中央空調節能監控系統設計

1、概述
*，中央空調是現代建筑物*的重要設施之一，然而它也是能耗大戶(hù)，其能耗約占建筑物總能耗的60%以上。目前，進(jìn)行中央空調設計時(shí)，設計單位基本按zui大負荷并留有一定余量進(jìn)行設計，而實(shí)際上，一年中系統滿(mǎn)負荷運行的時(shí)間zui多只有十幾天，甚至十幾個(gè)小時(shí)，絕大部分時(shí)間負載率都在70% 以下。傳統運行模式下的中央空調系統，雖然冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動(dòng)調節負載，但是與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵等設備卻不能自動(dòng)調節負載，幾乎長(cháng)期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費。
由以上分析可知，中央空調系統還有巨大的節能空間，急需采用先進(jìn)的監控系統及控制策略對中央空調系統進(jìn)行監控，開(kāi)展能耗數據分析，減少不必要的能量消耗，以達到節能的目的。
2、中央空調工藝流程分析及主要節能措施
中央空調系統的工作過(guò)程是一個(gè)不斷進(jìn)行能量轉換以及熱交換的過(guò)程。其理想運行狀態(tài)是: 冷凍水循環(huán)系統中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經(jīng)冷凍主機，在蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，被吸熱降溫后( 7℃)被送到終端盤(pán)管風(fēng)機或空調風(fēng)機，經(jīng)表冷器吸收空調室內空氣的熱量升溫后( 12℃) ，再由冷凍泵送到主機蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統中，在冷卻泵的作用下冷卻水流經(jīng)冷凍機，在冷凝器吸熱升溫后( 37℃) 被送到冷卻塔，經(jīng)風(fēng)扇散熱后( 32℃) 再由冷卻泵送到主機，形成循環(huán)。在這個(gè)過(guò)程里，冷凍泵、冷卻泵得到動(dòng)能，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，不停地循環(huán)在各自的管道系統里，不斷地將室內的熱量經(jīng)冷凍機的作用，由冷卻塔排出。其工藝結構如圖1 所示。

圖1 中央空調系統結構圖

圖2 中央空調監控系統架構圖中央空調的節能措施主要有:
1)建筑節能: 主要是合理設計窗，采用環(huán)保節能型建筑材料等。
2)制冷主機的節能運行: 主機能耗占總能耗60%以上，因此主機的節能運行是整個(gè)系統節能的重要環(huán)節。在設計時(shí)，設計人員應對建筑不同場(chǎng)所的空調負荷及運行模式進(jìn)行詳細的調查分析，合理確定空調主機的功率、數量及相關(guān)參數。在運行過(guò)程中應該根據空調負荷合理確定空調主機啟動(dòng)臺數，使空調主機在其*的特性曲線(xiàn)范圍內運行，以提高主機效率，達到節能的目的。
3)水泵的節能運行: 水泵能耗約占總能耗的10%～30%，主要節能措施為合理確定水泵的功率和數量，提高水泵運行效率，應采用變頻方式調節水量，盡量避免采用閥門(mén)調節水量。
4)冷卻塔節能運行: 合理設計，可采用變頻調節。
5)先進(jìn)的智能控制技術(shù)及的運行管理: 采用先進(jìn)的控制策略，動(dòng)態(tài)調整主機及水泵的運行模式。加強對空調操作人員的培訓，定期對設備和系統進(jìn)行維護，以保證機組的正常運行和設備的使用效率。
3、監控系統架構及其實(shí)現
中央空調監控系統是一套集工藝設備、自動(dòng)化控制和資源管理于一體的系統，它不僅能夠實(shí)現空調機組的*運行控制，而且還能夠實(shí)現機組的工作狀態(tài)監控、能耗分析、報表打印、運行模式自動(dòng)尋優(yōu)等功能。該系統能方便管理人員及時(shí)了解空調系統的運行狀態(tài)及能耗趨勢，為降低運行成本和維護成本提供強有力的技術(shù)依據，保障系統的可靠性和安全性。
監控系統采用層次化的三級控制方式，即管理級、過(guò)程控制級、設備控制級。各級功能劃分明確，可以相互獨立運行，其系統架構如圖2 所示。
管理級和過(guò)程控制級與樓宇自動(dòng)化系統共用，由設備控制級對其開(kāi)放數據接口( OPC 或TCP /IP 等) ，其任務(wù)主要是實(shí)現計劃管理和運行數據統計分析，包括空調系統(年度) 運行成本和維護成本報表，能耗分項分時(shí)報表，運行管理模式設定等。此部分可以根據投資和管理模式靈活確定為實(shí)施或預留接口。
設備控制級為中央空調機組設備監控層，主要完成空調系統現場(chǎng)儀表設備以及電氣設備的控制，包括各種溫度、流量、壓力的自動(dòng)化控制，空調主機及水泵等的自動(dòng)尋優(yōu)控制等，其結構如圖3所示。

圖3設備控制級監控示意圖
由圖3可知，設備控制級是中央空調系統的核心層，以PLC系統作為中央空調系統的主控制器，完成空調系統運行所需的工藝參數采集，并對數據進(jìn)行處理，通過(guò)一定的控制算法計算出優(yōu)化后的控制量，驅動(dòng)相應的水泵和控制閥，使系統處于*工作狀態(tài)，以提高系統效率，達到節能的目的。
該系統采用模塊化集成設計，具有如下核心功能:
1)組態(tài)功能: 系統硬件及控制軟件均能根據中央空調系統設備(冷熱源主機、冷凍泵、閥門(mén)等) 的配置，以組態(tài)方式靈活添加或修改受控設備對象，并設置其屬性，有*的通用性和可擴展性。
2)節能控制: 采用變頻技術(shù)實(shí)現冷凍水(熱水)和冷卻水變流量運行控制，使系統始終處于經(jīng)濟運行狀態(tài); 通過(guò)對冷凍水(熱水) 各個(gè)環(huán)路負荷的實(shí)時(shí)檢測，動(dòng)態(tài)分配和控制各個(gè)環(huán)路的冷凍水(熱水) 流量，使各個(gè)環(huán)路實(shí)現冷(熱) 量供需平衡和空調效果均衡。
3)工作模式: 供冷、供熱和通風(fēng)模式既可以獨立工作，也可以同時(shí)工作，可實(shí)現不同中央空調系統使用的需求。
4)控制模式: 手動(dòng)模式(包括就地手動(dòng)和遠程HMI手動(dòng)) 和自動(dòng)模式。在自動(dòng)控制模式下設有三種模式可供選擇。
(1) 時(shí)序控制，監控系統按照用戶(hù)預設的時(shí)間表對設備進(jìn)行啟?？刂坪蛢?yōu)化運行模式。
(2) 主機聯(lián)動(dòng)，監控系統根據空調負荷完成水系統設備與冷熱源主機的聯(lián)動(dòng)控制和優(yōu)化運行，此模式自動(dòng)連鎖控制冷凍泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機和閥門(mén)等設備。
(3) 主機群控，在多臺空調主機和水泵并聯(lián)運行的系統中，監控系統除實(shí)現主機聯(lián)動(dòng)模式的功能外，還會(huì )根據空調負荷自動(dòng)實(shí)現主機、水泵運行臺數的優(yōu)化控制，使主機、水泵在率狀態(tài)下運行。
5)HMI(人機監控畫(huà)面) 在Windows 系統電腦上運行，實(shí)時(shí)監控系統運行的各種參數，包括冷凍(卻) 水溫度、流量、壓力; 主機及水泵的運行、停止、故障等信號; 實(shí)現遠程手動(dòng)及自動(dòng)控制的參數設定和控制操作。
6)計量及能耗統計: 實(shí)現各機組的用電量分項計量，供熱量、供冷量、補水量等計量，可在HMI操作界面上打印分時(shí)段和實(shí)時(shí)能耗分析報表(曲線(xiàn)) ，各種參數的歷史趨勢曲線(xiàn)。
7)故障報警及連鎖: 系統可以實(shí)現操作連鎖(防止誤操作) ，輕故障聲光報警，重故障連鎖停機，并對故障信息進(jìn)行記錄; 同時(shí)也能實(shí)現操作記錄的存檔。
文中所述PLC 系統既可以選用空調的PLC( 廠(chǎng)家集成了部分控制算法、控制接口等，如Excel800 控制器) ，也可以選用通用PLC( 如西門(mén)子公司S7-200 /300 等) 。
為增加系統的靈活性，以選用通用PLC( 西門(mén)子公司S7-300) 為例，設計時(shí)首先要分析控制系統的功能需求，包括系統規模( 數據采集、控制點(diǎn)數及算法的復雜性)、工藝流程、操作模式、設備平面布置等，確定PLC 的型號和輸入輸出模塊的配置。完成硬件配置后，下一步是進(jìn)行軟件設計，根據操作任務(wù)書(shū)和工藝任務(wù)書(shū)，使用WinCC 軟件完成空調系統HMI 監控畫(huà)
面設計，Step7 完成PLC 控制程序設計，zui后聯(lián)動(dòng)調試，優(yōu)化系統，使系統達到預期的設計要求。