图6 广州市各区域部分冷水机组运行节能数据分析

3 结束语

本文提出一种基于物联网的冷水机组节能与安全运行在线监测系统，利用物联网技术研究开发冷水机组节能与安全运行参数在线远程监测系统，建立集节能数据采集、汇总、统计、分析计算、预报预警及数据共享于一体的统一的信息化监测平台，成为建筑业主、工业企业和安全监管部门的现实需要。实现冷水机组节能与安全运行参数快速、准确、实时记录并远程在线监视冷水机组的运行情况，通过采集的参数实时计算冷水机组的运行效率，及时发现有关安全、节能参数的异常，并自动报警，使用户能及时采取措施，保证冷水机组在最优的节能、安全参数下运行，达到冷水机组安全和节能减排的目的。