UPPC超高效冷凍機(jī)房節(jié)能控制系統(tǒng)

濠信節(jié)能科技（上海）有限公司（益浩科技國(guó)內(nèi)子公司）周利靖徐萍

UPPC超高效冷凍機(jī)房節(jié)能控制系統(tǒng)

濠信節(jié)能科技（上海）有限公司（益浩科技國(guó)內(nèi)子公司）周利靖徐萍

0　引言

近年來(lái)，隨著電力成本的逐年增長(zhǎng)，企業(yè)對(duì)建筑運(yùn)行成本控制的要求也越來(lái)越高。這為節(jié)能減排新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了前所未有的市場(chǎng)機(jī)遇。越來(lái)越多的建筑物管理者和設(shè)計(jì)者正改變思路，考慮如何通過(guò)改造現(xiàn)有系統(tǒng)提高管理水平和將先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到項(xiàng)目中來(lái)降低運(yùn)行成本。中央空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗中占比例最大的設(shè)備系統(tǒng)，對(duì)其控制系統(tǒng)采取節(jié)能設(shè)計(jì)和改造，是提高整個(gè)建筑物能效最直接有效的方法之一，這為以中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)為核心技術(shù)的益浩科技有限公司(“益浩科技”)創(chuàng)造了極佳的市場(chǎng)機(jī)遇。

濠信節(jié)能科技（上海）有限公司自主研發(fā)的UPPC?(Ultra Performance Plant Controller)超高效冷凍機(jī)房節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)專利尋優(yōu)識(shí)別算法對(duì)冷凍機(jī)房中各設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、主動(dòng)尋優(yōu)控制，以機(jī)房中各設(shè)備的基本特性為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)制冷負(fù)荷為控制依據(jù)，將整個(gè)冷凍機(jī)房保持在整體能耗最低點(diǎn)、整體效率最高化的運(yùn)行模式。UPPC?中央空調(diào)冷凍機(jī)房節(jié)能控制系統(tǒng)，適用于大型商業(yè)、辦公樓宇、酒店等公共建筑項(xiàng)目，以及工業(yè)領(lǐng)域中的各種類型的建筑中，通過(guò)UPPC?超高效系統(tǒng)的控制，中央空調(diào)冷凍機(jī)房的運(yùn)行效率比傳統(tǒng)冷凍機(jī)房大幅提高，可大幅度降低能耗，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1　UPPC?介紹及系統(tǒng)組成

UPPC?是一個(gè)適用于各類冷凍機(jī)房的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)（包括一次水、二次水系統(tǒng)，定頻、變頻冷凍機(jī)等），以整體能耗最低、整體效率最高為目標(biāo)，以機(jī)房中各設(shè)備的基本特性為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)制冷負(fù)荷為控制依據(jù)，通過(guò)專利尋優(yōu)識(shí)別算法對(duì)冷凍機(jī)房中各設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、主動(dòng)尋優(yōu)控制。

UPPC?技術(shù)突破了傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能的觀念，以中央計(jì)算機(jī)和工業(yè)可編程控制器（PLC）為硬件核心、以UPPC?尋優(yōu)算法為軟件核心、以傳感器為監(jiān)測(cè)、以變頻控制為手段的群控系統(tǒng)解決方案，大幅提高了節(jié)能效率。UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷跟蹤冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及水力系統(tǒng)的運(yùn)行曲線，對(duì)每臺(tái)設(shè)備采用主動(dòng)式控制和整個(gè)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行集成尋優(yōu)控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)冷凍機(jī)房綜合能耗最低的目標(biāo)。

UPPC?控制系統(tǒng)為兩層構(gòu)架，上位機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)整體尋優(yōu)算法的控制、控制策略的實(shí)現(xiàn)、整個(gè)機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。下位機(jī)為工業(yè)級(jí)可編程控制器PLC，實(shí)際控制各相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行（見(jiàn)圖1）。

（1）中央計(jì)算機(jī)

中央控制站以工業(yè)級(jí)控制計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，安裝有UPPC?核心尋優(yōu)控制軟件。作用相當(dāng)于“大腦”，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并制定優(yōu)化控制程序(判定各主要系統(tǒng)裝置的最佳流量及溫度設(shè)定),然后對(duì)冷凍機(jī)房設(shè)備和設(shè)定進(jìn)行中央控制，并將計(jì)算結(jié)果傳遞給各設(shè)備控制子站作為執(zhí)行的依據(jù)。另外，中央控制站的軟件界面承擔(dān)了機(jī)房日常運(yùn)行管理的工作。

圖1 UPPC系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）UPPC?尋優(yōu)控制軟件

中央計(jì)算機(jī)的軟件核心部分是通過(guò)數(shù)學(xué)建模、程序優(yōu)化構(gòu)建而成的尋優(yōu)計(jì)算模塊。軟件的主要任務(wù)為：1. 定時(shí)從下位機(jī)采集所需的傳感器數(shù)據(jù)；2.將獲取到的數(shù)據(jù)投入尋優(yōu)計(jì)算之中，得到一組最為合理、最為節(jié)能的機(jī)房設(shè)備控制策略，并將該策略傳送至對(duì)應(yīng)的可編程控制器PLC中，讓可編程控制器PLC控制具體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）設(shè)備智能控制子站

每個(gè)UPPC?系統(tǒng)具有數(shù)量不同的一系列設(shè)備控制子站。每個(gè)子站以工業(yè)級(jí)別的PLC控制器為基礎(chǔ)，執(zhí)行中央控制站對(duì)子站發(fā)出的指令，對(duì)冷水機(jī)組、冷凍水泵組、冷卻水泵組、冷卻塔組及相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制，調(diào)節(jié)設(shè)備的負(fù)荷以及控制流體流量、溫度，以維持最佳流量及溫度，并達(dá)到整體系統(tǒng)最高能效，以最低能耗運(yùn)作。同時(shí)，各控制子站通過(guò)相關(guān)傳感器采集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至中央控制站參與優(yōu)化程序計(jì)算。各個(gè)設(shè)備控制子站以InterBus通訊總線相聯(lián)進(jìn)行通訊。

（4）傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

控制系統(tǒng)中所涉及的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般包括：冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)口電動(dòng)截止閥；冷卻塔進(jìn)出水管電動(dòng)截止閥；冷凍水供回水溫度傳感器；冷凍水流量傳感器；冷凍水供回水管壓差傳感器；室外溫濕度傳感器；冷水機(jī)組冷凝器進(jìn)口電動(dòng)截止閥；冷凍水旁通管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；冷卻水供回水溫度傳感器；冷卻水流量傳感器；三相交流功率變送器；變頻控制器等；

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵的流量和揚(yáng)程是按照建筑物最大設(shè)計(jì)負(fù)荷選定的，且留有余量，由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，實(shí)際空調(diào)負(fù)荷在絕大部分時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)負(fù)荷低。一般冷凍水設(shè)計(jì)溫差在5～7℃，冷卻水的設(shè)計(jì)溫差在4～5℃。在水系統(tǒng)流量一定的情況下，全年絕大部分運(yùn)行時(shí)間溫差僅為1～3℃，即在低溫差、大流量的情況下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。采用變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，從而可以減少水系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)行工況下的輸送能耗。

（5）UPPC?超高效能效算法

對(duì)于相同的系統(tǒng)制冷負(fù)荷要求，冷凍機(jī)房系統(tǒng)可以有不同的滿足方法。其既可以采用較大的冷凍水供水溫差及較小的冷凍水流量(此時(shí)冷水機(jī)組的能耗較高，但冷凍水泵的能耗較低)，也可以采用較小的冷凍水供水溫差和較大的冷凍水流量(此時(shí)冷水機(jī)組的能耗較低，但冷凍水泵的能耗較高)。同樣，對(duì)于相同的冷水機(jī)組出力要求，可以選擇較高的冷卻水流量使冷水機(jī)組工作在較低的冷凝壓力下而使能耗較低；或者相反，采用較低的冷卻水流量使冷水機(jī)組能耗較高而冷卻水泵能耗較低的工作方式。當(dāng)多臺(tái)冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，將有更多的選擇可能。相同的制冷負(fù)荷要求可以用較多臺(tái)數(shù)的冷水機(jī)組同時(shí)工作，而每臺(tái)工作在較低負(fù)荷下來(lái)滿足負(fù)荷需求，也可以用較少臺(tái)數(shù)的冷水機(jī)組同時(shí)工作，而每臺(tái)冷水機(jī)組工作在接近滿負(fù)荷狀態(tài)來(lái)滿足。冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔之間也可以不按照負(fù)荷需求“一一對(duì)應(yīng)”的方式進(jìn)行工作。

UPPC?系統(tǒng)的控制原理是對(duì)冷凍機(jī)房?jī)?nèi)的全部設(shè)備，包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔以及水力管網(wǎng)，建立性能模型，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)聯(lián)合計(jì)算求解出冷凍機(jī)房的最低總能耗，然后進(jìn)行尋優(yōu)控制來(lái)找出各設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)房最低能耗的運(yùn)行工況，并對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)式控制而非傳統(tǒng)的被動(dòng)式反饋控制。UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)能夠充分利用冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下的高效率優(yōu)勢(shì)（對(duì)離心式和螺桿式冷水機(jī)組其最高效率點(diǎn)往往并非在100%負(fù)荷時(shí)，而是在某個(gè)部分負(fù)荷工況下），根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)時(shí)負(fù)荷需求，運(yùn)行不同的臺(tái)數(shù)組合。同時(shí)，主動(dòng)控制水泵和冷卻塔，使系統(tǒng)的綜合效率趨于最佳，即冷凍機(jī)房能耗最低。

在具體的控制策略中，首先根據(jù)冷凍機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備的特性建立各自的能耗數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立整個(gè)冷凍機(jī)房的能量平衡及能耗數(shù)學(xué)模型。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制計(jì)算機(jī)以一定的時(shí)間間隔測(cè)量制冷負(fù)荷的實(shí)時(shí)值，并據(jù)此進(jìn)行各能耗數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合求解和尋優(yōu)計(jì)算，找出能夠滿足此制冷負(fù)荷、且整個(gè)冷凍機(jī)房總能耗最低（即整體效率最高）的工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，控制計(jì)算機(jī)確定各受控變量的設(shè)定值并將之傳送到對(duì)應(yīng)的可編程控制器PLC中，再由可編程控制器PLC控制各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使得整個(gè)冷凍機(jī)房運(yùn)行在效率最高的狀態(tài)下。尋優(yōu)算法中所涉及到的數(shù)學(xué)模型有：冷水機(jī)組能耗模型、冷卻水泵能耗模型、冷凍水泵能耗模型、冷卻塔性能模型以及管網(wǎng)水力模型。

2　UPPC?和傳統(tǒng)冷凍機(jī)房群控的區(qū)別

目前市場(chǎng)上存在著各種類型的冷凍機(jī)房節(jié)能自控產(chǎn)品，絕大多數(shù)的此類產(chǎn)品都可歸類為不具備節(jié)能優(yōu)化的傳統(tǒng)機(jī)房群控系統(tǒng)。此類系統(tǒng)和UPPC?系統(tǒng)最大的差別在于前者沒(méi)有整體的節(jié)能控制軟件，即傳統(tǒng)機(jī)房群控系統(tǒng)主要以包含啟停或PID控制為簡(jiǎn)易控制邏輯的直接數(shù)字式控制器(DDC)和變頻器為主要軟件和硬件，對(duì)水泵進(jìn)行變頻控制，對(duì)冷卻塔和冷水機(jī)組進(jìn)行啟?？刂?。傳統(tǒng)的機(jī)房控制一般為若干組設(shè)備配備一個(gè)控制器，控制器配備原廠商編寫(xiě)的PID或啟?？刂七壿?，對(duì)該組設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的閉環(huán)控制。上位計(jì)算機(jī)只能接受DDC上傳的數(shù)據(jù)，而沒(méi)有反向?qū)DC發(fā)出控制指令的功能。這樣的控制策略沒(méi)有考慮各設(shè)備組之間的關(guān)聯(lián)影響，沒(méi)有考慮冷凍機(jī)能耗和冷卻水泵、冷卻塔能耗以及冷凍機(jī)能耗和冷凍水泵能耗之間的權(quán)衡判斷。這正是因?yàn)槠錄](méi)有一個(gè)核心的尋優(yōu)控制計(jì)算軟件，或者形象地說(shuō)：缺乏一個(gè)“大腦”。而UPPC?優(yōu)化控制正是具備了作為“大腦”的尋優(yōu)控制算法軟件。這一軟件是以機(jī)房整體能耗最小為控制目標(biāo)，對(duì)機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行變量進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，并將尋優(yōu)的結(jié)果發(fā)給PLC，作為PLC進(jìn)一步控制設(shè)備的控制變量。因此，對(duì)UPPC?控制系統(tǒng)而言，其上層的中央計(jì)算機(jī)和PLC之間的信號(hào)是雙向的，既接收來(lái)自PLC的信號(hào)，也同時(shí)向PLC發(fā)出控制指令。表1總結(jié)了UPPC?相對(duì)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的獨(dú)特性和先進(jìn)性。

3　項(xiàng)目案例

案例A: 中環(huán)廣場(chǎng)

上海中環(huán)廣場(chǎng)位于上海市中心優(yōu)越地段，總建筑面積54,000m2。廣場(chǎng)基座四層為高級(jí)購(gòu)物商場(chǎng)及地下停車場(chǎng)，上面有38層的甲級(jí)現(xiàn)代化商業(yè)大廈，寫(xiě)字樓總建筑面積43,000 m2。本工程冷凍機(jī)房總制冷量為2000RT，原有水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)，且為冷凍水泵、冷卻水泵等部分安裝了變頻調(diào)速裝置。利用原有冷凍機(jī)房控制設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上整合了UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)和對(duì)整個(gè)冷凍機(jī)房的監(jiān)控和管理。通過(guò)利用UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化算法，該項(xiàng)目冷凍機(jī)房年能耗可比原有運(yùn)行方式節(jié)省約20%～25%。

表1　UDPC與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)之性能比較

案例B: 華虹NEC

華虹NEC電子有限公司總廠和一廠，建筑面積8萬(wàn)m2，是具有世界一流技術(shù)水平的集成電路制造企業(yè)。本工程共有5臺(tái)1150RT的離心式冷水機(jī)組和3組2250RT的串聯(lián)離心式冷水機(jī)組，原水系統(tǒng)為二次泵變流量系統(tǒng)，冷機(jī)、冷卻泵及冷卻塔為一一對(duì)應(yīng)的組合方式。采用UPPC?優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)上海華虹NEC廠房進(jìn)行改造后，不僅實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)冷機(jī)中間溫度設(shè)置點(diǎn)實(shí)時(shí)優(yōu)化，而且實(shí)現(xiàn)了冷凍機(jī)房整體上的優(yōu)化控制，預(yù)計(jì)采用UPPC?改造后全年可節(jié)電443萬(wàn)kWh，每年節(jié)省電費(fèi)達(dá)310萬(wàn)元。