综合实验大楼冷源系统相关设备的自动化监控

　　0 引言。

　　智能建筑中最基本、最重要的组成部分是楼宇自动化系统（Building Automation System,简称BAS），BAS通过网络进行综合的控制与管理，在一个控制网络系统上连接大楼内的各种设备，它结合计算机网络、自动控制和通信技术，确保在建筑物内保持一个舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能。

　　在综合实验用房项目中，整个中央空调系统的能耗约占整个建筑能耗的60%左右，而其中冷水机组约占整个中央空调系统能耗的65%左右，冷却塔及水泵约占15%左右，整个冷水系统设备占整个建筑年总能耗的48%.冷源系统是空调系统中最重要的核心环节，是空调系统制冷的源头，也是消耗电能最大的地方。实现冷源系统节能、高效稳定运行的一个非常有效的技术手段就是利用自动控制技术对冷源系统相关设备（冷水机组、冷冻冷却水泵、冷却塔、阀门）进行自动化的监控，使系统达到最高效率的运行。

　　本项目综合实验楼是集办公、试验等为一体的多功能综合业务楼，由主楼（地上27层、地下2层）和南裙楼（地上3层、地下2层）、北裙楼（地上3层、地下2层）组成。

　　1 冷源系统控制功能。

　　系统监控点：（1）冷冻水供回水温度（AI）；（2） 冷冻水供回水压力（AI）；（3） 冷冻水供水流量（AI）；（4） 冷冻水供回水压差旁通阀阀门控制（AO）；（5） 冷却水供回水温度（AI）；（6） 冷却水供回水旁通阀开关控制（DO）；（7） 冷却水泵手自动开关状态监测（DI）；（8） 冷却水泵运行状态监测（DI）；（9） 冷却水泵故障报警监测（DI）；（10） 冷却水泵出口水流状态监测（DI）；（11） 冷却水泵启停控制（DO）；（12） 冷冻水泵手自动开关状态监测（DI）；（13） 冷冻水泵运行状态监测（DI）；（14） 冷冻水泵故障报警监测（DI）；（15） 冷冻水泵出口水流状态监测（DI）；（16） 冷冻水泵启停控制（DO）；（17）冷却塔回水管阀门开关控制（DO）；（18） 冷却塔回水管温度监测（AI）；（19） 冷却塔手自动开关状态监测（DI）；（20） 冷却塔运行状态监测（DI）；（21）冷却塔故障报警监测（DI）；（22） 冷却塔启停控制（DO）系统控制功能：（1） 监测冷冻、冷却水供回水温度、冷冻水供回水压力和供水流量； （2） 冷负荷需求计算：根据冷冻水供、回水温度和供水流量测量值，计算建筑空调实际所需的冷负荷量，并可决定开启冷水机组的数量；（3） 冷水机组启停联动控制：开启冷却塔、开启冷却水蝶阀、开启冷却水泵、开启冷冻水蝶阀、开启冷冻水泵、开启冷冻机组；停止反之；（4） 冷却水温度监测：根据冷却塔底部出水温度，自动控制冷却塔风机的启停台数以及冷却水供回水旁通阀开关，维持需要的冷却水温度恒定；（5） 冷水机组与冷却塔是一对一配套联动控制，通过冷负荷需求决定开启冷水机组和冷却塔的台数；（6） 通过监测冷冻水供回水压差，控制冷冻水供回水压差旁通阀门，当监测实际的冷冻水供回水压差超过设定压差值时，冷冻水供回水压差旁通阀门将开启能平衡此时监测到的实际压差值的开度，达到冷冻水供回水压力平衡的目的；（7） 冷却塔风机启动后，联动打开冷却塔回水电动蝶阀；反之，冷却塔风机停止运行，联动关闭冷却塔回水电动蝶阀；（8） 冷却塔风机启停节能控制：当冷却塔底部出水温度低于设定的温度（温度设定值按照设计要求给定的温度值做参照）时，表明冷却塔供水冷负荷达到设计要求，系统自动停止冷却塔风机运行，进行节能运行；当监测到冷却塔底部出水温度高于设定值时，系统自动启动冷却塔风机运行，以便向冷水机组提供低温冷却水进行散热，同时，为最大限度地保护设备，延长设备使用寿命，在每次启动、停止冷却塔风机的间隔时间不小于 10分钟（此时间可更改）；（9） 监测冷冻、冷却水泵和冷却塔运行状态、故障报警以及手自动状态；（10） 在 BAS上人工选定启停；（11） 监测冷冻、冷却水泵出口水流开关状态：当系统发出启动冷冻、冷却水泵指令后，延时 10秒（此时间可更改），系统自动检测水流开关状态，假若水流开关不动作，表明冷冻、冷却水泵故障，系统自动发出报警并停止冷冻、冷却水泵运行，防止冷冻、冷却水泵空转，造成设备损坏；（12） 当工作水泵出现故障时，系统自动启动备用泵投入运行；（13） 系统自动累计泵运转时间，提示适时进行维护保养；（14） 中央监控系统提供各项参数记录、声光报警信息等。

　　2 冷水机组的台数控制。

　　启停控制是系统根据用户端的负荷情况，供水管的流量及集水器、分水器的温差，计算冷热负荷，向其控制系统提交启停控制要求，同时监测其动作反馈。常规方式是根据一次供回水温差与总流量的乘积，即冷源系统总负荷量，直接进行机组台数调控。同时保证设备交替运行，延长使用寿命，平均分配各设备运行时间，指定各季节的优先使用设备，以便发生故障时能够做到自动切换。冷水机组负荷计算公式如下：

　　其中，机组加载次序的判断根据的是累计运行时间的长短，短则先开，长则后开。卸载次序亦是如此，长则先停，短则后停。当计算的负荷超过一台机组相应的冷量时，机组需要增加一台，反之机组需要卸载一台。

　　2.1 COP与负荷关系。

　　冷水机组性能指数（COP）是指冷水机组在额定的工况下制冷量与输入功率之比。为方便测试比较，我们以开利19XRV离心式冷水机组为例，冷冻水流量保持不变，出水温度控制在7℃，这时负荷的变化是由冷冻水回水温度差引起的。COP的最高值一般不是出现在满负荷时，而是出现在部分负荷时。电机输入功率与负荷率的关系如图1所示。

　　我们再计算冷水机组COP与负荷率的关系，如图2,较高的COP并不是出现在最高负荷时，要使冷水机组工作在较佳的性能状态，每个冷水机组的工作负荷为其额定负荷的50%~90%.

　　在实际的运行当中，空调负荷运行于部分负荷的时间占绝大多数。以往的控制方式基本上是以空调的负荷来控制冷水机组的开启，新机组在线运行冷水机组的接近满负荷时加载。我们综合考虑冷水机组的COP,如果多开一台机组能使在线运行的所有机组都处于一个比较理想的COP状态，这时多开一台机组消耗的电量足以抵消COP处在不理想状态消耗的电量。

　　2.2 台数控制计算。

　　单台冷冻水泵耗电42 kW, 将5台开利19XRV离心式冷水机组与5台冷冻水泵组成的冷冻水循环系统先串联后并联，为保证冷水机组对冷冻水的流量要求，同时开启冷水机组与冷冻水泵。如图3所示。

　　假定在总负荷不发生改变时，冷却水流量不需要改变，即冷却水的流量根据总负荷的变化而变化。这样，我们可以根据多开一组水泵和机组前后所消耗能量之比，来计算整个冷源系统是否节能，确定某一个负荷段多开或少开一组水泵和机组。

　　我们设总负荷为P,每台机组额定负荷为P1,系统总额定负荷为P∑=5P1.

　　当P<P1时，只启动一台机组。因为此时多开一台水泵消耗的42kW电量，大于开启两台机组COP提高所节约的电量。

　　当0.2P∑<P<0.38 P∑时，开启两台机组。0.38 P∑是一个计算耗能的平衡点，如果只开两台机组，每台机组运行负荷为0.95 P1,由图1可知这个负荷段单台机组耗能达到302.5kW,再加上两台水泵84kW,总耗电为302.5×2+42×2=689kW,此时COP只有5.534;如果由3台机组共同负担，每台机组运行负荷0.633 P1,由图可知每台机组消耗的电能为188kW,则系统总能耗为690kW,两种模式的能耗基本相同。

　　当 P = 0 . 4 P∑时 , 如 果 两 台 机 组 和 两 台 水 泵 运行，耗电为327×2+42×2=738kW;3台机组和3台水泵运行，每台机组运行负荷为0.667P1,耗电为197.3×3+42×3=717.9kW.此负荷点节能20.1kW.根据计算，节能随负荷的增加而增加。因此，当P>0.38 P∑且有持续一段时间向上增长的趋势时，则可多开启一台机组及水泵。负荷越高于0.38 P∑，节能越多，此时机组的COP提高到了5.920.如果持续P>0.4 P∑，需要保持3台水泵和机组同时运行。