制冷机房群控系统的高效节能控制

1 引言

现代建筑中，空调系统制冷机房的耗电占具了大楼总电耗相当大的部分。为使制冷系统在满足总负荷需求的前提下达到全年平均能耗效率，AVSCPE( ALL － Variable Speed Chiller PlantEfficiency，即制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔四者耗电量之和与制冷机提供的冷量的比值)≤0.80kW/RT。为此提出制冷机房群控系统集中管理和控制整个制冷机房内的所有制冷设备、探测器及控制器，依据整体耗电量最低的原则进行整体节能优化及确定最佳运行策略。本文将以上海卢湾区太平桥126项目为实例简述制冷机房群控系统的高效节能控制方案。

2 工程概述

126 地块占地面积1.18 万平方米，办公楼、裙房和地下一、二层商铺的空调总冷负荷为3538RT，选用4 台900RT 的变频离心冷水机组和1 台400RT 螺杆冷水机组。满负荷时运行4 台900RT 的冷水机组，400RT的冷水机组晚间使用。

本项目机房配置如下：

冷源系统采用全变频中央制冷系统，制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机均能变频运行。系统在实际运行时，能依据末端实际负荷需求的变化自动调节各设备的负载率以达到最优化运行。

3 节能控制思路

按照设计，该项目制冷机房全年十二个月均有运行。在工作日，写字楼部分主要负荷集中在早八点至晚六点的上班时间，夜间商业裙房及地下商场仍需求大量冷量；周末冷机需要不间断运行，以满足商场冷量的需求。冬季及过渡季节，5层至27 层的办公区域可启用办公楼24小时空调冷却水系统进行冷却塔自然冷却。根据空调系统的运行特点可知，制冷机房常年处于运行在部分负荷工况，此工况下，冷冻水泵扬程偏高，冷却水泵流量偏大，冷冻水供回水温差在2 至3 度，系统处于小温差大流量的状态。

常规冷却塔配置风机为定频风机，长期运行会出现以下主要问题：(1)随季节的变化，昼夜的温差，环境温度不断变化，冷却负荷也随之变化，但定频风机转速不可调节，造成能源浪费，增加运行成本。(2)启动困难，系统运行不稳定，冷却风机采用直接启动，启动电流大，对电网有较大冲击。

操作人员根据以往操作经验、水管温度及压力参数判断系统的机组以及水泵运行台数，并且水泵为定速运行(或为传统的BA 控制，根据系统的供回水温度控制制冷机组启停，辅助设备与机组数量连锁)。如为人工控制，则由操作人员手动完成机组的自动启停、连锁和保护等，很难考虑众多影响系统效率的因素进一步降低机房的能耗水平，也难以精确地按照实际需要生产冷量并在各区域间合理分配。针对上述机房所存在的问题，采用制冷机房群控系统对整个机房进行节能

控制，节能建议如下：

(1) 增加控制硬件设备，通过加装必要的温度、压力和流量传感器检测制冷机房的各项指标，动态更新空调系统真实的负荷需求，在此基础上利用运行优化技术以最经济的方式控制机组产生所需的冷量，并根据室外的工况及室内的温湿度状况，优化冷冻水和冷却水的供水温度。

(2) 空调负荷总是随室外气象参数以及室内负荷的变化而变化的，当系统供回水温差一定的情况下，系统水流量是可变化的。由于空调负荷不断在变化，如果水泵定流量运行，必然会造成大流量小温差现象，导致能源浪费。因此为现有水泵安装变频器，这样可实现在满足末端负荷的前提下水泵自动变频，起到节约电量的目的。

(3) 为了设备安全稳定运行及降低运行成本，冷却塔风机进行变频软启动，避免启动电流对电网的冲击，实现自动控制达到节能效果。

(4) 安装制冷机房群控系统，制冷机房的耗能主要设备为冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔，机房的综合能耗由每个单体设备的能耗累加而成，但是每个单体设备的能耗又受到多种因素的影响，并且各设备之间的运行会相互影响，通过群控系统寻找整个制冷机房的最佳效率点，保证制冷机房能动态地运行在最佳效率点上实现最佳节能目标。

4 节能控制系统

图1 为群控系统图，控制系统为两层构架，上位机为工业控制计算机，负责整个控制策略的实现及整个机房运行状态的监视，下位机为PLC，实现控制各相关设备的运行。控制计算机与PLC之间采用RS485 方式实现控制器以及监控主机之间的通讯。

中央控制计算机以各个设备模型为基础，根据设备控制子站采集到的系统工况按照优化算法进行计算，找到能够满足此制冷负荷的、且整个冷热水机房总能耗最低(即整体效率最高) 的工作状态，并将计算结果传递给设备控制子站作为其执行的依据。另外，中央控制站的软件界面承担了机房日常运行管理的工作。设备控制子站以工业级别的PLC 控制器为基础，执行中央控制站发出的指令，对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔及相关执行机构实施控制。同时，控制子站通过相关传感器采集系统运行参数，通过工业以太网传送至中央控制站参与优化程序计算，使得整个制冷机房运行在效率最高的状态下。

4 ．1 传感器、执行机构

(1) 制冷机房内水系统管路需要增加的传感器、执行机构包括：二次冷冻水供回水干管压差传感器；二次冷冻水回水干管温度传感器；二次冷冻水供水干管温度传感器；二次冷冻水回水干管流量传感器；一次冷冻水供水干管流量传感器；冷却水回水总管流量传感器；冷却水供水总管温度传感器；冷却水回水总管温度传感器；冷水机组蒸发器进水管段电动阀门及执行器；冷水机组冷凝器进水管段电动阀门及执行器。

(2) 办公楼24 小时空调冷却水系统管路需要增加的传感器、执行机构包括：空调冷却水供回水干管压差传感器; 空调冷却水回水干管温度传感器；空调冷却水供水干管温度传感器；空调冷却水回水干管流量传感器。

4.2 控制功能

实现冷冻机房综合能耗最低；冷水机组台数控制；冷水机组智能化喘振保护；冷水机组冷冻水供水温度重置；冷冻水泵变频控制；冷冻水泵台数控制；冷却水泵变频控制；冷却水泵台数控制；冷却塔台数控制；冷却风机变频控制；冷却水温度重置；冷冻水旁通流量控制；冷水机组蒸发器侧电动蝶阀开关控制；冷冻站全自动加减机控制。

随着空调系统的负荷变化，通过温度、流量传感器的测得值反馈至群控系统进行优化控制，从而实现冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的台数和变频控制，实现冷冻机房综合能耗最低。

5 节能效果分析

现在空调系统使用情况，并结合上海地区历年气候特点及典型商场及写字楼空调负荷情况，模拟仿真得到制冷季期间该机房的逐时冷负荷。

可以看出，制冷机房运行时间长，而炎热的七八月份输出冷负荷达到最高值，需要运行三台900RT 机组。通过群控模拟仿真计算得到的结果，控制策略下每月的耗电量均低于常规控制策略下的耗电量，图3 为制冷机房优化群控系统与常规控制的逐月能耗对比图。

采用优化群控节能系统前后各设备能耗如表2。

优化系统与常规控制各设备能耗对比如图4。

各设备节能量占整体比重如图5。

从以上图表可以看到，126 地块项目安装节能优化控制系统后，冷水机组的节能效果占总节能量的10%；而冷冻水泵和冷却水泵通过加装变频器，并采用台数控制，可使水泵始终运行在最佳效率点附近，两者的节能量占总节能量的74%；冷却塔以整个冷冻机房能效最高位控制目标，运行风机自动控制，节能量占总节能量的16%，为机房整体能效最优的目标服务的，保证冷水机组维持在比较低的冷凝温度下，使冷水机组有更出色的表现。

6 结语

经过以上分析模拟计算，针对本项目，采用制冷机房群控系统的高效节能控制方案可实现以下效果：(1) 经济效益：全年可节电880，002kWh，如果以电费费率1.00 元/kWh 计，每年可节省电费880，002 元。(2) 环境效益：每年可以节省355 吨标煤，减少CO2排放724 吨。(3) 控制功能提升：实现全自动控制，无需人员参与操作。降低了对维护人员的技术要求以及操作故障的可能性，从而提高了冷水机房运行的安全性。