大型購(gòu)物中心冷水機(jī)組群控系統(tǒng)研究

曹彥斌

（萬(wàn)達(dá)商業(yè)規(guī)劃研究院）

大型購(gòu)物中心冷水機(jī)組群控系統(tǒng)研究

曹彥斌

（萬(wàn)達(dá)商業(yè)規(guī)劃研究院）

冷水機(jī)組群控是利用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)制冷站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，使制冷站內(nèi)的設(shè)備達(dá)到最高效率運(yùn)行狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能高效穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)非常有效的技術(shù)手段。采用冷水機(jī)組群控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組輪換、故障保護(hù)、負(fù)荷調(diào)節(jié)，有助于延長(zhǎng)機(jī)組壽命，提高設(shè)備利用效率。2013年對(duì)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)進(jìn)行的冷水機(jī)組群控系統(tǒng)改造試點(diǎn)，取得了顯著的節(jié)能效果，同時(shí)降低了人工管理強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果顯示采用冷水機(jī)組群控系統(tǒng)后，冷站綜合節(jié)能率達(dá)到20%，節(jié)能效果顯著。

冷水機(jī)組群控；冷凍水泵；冷卻水泵；變頻

1 引言

隨著萬(wàn)達(dá)集團(tuán)規(guī)模的不斷擴(kuò)展，開(kāi)業(yè)的萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)數(shù)量越來(lái)越多，隨之而來(lái)的就是對(duì)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)節(jié)能和自動(dòng)化要求的不斷提高。典型萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的制冷站由4臺(tái)不同制冷量的冷水機(jī)組并聯(lián)組成，以便使系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷的變化，降低冷源部分的能耗。但是，要真正在實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到節(jié)能效果，必須借助與之相應(yīng)的運(yùn)行方案和群控策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

冷水機(jī)組群控是利用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)制冷站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備（冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、閥門）進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，使制冷站內(nèi)的設(shè)備達(dá)到最高效率的運(yùn)行狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能高效穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)非常有效的技術(shù)手段。多臺(tái)相同制冷量冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的群控策略對(duì)于多臺(tái)不同制冷量冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的情況并不適用。前者的群控策略所要解決的主要問(wèn)題是投入運(yùn)行的冷水機(jī)臺(tái)數(shù)，而后者所要解決的主要問(wèn)題不僅是投入運(yùn)行的冷水機(jī)臺(tái)數(shù)，還有所要投入的冷水機(jī)組合問(wèn)題，這遠(yuǎn)比前者復(fù)雜得多。[1]

2 冷水機(jī)組群控的目的

1）節(jié)能

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小，準(zhǔn)確控制制冷機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量和運(yùn)行工況，啟停相應(yīng)水泵，或降低水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能并節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的目的。

2）延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命

采用冷水機(jī)組群控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組輪換、故障保護(hù)、負(fù)荷調(diào)節(jié)，有助于延長(zhǎng)機(jī)組壽命，提高設(shè)備利用效率。

3 幾種冷水機(jī)組群控模式分析

3.1 回水溫度控制法

1）回水溫度控制法原理

通過(guò)測(cè)量空調(diào)系統(tǒng)中冷水系統(tǒng)回水的溫度，并根據(jù)其值的大小，決定開(kāi)啟冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)，從而達(dá)到控制冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)的目的。

2）回水溫度控制法的分析

（1）回水溫度適應(yīng)性較差，尤其在溫差小時(shí)，誤差大，對(duì)節(jié)能不利。

（2）可用于冷凍機(jī)的低溫保護(hù)和報(bào)警。

（3）但裝置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

（4）判據(jù)不明確。

3.2 壓差控制法

1）壓差控制法控制原理

集水器和分水器之間旁通管路上設(shè)有壓差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。總供回水管之間壓差增大，說(shuō)明用戶負(fù)荷及負(fù)荷側(cè)水流量減少，則調(diào)節(jié)旁通閥使其開(kāi)度變大。但僅根據(jù)壓差進(jìn)行臺(tái)數(shù)控制是很困難的。壓差的信號(hào)可以由兩個(gè)壓差壓力傳感器獲取信號(hào)后進(jìn)行計(jì)算得到，或直接由壓差傳感器得到。

2）有關(guān)壓差控制法的分析

每個(gè)項(xiàng)目的壓差情況是不一樣的，因?yàn)槊總€(gè)項(xiàng)目的水系統(tǒng)是不一樣的。國(guó)內(nèi)外的某些論文建議取消壓差控制，認(rèn)為判據(jù)不明確。

3.3 冷量/溫度控制法

1）冷量/溫度控制法控制原理

如圖1所示，在總供回水管上加裝1個(gè)流量傳感器和2個(gè)溫度傳感器[2]，通過(guò)測(cè)量冷凍水供回水溫度和供回水流量獲得溫差和流量信號(hào)，然后將兩個(gè)信號(hào)依熱力學(xué)公式計(jì)算實(shí)際的冷量（Q）。同時(shí)考慮供水溫度與設(shè)定值的偏離度、冷水機(jī)組的產(chǎn)冷量、供水溫度變化速率等因素，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)控制。

Q=1.163×F ×（T2-T1）

3.1.1 自動(dòng)創(chuàng)建方式。此種方法是創(chuàng)建網(wǎng)站最簡(jiǎn)單方式，根據(jù)需要建設(shè)的網(wǎng)站需要，選擇站群系統(tǒng)設(shè)置的網(wǎng)站模板，創(chuàng)建新的網(wǎng)站，但只能選擇系統(tǒng)中已有的模板。創(chuàng)建方式簡(jiǎn)單，但也有一定的局限性。此種方法適用于對(duì)網(wǎng)站開(kāi)發(fā)技術(shù)一點(diǎn)也不了解的網(wǎng)站管理員。

式中，Q為冷量，kW；F為水流量,m3/h；T1為出水溫度，℃；T2為回水溫度，℃。

2）有關(guān)冷量/溫度控制法的分析

制冷機(jī)組群控的目的是正確和適當(dāng)解決在工作點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的控制，其方法是測(cè)定冷凍水溫度和整個(gè)大樓的空調(diào)負(fù)荷，以某種算法和判據(jù)決定啟動(dòng)或停止一臺(tái)制冷機(jī)組的時(shí)機(jī)。此控制策略技術(shù)復(fù)雜，需要精通空調(diào)理論和控制理論知識(shí)，并對(duì)項(xiàng)目給與詳細(xì)的運(yùn)行調(diào)試。

3）加載冷水機(jī)組流程

（1）當(dāng)溫度傳感器所測(cè)的冷凍水供水溫度，高于當(dāng)前的冷凍水供水溫度設(shè)定值（點(diǎn)）與一個(gè)可調(diào)整的溫度偏差值相加后的所得值。

（2）當(dāng)前運(yùn)行的機(jī)組有足夠的時(shí)間由 0%負(fù)載變至接近100%負(fù)載。

圖1 冷量/溫度控制法原理

（4）運(yùn)行冷水機(jī)組的溫度降低速率小于0.3℃/min。

（5）新冷水機(jī)組啟動(dòng)的延遲時(shí)間已經(jīng)結(jié)束（延遲時(shí)間可以設(shè)定）。

（6）新冷水機(jī)組啟動(dòng)。

4）減載冷水機(jī)組流程

（1）目前運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)多于一臺(tái)。

（2）運(yùn)行機(jī)組的平均負(fù)載小于某個(gè)設(shè)定值（一般為65%～69%）。

（3）當(dāng)溫度傳感器所測(cè)的冷凍水供水溫度，小于當(dāng)前的冷凍水供水溫度設(shè)定值（點(diǎn)）與一個(gè)可調(diào)整溫度偏差值的0.6倍相加后的所得值。

（4）機(jī)組停機(jī)的延遲時(shí)間已經(jīng)結(jié)束（延遲時(shí)間可以設(shè)定）。

（5）設(shè)定機(jī)組馬上停機(jī)。

4 目前國(guó)內(nèi)冷水機(jī)組群控存在的問(wèn)題

根據(jù)大量的工程實(shí)例調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前冷水機(jī)組群控策略存在一個(gè)普遍問(wèn)題，就是大多數(shù)BA廠商沒(méi)有空調(diào)理論知識(shí)的支撐，在控制流程中僅僅將制冷機(jī)組當(dāng)做一臺(tái)“電機(jī)”進(jìn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)控，而實(shí)際上它的啟停需要根據(jù)許多空調(diào)理論知識(shí)來(lái)進(jìn)行判斷。另一方面，大多數(shù)空調(diào)廠家缺乏自動(dòng)控制方面的技術(shù)人員，因此不能在冷水機(jī)組的群控上提出準(zhǔn)確完美的控制策略。[3]

5 萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)冷水機(jī)組群控系統(tǒng)

2013年，萬(wàn)達(dá)集團(tuán)對(duì)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)進(jìn)行了冷水機(jī)組群控系統(tǒng)改造試點(diǎn)，取得了顯著的節(jié)能效果，同時(shí)降低了人工管理強(qiáng)度。

冷卻塔系統(tǒng)優(yōu)化：取消原來(lái)1臺(tái)冷機(jī)運(yùn)行打開(kāi)全部冷卻塔的運(yùn)行策略，改為冷機(jī)與冷卻塔一一對(duì)應(yīng)運(yùn)行策略。避免了當(dāng):1臺(tái)運(yùn)行時(shí)，冷卻水流過(guò)多臺(tái)冷卻塔散熱，如果冷卻塔風(fēng)機(jī)只開(kāi)1臺(tái)的話，其總體冷卻效果要差；但所有冷卻塔風(fēng)機(jī)都開(kāi)的話，冷卻效果好了，風(fēng)機(jī)能耗卻比較大了。

原系統(tǒng)中，冷凍水循環(huán)泵采用供回水壓差控制水泵變頻運(yùn)行，但無(wú)法按照空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的變化而做出相應(yīng)的水量變化，實(shí)際運(yùn)行中存在“小溫差、大流量、低效率、高功耗”的工作狀態(tài)。優(yōu)化系統(tǒng)后增加了“溫差”控制參數(shù)，降低了冷凍水循環(huán)流量，節(jié)省大量的冷凍水泵電耗，并且對(duì)冷水機(jī)組的功率幾乎沒(méi)有影響。原系統(tǒng)中，冷卻水循環(huán)泵是定頻工況，本次改造增加了冷卻水泵變頻控制，以降低冷卻水泵電耗。試驗(yàn)結(jié)果表明冷卻水變流量運(yùn)行可以大大降低冷卻水泵能耗，對(duì)系統(tǒng)的整體節(jié)能貢獻(xiàn)不可忽視。冷水機(jī)組群控系統(tǒng)原理如圖2所示。

5.1 設(shè)備改造

對(duì)冷水機(jī)組群控系統(tǒng)所進(jìn)行的設(shè)備改造如表1所示。

表1 系統(tǒng)改造設(shè)備

圖2 萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)冷水機(jī)組群控系統(tǒng)原理

5.2 節(jié)能測(cè)試

冷水機(jī)組群控系統(tǒng)改造后，進(jìn)行的節(jié)能對(duì)比測(cè)試如表2、表3、表4所示。測(cè)試說(shuō)明2天內(nèi)交替運(yùn)行測(cè)試，7月11日為原系統(tǒng)控制模式運(yùn)行，7月12為群控系統(tǒng)控制模式運(yùn)行。

表2 冷水機(jī)組群控系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試（7月11日～12日）

表4 冷水機(jī)組群控系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試（10月23日～24日）

原系統(tǒng)模式與群控系統(tǒng)模式節(jié)能對(duì)比如圖3所示。

圖3 冷水機(jī)組群控系統(tǒng)節(jié)能對(duì)比

5.3 測(cè)試結(jié)果

原系統(tǒng)在運(yùn)行策略、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等方面存在缺陷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)冷站智能運(yùn)行，需要操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。改造后，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了水溫傳感器、水流傳感器、室外溫濕度傳感器、電能表和配電柜等，組成控制系統(tǒng)，可系統(tǒng)地分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確控制水泵變頻、冷卻塔開(kāi)啟等運(yùn)行因素，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行能耗。

改造后冷水機(jī)組群控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。系統(tǒng)直觀，操作方便，具有較高的自動(dòng)化程度。測(cè)試結(jié)果顯示采用冷水機(jī)組群控系統(tǒng)后，冷站綜合節(jié)能率達(dá)到20%，節(jié)能效果顯著。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）有多臺(tái)冷機(jī)且空調(diào)負(fù)荷經(jīng)常變化的建筑，采用冷水機(jī)組機(jī)群控系統(tǒng)節(jié)能效果比較明顯。

2）要實(shí)現(xiàn)真正節(jié)能運(yùn)行，首先要制定合理的運(yùn)行方案和正確的控制策略。在實(shí)際運(yùn)行中還要綜合考慮冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔的運(yùn)行能耗。

3）通過(guò)群控系統(tǒng)改造發(fā)現(xiàn)，冷水機(jī)組群控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和后期服務(wù)對(duì)冷站正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。

【1】傅斌，趙煒，李海峰.多臺(tái)不同制冷量冷水機(jī)組并聯(lián)的節(jié)能運(yùn)行方案及群控策略[J].制冷與空調(diào)，2008（8）：12-16.

【2】Shangguo W.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè)[M].李德英等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：375-379.

【3】王丹.冷水機(jī)組群控策略[J].智能建筑與城市信息，2006（2）：47-48.

Research on the Group Control Policies of Parallel Chillers in the Shopping Mall

CAO Yan-bin
（Wanda Commercial Planning and Research Institutre Co., Ltd）

Application of group control technologies on chillers is advantage of the energy efficiency for the chilling station, and it will save the energy consumption of the buildings. With the group control policies, the chillers will run in turn, adapt loads automatically, and is benefit for the life of the chillers. In 2013, the innovation of group controlling chillers for WANDA Shopping Mall was processed, it shows that the 20% of energy efficiency rising is attribute to the group control policies in the chilling station.

group control policies；chilled water pump；cooling water pump；frequency-variable controller