杭州某產業(yè)園空調冷源群控系統(tǒng)的設計

蒯標 嚴燕

1 杭州?？低晹底旨夹g股份有限公司

2 特靈空調系統(tǒng)（中國）有限公司

在現(xiàn)代智能建筑中，中央空調系統(tǒng)已經成為建筑物非常重要的組成部分，它給人們提供了舒適的工作、生活、休閑環(huán)境。據國內外的相關統(tǒng)計數據資料表明，空調系統(tǒng)在提供人們舒適環(huán)境的同時，也消耗大量的寶貴能源，通常，空調系統(tǒng)的耗電量會占到整幢建筑物耗電量的50%甚至更多，而制冷主機及其輔助設備，如冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等的耗電量會占到整個空調系統(tǒng)耗電量的80%以上。通過中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)實現(xiàn)中央冷源系統(tǒng)的節(jié)能運行，對降低設備運行費用、提高營運效益是非常重要的[1]。本文以具體項目介紹了Trane 公司Tracer SC+樓控系統(tǒng)在中央空調群控系統(tǒng)中節(jié)能方面的應用。

1 杭州某產業(yè)園冷源系統(tǒng)概況

本項目為軟件生產調試中心，整個園區(qū)的空調冷熱源集中設置在本單體地下一層北側的能源中心內。園區(qū)內各單體的空調冷熱源由能源中心提供。本項目夏季冷負荷14235 kW，空調冷源系統(tǒng)采用設計三臺4044kW（1150RT）離心式冷水機組，兩臺制冷量2100 kW（600RT）離心式冷水機組。項目冷源系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 冷源系統(tǒng)圖

2 冷機群控系統(tǒng)控制策略

冷機群控系統(tǒng)的核心是群控策略，也就是控制邏輯，依據建筑物的空調負荷需求，自動調節(jié)優(yōu)化控制多臺冷水機組及相關設備的運行，使機組制冷能力與系統(tǒng)負荷相匹配。

機組優(yōu)化的目的是為了使整個系統(tǒng)能耗最低，因此不僅要考慮冷水機組的能耗，還要考慮其附屬設備如冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵的能耗。

每臺冷凍機仍由機載控制器控制，所有就地的故障，安全及機械控制仍由控制器完成。而集中控制系統(tǒng)協(xié)調冷凍機運行，完成系統(tǒng)冷凍水的控制。系統(tǒng)的實際能力由機房控制和系統(tǒng)設備的能力共同決定。

2.1 監(jiān)控內容

系統(tǒng)主要監(jiān)控對象包括冷水機組，冷凍水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)和壓差旁通系統(tǒng)。具體監(jiān)控內容：冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的運行狀態(tài)、故障、手自動情況并控制啟停；冷凍水總供回水溫度、壓力和各棟樓房回水溫度、壓力；冷凍水總管回水流量和系統(tǒng)負荷；冷卻水總管回水流量；旁通閥開度；冷機、冷凍水泵、冷卻水泵累計運行時間；各閥門開關狀態(tài)。

2.2 設備啟停順序策略

制冷機組起動順序：開（加）機指令---制冷機組冷凝器側電動蝶閥打開---對應冷卻水泵啟動---冷卻塔按程序投入運行---冷凝器側水流狀態(tài)確認---制冷機組蒸發(fā)器側電動蝶閥打開---對應冷凍水一次泵打開---蒸發(fā)器側水流狀態(tài)確認---制冷主機開啟

制冷機組停機順序：關（減）機指令---制冷主機卸載至關閉---延時10 分鐘（可調）對應冷凍水一次泵關停---制冷機組蒸發(fā)器側電動蝶閥關閉---對應冷卻水泵關停---冷卻塔關閉---制冷機組冷凝側電動蝶閥關閉

2.3 制冷機組軟啟動與軟關機控制

在系統(tǒng)冷凍水供水溫度遠離其設定點時，軟啟動模式能夠防止系統(tǒng)產生過多冷量。例如，在冷凍機在周一早晨初次啟動時，冷凍水管中的滯留水溫較高，可能會錯誤地計算出高于實際需求的系統(tǒng)冷負荷。軟啟動功能可確保冷水機房緩慢的加載，防止過快地產生過多冷量。

軟啟動的機理是限制冷凍機的電流。在軟啟動模式下，冷凍機卸載啟動，直到有一個加機要求冷凍機才被允許運轉于全冷量狀態(tài)。

在軟啟動模式下的加機算法與正常模式下的不同。在軟啟動模式，冷水機房群控監(jiān)測系統(tǒng)回水溫度，如果這個溫度下降的速率不夠快，這就意味著需要更多冷量。冷水機房群控持續(xù)檢測每分鐘回水溫度的變化，如果變化率不大于操作人員的輸入值，加機定時器開始工作[2]。

為了避免制冷主機在啟動和停止時對電網造成巨大沖擊，確保制冷主機和配電站的安全，制冷主機在啟動與關機時采用“軟啟動”與“軟關機”控制。

在加載制冷主機時采用“軟啟動”模式，中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)在收到加機信號后，首先降低運行制冷主機的運行工況，然后啟動下一臺制冷主機，最后將多臺制冷主機同時加大運行工況。

在減載制冷主機時采用“軟關機”模式，中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)在收到減機信號后，首先降低了多臺制冷主機的運行工況，然后停止列入減機序列的制冷主機。

2.4 制冷機的加減機控制

本項目設計制冷機組加載控制原則：以壓縮機運行電流作為加載制冷機組的依據。當制冷主機運行電流與額定電流的百分比大于100%，并保持15 分鐘后或此比例5 分鐘內持續(xù)增大時，系統(tǒng)加載一臺制冷主機。加載時優(yōu)先加載小容量制冷主機，如小容量制冷主機已全部處于運行狀態(tài)，則啟動大容量制冷主機。

加載的制冷機組與已運行的制冷機組當并聯(lián)運行，無論制冷機組容量匹配與否，運行電流與額定運行電流比值要保持一致。

本次提供兩種制冷主機的降載依據：

1）根據溫度的減機邏輯檢測系統(tǒng)實際供回水溫差ΔTa。當系統(tǒng)的實際供回水溫差ΔTa小于系統(tǒng)設計的供回水溫差ΔTd時，系統(tǒng)發(fā)出一個減機請求。如果減機請求持續(xù)存在達到減機延遲時間時，一臺冷凍機被減去。降載后，處于運行狀態(tài)的制冷主機并聯(lián)運行，無論制冷主機容量匹配與否，運行電流與額定運行電流比值需要保持一致[3]。

2）制冷主機減機的依據取決于制冷機組壓縮機運行電流，按當前計算制冷主機平均運行電流卸機。

本項目制冷主機為1150RT×3 臺，600RT×2 臺。其制冷主機減機策略如下：

1）當5 臺制冷機組（1150RT×3+600RT×2）同時運行電流低于87%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1 臺600RT 制冷主機。

2）當4 臺制冷機組（1150RT×3+600RT×1）的運行電流低于85%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1 臺600RT 制冷主機。

3）當4 臺制冷機組（1150RT×2+600RT×2）的運行電流低于82%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1 臺600RT 制冷主機。

4）當3 臺制冷機組（1150RT×3）的運行電流低于84%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1150RT 制冷主機，同時加載600RT 制冷主機。

5）當3 臺制冷機組（1150RT×2+600RT×1）的運行電流低于79%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除600RT 制冷主機。

6）當3 臺制冷機組（1150RT×1+600RT×2）的運行電流低于74%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除600RT 制冷主機。

7）當2 臺制冷機組（1150RT×2）的運行電流低于76%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1150RT 制冷主機，同時加載600RT 制冷主機。

8）當2 臺制冷機組（1150RT×1+600RT×1）的運行電流低于65%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除600RT 制冷主機。

9）當1 臺制冷機組（1150RT×1）的運行電流低于52%并保持15 分鐘后，系統(tǒng)卸除1150RT 制冷主機，同時加載600RT 制冷主機。

10）當唯一運行的600RT 制冷機組的運行負荷低于10%時，關閉該制冷主機，如供水溫度在7 ℃以上并保持15 分鐘重啟600RT 制冷主機。

2.5 冷凍水泵控制

本項目一次冷凍水泵與冷水主機一一對應運行，均為變頻控制，小機組二用一備，互為備用。大機組三用一備。在互為備用的水泵中，根據“均等運行時間”原則順序啟停各臺水泵。

根據末端最不利端壓力差PID 調節(jié)冷凍水泵頻率，當末端最不利端壓力差變大時，相應的減少所開冷凍水泵的頻率。當末端最不利端壓力差變小時，相應的增加所開冷凍水泵的頻率。

根據冷凍機和冷凍水泵性能特性限定變頻水泵最低頻率，其中大機1150RT 機組對應水泵最小頻率設置為25Hz，小機600RT 機組對應水泵最小頻率設置為30Hz。

此項目設計制冷主機與冷凍水泵相互對應，冷凍水泵的開啟臺數按照對應的制冷主機的開啟臺數來決定。

2.6 冷卻水泵控制

本項目冷卻水泵與冷水主機一一對應運行，小機組二用一備，互為備用。大機組三用一備。在互為備用的水泵中，根據“均等運行時間”的原則順序啟停各臺水泵。

通過獲取冷水機組冷凝溫度或壓力變頻調節(jié)水泵流量與設定值對應，并通過冷水機組冷凝溫度或壓力情況調節(jié)水泵流量。

根據冷凍機和冷凍水泵性能特性限定變頻水泵最低頻率，其中大機1150RT 機組對應水泵最小頻率設置為30Hz，小機600RT 機組對應水泵最小頻率設置為40Hz。

此項目設計制冷主機與冷凍水泵相互對應，冷卻水泵的開啟臺數按照對應的制冷主機的開啟臺數來決定。

2.7 冷卻塔的優(yōu)化控制

此次項目設置了4 臺冷卻塔，每臺冷卻塔含兩臺變頻風機，每臺塔進出水分別設置兩個電動開關閥門。冷卻塔進出水管上的電動開關閥與冷卻塔的啟停連鎖：冷卻塔開，其對應的電動閥門開。冷卻塔關，其對應的電動閥門關。

控制系統(tǒng)將根據冷卻水供水溫度，通過調節(jié)冷卻塔風機的開啟臺數及頻率運行，調節(jié)換熱，來保證冷卻水的供水溫度，為冷水機組高效運行創(chuàng)造良好的環(huán)境。

冷卻水供水溫度直接影響冷凍機制冷效率。冷卻水供水溫度越低，則制冷機效率越高，其耗電量將會越低。但是，降低冷卻水溫度，卻會引起冷卻水塔的能耗升高。所以，要想達到主機和冷卻塔綜合能耗最低，必須找到最佳的冷卻水供水溫度。

冷卻水溫的調節(jié)有許多方法，通常多采用冷卻塔風機的變頻控制。根據變頻風機的節(jié)能原理，低速運行是冷卻塔本身節(jié)能所在。故此次項目冷卻塔優(yōu)化控制實現(xiàn)方法如下：

1）在室外安裝室外濕球溫度傳感器，根據系統(tǒng)的計算，計算出此時的最優(yōu)化的冷卻水的溫度設定值。

2）當系統(tǒng)啟動時，一臺風機先以最低頻率啟動，如果不能滿足最優(yōu)化的冷卻水的溫度，則第二臺、第三臺……依次以最低頻率加入。如果此時冷卻水溫度仍未到設定值，所有風機同頻上升來加大風量，直至達到計算的最優(yōu)化的冷卻水的溫度設定值。

3）當工況發(fā)生變化，計算出的最優(yōu)化的冷卻水的溫度設定值高于冷卻水的實際溫度時，全部風機同步降頻來維持冷卻水的溫度，以滿足最優(yōu)化溫度要求。當所有風機都處在最低頻率時（因為所有風機同步動作，所以同時處在最低頻率），如果還有降頻的需求，則依次關閉一臺風機，直至冷卻塔風機全部關閉。

3 空調群控系統(tǒng)的實現(xiàn)

本次方案設計選用TRANE Tracer SC+系統(tǒng)作為本項目中央冷源監(jiān)測與控制系統(tǒng)（以下簡稱CCS）平臺，該系統(tǒng)采用管理層網絡和監(jiān)控層網絡（控制器）兩級網絡架構，全以太網的架構最大的保證了系統(tǒng)的通信的速率和可靠性。

系統(tǒng)在冷凍站值班機房設Tracer CCS 監(jiān)控管理主機，根據現(xiàn)場的監(jiān)控點位配置TRANE Tracer SC+系統(tǒng)控制器與Tracer UC600 現(xiàn)場智能控制器及配套的XM I/O 點擴展模塊。整個系統(tǒng)經通信網關把群控數據給到園區(qū)的BA 系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

本方案設計在考慮系統(tǒng)硬件配置時，除滿足方案目前需要以外，對于DDC 控制器及其擴展模塊上的輸入輸出點數量，考慮了大約10%左右的備用量，作為將來可能的調整及設備增加之用。

TRANE Tracer SC+系統(tǒng)網絡架構如圖2 所示：

圖2 網絡系統(tǒng)圖

TRANE Tracer 系統(tǒng)以標準的以太網（IEEE802.3）作為物理標準，TCP/IP 為網絡通訊協(xié)議，并采用Windows XP/Windows 7 作為操作系統(tǒng)。

TRANE Tracer 系統(tǒng)的網絡配置遵循分散控制，集中監(jiān)視，資源和信息共享的基本原則，是一個工業(yè)化標準的集散型控制系統(tǒng)。

5 結束語

此系統(tǒng)2019 年正式投入使用，經過近兩個供冷季的運行驗證，運行效果很好，各方面達到設計預期。合理的冷機群控策略是實現(xiàn)中央空調系統(tǒng)高效節(jié)能的關鍵，對實現(xiàn)建筑節(jié)能減排有著重大意義。冷機群控系統(tǒng)影響因素復雜，考慮不確定性因素的影響，合理設置控制閾值，能有效提高群控的可靠性和系統(tǒng)的能效性。隨著樓宇自控技術的發(fā)展，通過樓宇自控系統(tǒng)這個平臺對冷凍機房實現(xiàn)集中控制和統(tǒng)一管理，對空調系統(tǒng)中制冷主機、水泵、冷卻塔等設備統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)各機電設備的有效協(xié)同控制，才能實現(xiàn)整個空調系統(tǒng)的高效運行。