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随着科技的发展,现在,不少空调主机已能够根据负荷变化自动随之减载或加载,但输送空调水(冷冻水和冷却水)的水泵如果不能跟随负荷的变化做出相应的调节,始终在额定功率下运行,仍然会造成输送能量的很大浪费。
2.1常用的中央空调控制方法
其实,中央空调的能源浪费的症结既不在于其设计余量的大小,也不在于末端负荷的变动性。
为了保障中央空调在夏季和冬季极端气候条件下的空调效果,空调设计容量的冗余是必需的,不可缺少的。
末端使用情况的变化是十分正常的、不可避免的,不变是不现实的。
问题的关键在于中央空调缺乏先进的控制方式,如果中央空调的冷(热)量供应,能够实现根据末端需要的多少而自动调节,那么,不论空调设计余量如何,也不论空调负荷如何变化,都不会产生能量的浪费。
目前,国内的中央空调系统,由于没有先进的技术手段支持,基本上都采用传统的定流量控制方式,即空调冷冻水流量、冷却水流量和冷却风风量都是恒定的。
也就是说,只要启动空调主机,冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在50Hz工频状态下运行。
定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持定值不变,当负荷变化时,通过改变供水或回水温度来匹配。
定流量供水方式的优点是系统简单,不需要复杂的自控设备。
但这种控制方式存在以下问题:
(1)无论末端负荷大小如何变化,空调系统均在设计的额定状态下运行,系统能耗始终处于设计的最大值,能源浪费很大。
(2)舒适性中央空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统,由于末端负荷的频繁波动,必然造成系统循环溶液(载冷剂、冷却剂、制冷剂溶液)的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态,导致主机热转换效率(COP值)降低,系统长期在低效率状态下运行,也会增加系统的能源消耗。
(3)在工频状态下启停大功率水泵和风机,冲击电流大,不利于电网的安全运行,且水泵、风机等机电设备长期在工频额定状态下高速运行,机械磨损严重,导致设备故障增加和使用寿命缩短。
2.2通用变频器PID控制方法
中央空调系统定流量控制方式的这些缺陷是显而易见的,那么,能不能找到一种更先进的中央空调运行控制方式,以减少其浪费,实现中央空调的高效节能运行呢?
回答是肯定的。
长期以来,人们为了降低空调运行成本,减少宝贵的能源浪费,中央空调的运行管理工作者、暖通空调的设计工作者和节能科技工作者们,都进行了艰苦不懈的努力。
一些有经验的中央空调系统操作和维护人员,在没有技术手段的情况下,常常采用人工控制的方法来进行节能。
如:
空调负荷减少时,减少投入运行的主机台数和水泵台数,或者使主机间断工作,这可以收到一定节能效果,但这种人工步进式的调节非常粗糙,实时性差,且受设备配置的限制和人的因素影响较大。
近年来,随着大功率电力电子器件的出现,促进了通用变频器的小型化和实用化,为降低中央空调系统的能源浪费,人们开始采用通用变频器来控制空调系统的水泵和风机,通过供、回水压差或温差的采集,对水泵和风机进行PID(比例、积分、微分)调节,以达到节能效果。
PID控制历史悠久,原理简单,使用方便,价格较低。
但其不足之处在于:
——PID调节中最重要的工程参数比例系数KP、积分时间常数TI和微分时间常数Td,一旦选定之后,如果人不去调节,它是固定不变的,不可能跟随受控参量的变化而自动调整。
也就是说,工程参数整定之后,就用同一种参数去对付各种不同的运行工况,因此,不可能达到最佳的节能效果。
——PID只能实现单参量(温度或压力)的简单控制功能,在一些单参量工业生产过程的控制中效果较好,当用于控制中央空调这样的多参量、非线性、时变的且参量间耦合很强的复杂系统时,很容易引起中央空调系统振荡,使控制温度在较大范围内起伏,长时间都不能到达设定值的稳定状态,既影响了系统的稳定性,又降低了空调效果的舒适性。
中央空调实现节能有两个基本的前提条件:
(1)确保中央空调系统主机和外围设备的安全运行,因为节能固然重要,但安全应是第一位的;
(2)确保空调末端用户环境的舒适性,效益固然重要,但服务超越一切。
这两个条件是保护用户的根本利益所在,如果不能满足这两个前提条件,所实现的“节能”,则是以牺牲用户的利益(即系统的安全性及空调效果)为代价的。
可以想到,如果能寻求到一种新的控制方法,使得中央空调主机的冷量(或热量)供应都能跟随负荷的变化而同步变化,就能够在保证空调舒适性的前提下,实现空调系统的最大节能,这就是BKS系列产品节能控制模式的基本思想。
2.3中央空调新型节能控制方法
能源是人类生存和社会发展必须的物质基础,节约能源是我国的一项基本国策。
我国几十年节能工作的经验证明,节能的根本出路在于技术进步。
汇通华城楼宇科技有限公司针对中央空调系统定流量控制方式不能跟随负荷变化而调节系统运行参数和能量供应,造成系统效率降低、能源浪费大、机械磨损严重等问题,提出了一套完整的科学的解决方案,并以当今先进的模糊控制技术、系统集成技术和变频调速技术相结合,研制开发出了中央空调系统的最新节能产品——BKS系列中央空调节能控制系统和中央空调管理专家系统。
BKS系列产品经全国数十个工程项目实际安装使用和运行考核,系统运行稳定可靠,节能效果显著,产品软硬件已经成熟。
2002年3月~5月,贵州省电子产品监督检验所和贵州省节能监测中心的专家,分别对产品进行了全面的技术鉴定检测和节能效果检测。
贵州省信息产业厅、贵州省经济贸易委员会分别主持了该项目的新技术和新产品专家鉴定,其结论是该控制装置在国内外处于领先水平,具有高效节能的显著效果。
根据各种建筑中央空调系统的不同状况,可实现中央空调辅机节约电能60%~80%,中央空调主机节能10%~30%。
BKS系列产品除实现中央空调的高效节能以外,同时可实现系统大功率泵组和风机的平滑起停,减小起停冲击和机械磨损,减少设备故障和延长设备使用寿命。
2.3.1BKS节能控制的基本思想
BKS系列中央空调节能控制系统是目前最先进的节能控制产品,它与当今普遍使用的定流量中央空调控制模式相比,具有以下技术特点:
(1)实现空调系统负荷的跟随性
BKS系列中央空调节能控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式,通过对中央空调能源运行系统的动态监测和闭环控制,将空调主机的定流量运行改为变流量运行,实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化,在空调系统的任何负荷条件下,都能既确保中央空调系统的舒适性,又实现最大的节能。
(2)保障空调主机始终保持高的热转换效率
众所周知,随着中央空调系统负荷的变化,必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数,导致主机热转换效率降低,这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题。
BKS系列中央空调节能控制系统的一个基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控制中央空调系统的运行,根据系统的运行工况及制冷工质参数的变化,通过模糊控制器动态调整空调系统运行参数,确保空调主机始终处于优化的最佳工作点上,使主机始终保持具有高的热转换效率,有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题,提高了系统的能源利用率。
(3)实现中央空调全系统综合性能优化和协调运行
中央空调系统是一个较复杂的系统工程,要实现中央空调系统的最佳运行和节能,从局部去解决问题(如采用通用变频器PID控制)是不可能办到的,必须针对空调系统的各个环节(包括主机、冷冻水系统、冷却水系统、冷却风系统等)统一考虑,全面控制,使整个系统协调运行,才能实现最佳综合节能。
为此,BKS系列产品设计中从系统工程学的理念出发,不仅对中央空调各部分进行全面控制,而且通过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一起,实现它们之间的信息综合、资源共享,在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理,实现中央空调全系统的协调运行和综合性能优化。
2.3.2BKS控制原理
BKS系列中央空调节能控制系统的核心是模糊控制器及其控制软件。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制,是近年来发展起来的新型控制技术,尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。
图1示出了BKS中央空调节能控制原理框图。
图1系统原理框图
图1中所示的模糊控制器由模糊化接口、数据库、规则库、推理机、解模糊接口等构成。
它的输入变量都选用受控变量,它们能够比较准确的反映受控过程中输出变量的动态特性。
对于BKS系列中央空调节能控制系统而言,受控变量是系统的供回水温度、流量及压差等。
模糊控制的核心是用自然语言来描述被控制系统,利用模糊规则推理对系统的粗略知识进行类似人脑的知识处理,实现对复杂系统的优化控制。
在控制过程中,以语言描述人类知识,并把它表示成模糊规则或关系,通过推理、利用知识库,把某些知识与过程状态结合起来,构成一套自寻优的模糊控制策略。
当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工况时,模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值,如系统供回水温度、供回水压差、流量及环境温度等,经推理运算后输出优化的控制参数值,对系统运行参数进行动态调整,确保主机在任何负荷条件下,都有一个优化的运行环境,始终处于最佳运行工况,从而保持效率(COP)最高、能耗最低,实现主机节能10%~30%。
2.3.3BKS系列产品的特点
BKS系列产品的智能模糊控制与传统控制方式和通用变频器PID控制方式相比,具有以下特点:
(1)技术先进,具有智能控制功能
BKS系列产品充分利用了当代最新科技成果,采用具有智能控制功能、能进行类似人脑的知识处理和推理的先进的模糊控制技术,使系统具有自学习、自寻优和自适应的优化控制功能,可以根据中央空调运行环境及负荷的变化择优选择最佳的运行参量和控制方案。
(2)动态负荷跟随,实现高效节能
BKS系列产品突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式,实现空调系统负荷的跟随性,实现空调系统运行参数的动态调整,确保空调主机始终处于优化的最佳工作点上,使主机始终保持高的热转换效率,既确保中央空调系统的舒适性,又实现最大的节能。
(3)多参量控制,运行安全可靠
◆有效克服控制过程的振荡
BKS系列产品采用多参量智能模糊控制,在系统出现外来扰动(如负荷变化)时,能自适应地调整空调系统运行参数及过渡过程参数,使系统能很快趋于新的优化的运行状态,不会引起振荡,系统运行稳定可靠。
◆有效防止主机喘振
BKS系列产品基于系统工程学理念并应用系统集成技术,实现了整个空调系统工作状态的全面监测及同步控制,确保空调主机蒸发器工况和冷凝器工况相匹配,有效防止了喘振现象的发生。
◆全面的保护功能
BKS系列产品设置了以下保护功能:
◇电气保护(过电压保护、过电流保护、过载保护等)。
◇冷冻水低温和低流量保护,有效防止空调主机蒸发器冻管。
◆有效的抗干扰措施
BKS系列产品的软、硬件设计,均充分考虑了产品的电磁兼容性,采取了一系列抗电磁干扰措施,以保障系统可靠地工作。
系统设置了操作权限管理功能,可有效防止非授权人员的无意或蓄意访问系统,确保系统数据的采集、传递、储存、使用的安全性。
◆高可靠的元器件
BKS系列产品的关键元器件,全部采用世界一流的名牌产品,如美国AB、法国Schneider、德国SIEMENS、日本OMRON等,大大提高了系统的可靠性。
(4)人性化设计,使用操作简便
BKS系列产品遵循“以人为本”的人性化设计理念,系统的软、硬件设计都从用户操作使用的方便出发,提供了触摸屏式全汉化的中文软件界面,以及非常直观的图形和图表,以满足不同管理人员和操作人员的使用习惯,使操作人员易于理解、易于学习,让不熟悉计算机的人员也能快速掌握和操作整个系统,很快胜任运行管理工作。
3中央空调管理专家系统设计方案
针对嘉里中心中央空调系统配有电制冷主机8台,55kW一次冷冻水泵4台,30kW二次冷冻水泵4台;
55kW冷却水泵4台;
5.5*2冷却塔10台;
拟采用一套BKS2003T-8B型中央空调管理专家系统进行自动节能控制。
在嘉里中心中央空调系统进行技术改造后,可以实现高效节能的目的,即空调主机平均节能10%,空调水泵、风机平均节能60%。
3.1设计依据
(1)ISO/IEC11801-95信息技术互连国际标准
(2)JGJ/T16-92民用建筑电气设计规范
(3)GBJ42-81工业企业通信设计规范
(4)GBJ232-92电气装置安装工程施工及验收规范
(5)GBJ19-2001中国采暖通风与空气调节设计规范
(6)GBJ15-89建筑给水排水设计规范
3.2设计目标
(1)系统能跟踪负荷的变化,自动调节水泵转速及对运行参数进行修正,以达到理想的节能效果。
(2)系统能对中央空调的冷冻水系统、冷却水系统、冷却风系统实现参数集中监测,设备自动化控制。
(3)自动控制冷冻水、冷却水流量,确保中央空调主机的安全运行。
(4)尽可能减少电气线路及水系统的更改工作量,缩短技术改造工期。
3.3系统控制对象
本系统主要控制对象有:
◇一次冷冻水泵机组:
4台55kW水泵;
◇冷却水泵机组:
◇冷却塔风机:
10组5.5KW的风机.
3.4系统功能
BKS2003T-8B型中央空调管理专家系统是在BKS系列中央空调节能控制系统的基础上最新研制开发的新一代中央空调节能控制产品,与原有的BKS系列产品相比,增加了更强大的管理功能,为实现中央空调系统的计算机管理提供了一个先进实用的工具。
其具体功能如下:
3.4.1系统管理功能
传统的中央空调系统管理是依靠人工管理,离不开操作人员到现场去进行监视和操作。
时代在前进,科技在进步。
21世纪的管理,应该采用计算机代替人来完成。
BKS2003T-8B为您提供了一个先进的智能化的中央空调运行管理的技术平台。
如果把您丰富的运行管理经验和运行要求输入BKS2003T-8B的计算机,它就会忠实地自动执行您的旨意,让您使用和管理您的中央空调系统更加省心省力。
(1)运行管理功能
◇机组启、停运行选择策略;
◇年控制策略;
◇周日控制策略;
◇分时段服务质量控制策略;
◇季节修正策略;
◇系统维护预测策略等。
(2)数据管理功能
◇权限管理;
◇能耗分析;
◇故障记录;
◇操作记录。
3.4.2参数设置功能
(1)系统运行参数值设置
◇冷冻水系统运行参数值设置。
◇冷却水系统运行参数值设置。
◇冷却风系统运行参数值设置。
(2)空调服务质量设置
系统可根据需要对空调服务质量(即末端空调效果)进行设置。
空调服务质量依据空调水回水温度的不同分为8个级别:
服务质量级别
1级
2级
3级
4级
5级
6级
7级
8级
夏季:
冷冻水回水温度
冬季:
温水回水温度
3.4.3系统控制功能
(1)控制方式
◇手动控制。
◇自动控制。
(2)控制内容
◇空调主机启动、停止及运行控制。
◇冷冻水系统启动、停止及运行控制。
◇冷却水系统启动、停止及运行控制。
◇冷却风系统启动、停止及运行控制。
3.4.4系统监测功能
(1)空调主机状态监测
◇主机运行状态:
运行,停止,故障,维修。
◇主机当前负荷、输入功率及转换效率(COP)。
◇主机冷冻水:
供水温度。
◇主机冷却水:
出水温度。
(2)冷冻水系统状态监测
◇运行状态:
◇当前运行参量监测:
供水温度、回水温度、供回水压差、总管流量、旁通阀开度、水泵电机运行频率、空调服务质量级别等。
(3)冷却水系统状态监测
出水温度、冷却泵电机运行频率等。
(4)冷却风系统状态监测
◇当前运行参量监测与显示:
冷却水进水温度、冷却塔风机运行频率等。
3.4.5系统保护功能
系统设置了以下保护功能:
◇电气保护(过电压保护、过电流保护、过载保护等);
◇冷冻水低流量保护;
◇冷冻水供水低温保护;
◇冷冻水供回水低压差保护;
◇冷冻水供回水高压差保护;
◇冷却水出水高温保护。
有效地保障了变流量工况下空调主机的安全稳定运行。
3.4.6故障报警功能
(1)故障报警分类
◇系统运行参量越限报警。
◇系统设备故障报警。
(2)故障报警方式
◇声光提示报警:
在控制柜内设置电铃和在面板上设置故障指示灯。
◇显示器画面报警。
3.5系统主要技术参数
工作环境温度0℃~40℃
相对湿度≤90%(20℃),无凝露
安装使用地点的海拔高度≤1000m
输入电源电压三相AC380V
输入电源频率50HZ
输出电压三相AC0V~380V
输出频率0HZ~50HZ
控制柜防护等级IP20
操作方式就地、远程、自动、手动
3.6系统控制模型
系统控制模型如下:
3.6.1冷冻水控制模型
BKS系列产品对空调冷冻水系统采用最佳输出能量控制。
当环境温度、空调末端负荷发生变化时,冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化,流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器,模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据,实时计算出末端空调负荷所需的制冷(热)量以及冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值,并与检测到的参数值进行比较,根据其偏差值,利用现代变频高速技术,调节冷冻水泵的转速,改变其流量使冷冻水系统的温差、供回水温度、压差和流量运行在模糊控制器给定的最优值。
由于冷冻水系统采用了输出能量的动态控制,实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应,使空调系统在各种负荷情况下,都能既保证末端用户的舒适性,又最大限度地节省了冷冻水的输送能耗。
3.6.2冷却水及冷却风控制模型
中央空调系统的运行效率(COP)会受各种因素的影响而变化,通过有效控制系统工质参数(即运行环境),可以优化系统的运行效率,然而,这些参数的运行特征表现为非线性和时变性,因此,传统的或简单的控制技术都难以取得满意的效果。
BKS系列产品对中央空调冷却水及冷却风系统采用最佳效率控制。
当环境温度、空调末端负荷发生变化时,中央空调主机的负荷率将随之变化,主机冷凝器的最佳热转换温度也随之变化。
模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据,计算出主机冷凝器的最佳热转换温度及冷却水最佳进、出口温度,并与检测到的实际温度进行比较,根据其偏差值,利用现代变频高速技术,调节冷却水泵和冷却塔风机转速,动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的风量,使冷却水的进、出口温度逼近模糊控制器给定的最优值,从而保证中央空调主机随时处于最佳效率状态下运行。
由于冷却水系统采用最佳效率控制,保证了中央空调主机在满负荷和部份负荷的情况下,均处于最佳工作状态,始终保持最佳的能源利用率(即COP值),从而降低了空调主机的能量消耗,同时因冷却水泵和冷却塔风机经常在低于额定功率下运行,也最大限度地降低了冷却水泵和冷却塔风机的能量消耗。
4系统构成
4.1BKS2003系统构成框图
本方案针对嘉里中心的中央空调系统具体配置,并考虑缩短系统的改造工期,拟在原有控制设备的基础上,增设一套BKS2003T-8B型中央空调管理专家系统及配套的变频器,实现该中央空调系统的计算机管理和节能控制。
BKS2003T系列产品主要由模糊控制柜、冷冻水智能控制柜、冷却水智能控制柜、冷却风机智能控制箱、现场模糊控制箱、各种传感器件以及系统软件组成。
图2系统构成框图
BKS2003T-8B型中央空调管理专家系统主要由以下设备组成:
MKG2003-8模糊控制柜1套;
MKX2003-8B现场模糊控制箱1套;
(减少布线,类似采集终端/现场工作站)
BBQ2003T-55冷冻水泵标准智能控制柜4套:
BBQ2003T-55冷却水泵标准智能控制柜4套:
FJX2003T-5风机智能控制箱2套。
4.2模糊控制器
模糊控制器包括MKG2003-8模糊控制柜1台,柜内配置模糊控制单元1套、工业控制计算机1台、通讯协议转换单元2套、数字量接口单元2
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