某机关办公楼冷热源机房系统智能控制改造

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摘要 对某机关办公楼进行建筑冷热源系统节能控制与管理系统改造，循环系统增设变频装置，热泵主机增设功率传感器，设置关联预测控制，提高系统综合运行效率。

关键词： 中央空调冷热源系统智能控制，变频、功率传感器

1.问题的提出

为响应国家公共建筑绿色要求及节能改造号召，对某机关办公楼进行建筑设备节能控制与管理系统改造，改造的重点是中央空调的冷热源系统。某机关办公楼采用中央空调系统，室内采用风管盘管末端装置，由地源热泵主机提供空调冷热水。由于建筑物主要功能为办公，性质单一，系统较简单，建筑能耗的控制重点在空调及办公用电，其中主要能耗大户为中央空调，中央空调系统的主要电耗集中在机房的地源热泵主机和循环系统，因此改造实施的重点是热泵主机及其循环水泵系统。

通过现场调研，分析比较运行参数及电力能耗数据，现有中央空调冷热源系统采用的是人员手动控制，“看天烧火”，整个热泵机房内主机运行效率低，循环系统大流量小温差运转，输送电耗高，系统日常部分负荷的运行COP远低于设计值，无效能耗高。为降低空调系统的运转能耗，提高部分负荷效率，经过专家及设计论证，建议热泵机房系统装设智能控制系统，增设相应变频装置。

经过调研和项目考察，本项目冷热源机房系统智能控制系统采用高效关联预测控制，主动前馈关联控制变频循环水泵的转速，实现热泵机组、用户侧循环水泵、地源侧循环水泵的协同运行，维持系统在整体能效比最高的工况下全自动运行，从而降低整个空调系统的能耗，并减少运行费用及维护难度。

2.改造技术方案及内容

本项目机房内设有两台地源热泵机组。制冷季节，系统工作在制冷模式，为办公楼提供合适的冷源；在供热季节，系统工作在制热模式，为办公楼提供舒适的热源。对现有系统进行如下改造：

热泵机房水系统增加电动阀门、供回水温度传感器、流量传感器，实现冷热源系统地源热泵系统全自动、安全稳定运行。

用户侧循环水泵、地源侧循环水泵均增加变频器，采用变频调节，调节精度满足建筑物舒适性空调环境要求并能够长期安全稳定运行。

热泵机组安装功率传感器，实时监测热泵机组效率，并将其效率调整到最佳。

冷热源系统内热泵机组、用户侧循环水泵和地源侧循环水泵、阀门等设备通过关联控制系统协同运行，满足设计负荷调节范围要求。

本次控制技术采用的核心是：关联预测控制系统，即采用集散系统架构，系统硬件主要由中央管理系统，用户侧循环水控制系统、地源侧循环水控制系统、传感器、执行器等四部分组成。

表 关联预测控制系统操作界面显示表

序号 分项界面 界面显示参数

1 冷热源系统工作性能 热泵站冷吨效率：kw/RT；冷却塔效率：kw/RT；变频水泵效率 ：kw/RT；负荷率：%；热泵主机效率：kw/RT

2 热泵系统总览 热泵主机 温度、流量、工作状态显示 水泵流量、工作状态显示主要分支 流量/水温显示 控制阀门 开关及调节度显示等

3 用户侧循环水泵和地源侧循环水泵 循环水泵开关状态、变频状态工况、运行时间、运行功率显示

4 热泵机组 开关状态、运行时间、运行功率、电流显示、负载状态、互备状态

5 记录备份设置 运行记录统计、报警历史统计、提醒记录、事件记录

6 时间趋势显示 热泵系统耗能、电功率、供回水温度、水量、水泵/风机的转速与时间及室外气温的比例折线图

关联预测控制系统为冷热源系统节能控制的系统级产品，区别于传统的局部PID控制方法，以冷热源系统整体能耗优化为控制目标，由能源管理控制系统对冷热源系统设备群进行综合运行管理和整体能耗优化，具有更好的系统稳定性和较好节能效果。

表 关联预测节能控制装置与其它冷热源系统控制系统比较

序号 比较项目 关联预测控制 传统冷热源系统控制系统

1 控制策略 多变量、关联、嵌入式、前馈、主动、按需控制 单变量、独立环路、外部参数设定型、反馈、被动、按某个参数设定值进行控制

2 控制基本模型 专利算法关联主动控制 PID控制，网络只是参数传输的途径并不具有优化系统性能，提高运行稳定性的功能

3

控制多变量冷热源系统的有效性 十分有效 基本无效

4 控制系统持续运行和调控能力 高 低

5 系统受控设备运行稳定性 稳定，因为控制系统直接分配功率给用户侧循环水泵和地源侧循环水泵。 振荡，因为PID算法的I值（积分值）调节和D值（微分值）调节本身是不稳定的。

6 实现有效控制的难易程度 全自动 困难，需要人为启停和不断地重新设置运行参数

7 单个设备运行效率 接近最高效率 低

8 单个设备运行工作点的安全性 安全 工作点经常超出设备正常调节范围

9 多个设备运行效率协同性 协同提高系统效率 某个设备效率高，但间接损失了其他设备的运行效率，从而令整体冷热源系统效率损失

10 应急状况处理 自动转换到应急模式，系统仍可正常运行 停止使用某些环路并进行检修

11 远程监控、报警、故障处理 可以 不行，因为冷热源系统本地自动运行模式没有成功开通或持续有效地运行

3.经济效益分析

本办公楼中央空调全年制冷运行时间从5月10日开始，至10月10日结束，共计150天，每天开冷时间为10个小时，中央空调制冷年运行时间为1500小时，供暖运行时间从11月5日开始供暖，至次年3月25日结束，共计140天，每天开冷时间为14个小时，故中央空调制热年运行时间为1960小时。大部分时间热泵机组在部分负荷工况下运行。

“公共建筑节能设计标准GB50189-2005”提出了热泵机组在部分负荷工况条件下的制冷性能系数综合指标IPLV值及具体计算公式：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

其中A、B、C、D分别为热泵机组在100%、75%、50%、25%负荷运行时的COP值（kW/kW），并取热泵机组经济寿命为20年、平均电价为0.85元/kWh。传统冷热源系统热泵系统运行平均能效系数按制冷3.3kw/kw、制热2.8 kw/kw来计算；由于改造后采用了高效节能关联控制系统，改造后冷热源系统热泵系统运行平均能效系数按制冷4.8kw/kw、制热3.6 kw/kw来计算，具体如下表：

冷热源系统一年能耗费用测算

1 负荷冷量（kw） 1820

2 供冷季单位小时负荷冷量（kw） 1274 取总负荷的0.7系数

3 年平均运行小时数（hr） 1，500

4 一年总冷负荷（kwh） 1911000

5 负荷制热量 1940

6 供热季单位小时负荷制热量（kw） 1358 取总负荷的0.7系数

7 年平均运行小时数（hr） 1960

8 一年总制热量 2661680

9 一年制冷总耗电量（kwh） 579090 3.3kW/kW

10 一年制热总耗电量（kwh） 950600 2.8kW/kW

11 一年总运行电费（元） 1300237 每kwh按0.85元人民币计算

改造后

1 一年制冷总耗电量（kwh） 398125 4.8Kw/kW

2 一年制热总耗电量（kwh） 739355 3.6 kW/kW

3 一年总运行电费（元） 966858 每kwh按0.85元人民币计算

冷热源系统改造费用约120万元，每年节约费用33万元，预计3.6年内收回投资成本。同时实现冷热源系统的全自动运行，降低了人力成本和管理成本，实现集中监控。

本次改造基于操作简单、管理方便、施工灵活等方面，以有效的监测、分析、控制用能耗能设备为目的，依靠先进的计算机及网络控制手段，尽可能的减少建筑运营能耗，实现了冷热源机房的高效、节能、全自动运行，提高能源利用率，为建筑节能运营领域节能提供了良好的示范。

参考文献

[1]公共建筑节能设计标准，GB50189-2005

作者简介：莘亮，男，1971年7月生，学士，高级工程师，副总工程师。