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中央空调节能控制设计方案.doc

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中央空调 节能 控制 设计方案
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TJSMART 中央空调节能控制系统设计方案南京图久楼宇科技有限公司二○○九年十月目录1、概述 .......................................................................................................................................22、 中央空调系统概况 ..........................................................................................................32.1、 中央空调系统能耗分析 ............................................32.2、 中央空调使用情况分析 ............................................42.3、 中央空调系统的智能化控制要求 ....................................43、 设计目标 ..........................................................................................................................54、 TJSMART 主机节能系统控制原理 ...................................................................................74.1、 节能控制目标和范围 ..............................................74.2、 先进的系统节能控制技术 ..........................................74.3、 冷冻水系统—— 最佳输出能量控制 ..................................84.4、 冷却水系统—— 系统效率最佳控制 ..................................94.5、 冷却风系统—— 最佳运行组合控制 .................................104.6、 动态冷热量平衡系统 .............................................104.7、 系统控制接口-BA 接口 ...........................................114.8、 机组群控 .......................................................115、 TJSMART 中央空调主机节能控制系统设计方案 .........................................................125.1、 TJSMART 中央空调主机节能控制系统构成 ...........................125.2、 主要控制设备 ...................................................125.3、 节能分析 .......................................................136、 中央空调风机盘管联网控制系统设计 ........................................................................146.1 系统结构与功能 ....................................................146.2 风机盘管联网控制系统主要设备 .....................................186.3 风机盘管联网控制系统节能分析 ....................................197、 中央空调常见控制系统与 TJSMART 中央空调节能控制系统的差异 ........................197.1、楼控系统与 TJSMART 节能控制系统的差异 ............................207.2、传统的变频控制系统与 TJSMART 节能控制系统的差异 ..................218、 TJSMART 中央空调节能控制系统的管理功能 .............................................................229、 TJSMART 中央空调节能控制系统的优势与产品技术性能 .........................................241、概述中央空调是楼宇里的耗电大户,每年的电费中空调耗电占 40~60%左右,因此中央空调的节能改造显得尤为重要。 由于设计时,中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计,并且留 10-20%设计余量。但实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下的,存在较大的富余。中央空调系统冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载,冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化做出相应调节,存在很大的浪费。因此,通过引进先进的中央空调节能技术及设备,可以大幅度降低酒店的能源消耗,创造显著的经济效益。南京图久楼宇科技有限公司提供的 TJSMART 系列中央空调节能控制系统已在全国多个项目里面为用户实现 20%以上的综合节能,降低中央空调能耗,降低企业运营成本,为客户创了巨大的节能收益。南京图久楼宇科技有限公司是专业从事现代建筑节能控制技术与产品的研发,节能设备制造以及用户能源诊断,节能方案设计,工程实施和运行保障等综合性节能服务企业,公司凭借着世界领先的节能控制技术和成熟可靠的产品,目前现已成为该领域的技术领跑者,公司已成功与工业控制及楼宇自动化控制 Lonworks 的发明者美国埃施朗(Echelon)公司建立战略合作关系,在楼宇自动化、建筑节能、智能照明领域可为用户提供全面的解决方案。 公司在世界上率先通过先进的 P-Bus 控制网络技术,实现主机节能、管理节能、系统节能的整合,将现代模糊控制技术引入中央空调控制,并实现主机系统与风机盘管的联网控制,实现了中央空调总体节能 20%~40%,彻底解决了中央空调使用的不可控问题,实现中央空调各个环节的远程管理控制、自动控制、节能控制,在国内外都处于领先水平。TJSMART 中央空调节能控制系列产品不仅具有强大的自动控制功能,实现了中央空调系统的高效节能,而且具有完善的管理功能,如便捷的状态监控、机组群控、风机盘管状态、房间温度实时监测、实时的维护预测、服务质量控制、系统参数设置、能耗记录分析、事件记录等,为用户提供了一个运用计算机管理中央空调系统的先进工具,可以促进中央空调控制与管理的现代化。2、 中央空调系统概况2.1、 中央空调系统能耗分析中央空调是能耗很高的系统,在日常使用中中央空调的能耗通常占到整个大厦的运行费用的 50%以上,而其中主机所占比例最大,下表我们对本系统中央空调水系统能耗进行简单分析:空调水系统能耗统计(单位:KW)主机制冷量主机功率冷冻水泵功率空调热水泵功率冷却水泵功率冷却塔风机功率 总计机型一 1224 222 37 15 55 15机型二 1224 222 37 15 55 15机型三 1224 222 37 15(备用) 55 15机型四 ∕ ∕ 37(备用) ∕ 55(备用) ∕小计 3672 666 111 30 165 451017从上面的中央空调系统参数表中可以看出,在系统设备全部投入使用的情况下,每小时最大能耗为 1017KWH,酒店投入正常使用后,每年耗电量约 180 万 KWH。因此需要在实现整个空调系统的综合智能化控制的基础上,对本系统实现空调的运行及管理节能,大幅度降低空调系统的能耗。同时节能必须以整个中央空调系统为一个整体,在满足末端需求的前提下,一方面调节水泵的频率节能,另一方面兼顾水泵流量的变化朝着提高主机能效的方向发展,使主机节能,最终经过智能控制,使整个系统的综合能效最高。2.2、 中央空调使用情况分析中央空调的日常使用也存在很多问题,使用人员在进入办公室开始办公时,由于想最快的使室内温度带到最佳状态,往往把空调温度设置到一个极高(低)值,并把风机调到最大档位,温度值往往是一个不可能达到的温度,如夏天最热时设置温度为 18度,这样的温度一般是不可能达到的。设置完成后,办公人员一般情况下是不再管空调的设置,如果感觉冷或者热,经常是打开窗户而不是调整温度及风机的设置。离开办公室时,经常也是不关闭空调的风机盘管系统,造成“人走空调开”的情况,进而带来极大的浪费。在这样的使用情况下,中央空调主机只有不停的工作,给各个风机盘管输出冷能或者热能。另外,空调的使用计量一般是按照面积进行分摊,而实际往往是面积大的单位空调使用不一定是最多,有的单位虽然面积大,但人少或者经常出差,实际使用空调往往比有些人员集中而面积小的单位,但由于计费方式的不合理,结果那些本来空调使用较少的单位平常也就没有节能意识,把空调设置在一种不合理的使用状态,并且离开单位时也就经常不关闭空调,这样也就造成了能耗的浪费。因此,通过对每个风机盘管的管理控制,对于空调的节能具有极大的意义,首先,通过对它的管理控制,可以有效的降低盘管系统的冷热能输出,最终降低主机的负荷,进而为主机节能控制带来节能空间;其次,通过对风机盘管的联网控制,可以通过网络实现风机盘管的管理控制,可彻底杜绝“人走空调开”和温度设置不合理的种种状况;再次,通过风机盘管的联网,对中央空调按照实际使用情况进行计量,可为能耗的分摊提供一种先进的方法和手段,进而为管理和能源节约带来一定的推动作用;系统还可设计传感器和自动控制策略,实现根据环境温度、房间有人或者无人的状况,实现空调的自动管理和调节,进而实现中央空调的系统节能。2.3、 中央空调系统的智能化控制要求由于中央空调代表大厦的最大耗能单位,其项目定位较高,对中央空调集中管理与节能控制系统技术性要求也较高,这些控制包括: 机房内各空调设备的启停、联动控制; 主机及水泵群控; 根据空调负荷的随时变化,自动调节与之匹配的空调系统的运行状态,实现系统的综合节能; 阀门的开启及调节的自动和手动控制。 风机盘管联网与自动控制。 中央空调的联网计量管理。3、 设计目标3.1 中央空调主机节能控制设计控制目标采用专业的中央空调能源管理系统,综合各项控制要求,实现整个中央空调水系统的智能化管理,包括系统联动,系统群控,并随时根据负荷变化自动、及时并有预见性地调节系统的运行工况,实现中央空调系统的运行收益及管理收益。节能效果根据对空调系统负荷变化的预测判断,控制系统能动态跟随负荷的变化动态调整水泵的转速,并动态调节系统的运行参数,对空调水系统进行全面优化,从而达到空调系统年平均节能率 20%~40%的节能效果(其中空调主机节能率约为 10%~20%,辅机节能率约为 50%~60%) 。系统技术指标系统满足以下技术参数要求:◇ 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◇ 输入电源频率 50 Hz◇ 输出频率(控制柜) 0 Hz~50 Hz◇ 输入电源电压 三相 AC 380V±38V◇ 输出电压(控制柜) 三相 AC 0V~380V◇ 控制柜防护等级 IP20◇ 操作方式 自动、手动◇ 外形尺寸(控制柜) 1800(2200)×600(800)×6003.2 中央空调风机盘管联网管理节能控制设计控制目标采用先进的中央空调联网管理控制系统,主要实现对各个风机盘管的联网控制,包括风机盘管的远程设置、远程控制、远程托管、本地控制及自适应控制,通过计算机软件系统,可实时监控每个风机盘管的状态,为中央空调风机盘管的管理控制提供先进的技术手段。节能效果通过中央空调风机盘管系统的管理控制,可大大的降低中央空调主机系统的负荷,进而为主机节能系统创造条件,提升主机节能的效果,一般可为中央空调主机节能系统带来 20%~40%的提升,实现 20%以上的空调节能。系统的技术指标系统满足以下技术参数要求:◇ 上层通信接口:以太网、RS485、Lonworks 扩展接口。◇ 下层控制网接口:P-Bus 总线接口,采用 RVS2*1.0 无极性双绞线,24V AC/DC 通信和供电复用总线,速率 312.5kbps,总线拓扑通信距离 400 米,自由拓扑通信距离 100 米,支持 32 个下层节点;◇ 支持协议:TCP/IP、Modbus、可扩展 Lonworks◇ 输入电源:24VAC/DC±10% 50Hz ◇ 功耗:小于 500mA◇ 环境:温度 -20℃~50℃ 湿度:(90±2)% 无冷凝◇ 外形尺寸:200 * 110 * 45 mm◇ 外壳材料:ABS 工程塑料,阻燃,标准导轨安装4、 TJSMART 主机节能系统控制原理4.1、 节能控制目标和范围中央空调水系统由冷冻水泵、冷却水泵、制冷主机、冷却塔等环节构成,其能耗较大。常见传统的节能方式就是通过对水泵进行简单的变频实现水泵的节能。而在整个系统中,水泵的能耗通常只占到总能耗的 1/3~1/4,因此仅实现水泵的变频节能,其节能量有限;尤其值得注意的是,由于中央空调水系统是一个相互关联、相互影响的整体,如果单独考虑水泵的变频会产生由于流量的变化造成主机侧外围温度场的变化,从而可能出现主机运行工作点的漂移而导致主机能耗增加的结果,这也是我们通常所说的“水泵节能,主机耗能”的情况。因此仅进行水泵侧的节能,其节能量是局部有限的,且会对系统的总体能耗带来不利影响。控制节能的最终目标是机房所有设备的总能效最高,即末端每输出一吨冷量整个中央空调系统所用的的功耗最小,而不只是片面的看某一个设备环节的节能。在本控制系统中,TJSMART 通过对主机、水泵等设备的节能控制,并通过对中央空调的水系统、风系统的监测与智能控制,使整个系统在满足末端负荷的情况下,系统综合COP 时刻处于最高值。 ercolingtwpcolingumpchiledumchiler WWQCOP=系 统 综 合4.2、 先进的系统节能控制技术中央空调系统的运行效率,涉及到载冷剂(冷冻水) 、制冷剂、冷却剂(冷却水)三种冷媒的循环运行,涉及到空调末端装置、制冷机组蒸发器、制冷机组冷凝器以及冷却塔装置等四个热交换过程,涉及到系统的负荷及实际工况,运行情况复杂,制约因素很多,使中央空调系统具有显著的复杂性特征。此外,中央空调系统的复杂性还表现在它的时滞性、时变性、非线性和大惰性;表现在系统结构的多样性,负荷和环境因素的不确定性;表现在它的多参量以及参量间的互相关联和影响等。对这样复杂的系统,其动态特性不易掌握,系统越大其滞后性及惰性就越强。通常的中央空调系统中,冷冻水循环周期长达十几分钟至几十分钟,而系统的温度,压力,流量等传感器通常安装在冷冻机房内,当末端的空调负荷发生变化时,机房侧探头所测得的系统信号往往是若干时间以前的负荷变化;同时水系统的惰性大,反应慢,在这种情况下,如用单一的、传统的楼宇控制系统的控制方式(通常为 PID 控制方式)所采用的跟随式控制,其控制及调节误差很大。南京图久楼宇科技的“TJSMART 中央空调节能控制系统”通过 PID 调节、风机盘管联网控制、水系统及风系统监测,实现整个空调系统的节能控制。有别于现在常用的控制方式,系统是通过对末端和主机端同时监测,动态调节的方式,采用先进的控制理论与算法,实现计算机智能控制,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。它是以人(专家)的丰富实践经验和思维过程构建的模糊规则为依据进行推理与判断,模拟人类技术专家做决策的过程来解决那些需要人(专家)决定的复杂问题。它无需对被控对象建立精确的数学模型,只需作模糊描述即可实现控制。这样的控制更符合中央空调的复杂性、动态性和模糊性,使控制简便,又能达到所要求的控制精度。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制要求,利用模糊规则推理对系统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,根据对被控动态过程特征的识别,自适应地调整运行参数,实现系统各受控参量的优化控制,对系统运行参数进行优化和动态调节,实现全系统协调运行,以达到系统整体综合性能最优的目的。通过对主机、水系统、风系统、盘管系统的整体监测与智能控制,系统突破了传统的节能控制方式,实现了主机节能、管理节能及系统节能,具有良好的节能效果。4.3、 冷冻水系统——最佳输出能量控制TJSMART 中央空调节能控制系统对空调冷冻水系统采用模糊预测算法实现最佳输出能量控制。当气候条件或空调末端负荷发生变化时,空调冷冻水系统供回水温度、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经验数据,根据模糊预测算法模型、系统特性及循环周期,通过推理、预测出未来冷冻水系统控制流程示意图时刻空调负荷所需的制冷量和系统的运行参数,包括冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值,并以此调节各变频器输出频率,控制冷冻水泵的转速,改变其流量,使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在模糊控制器给出的最优值,使系统输出能量与末端负荷需求相匹配。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系统的能量消耗。在本项目中,针对冷冻水泵采用预期流量的控制算法,在保证末端舒适性的同时消耗最少的能耗。4.4、 冷却水系统——系统效率最佳控制当气候条件或空调末端负荷发生变化时,空调主机负荷率将随之变化,主机的效率也随之变化。由于主机效率与冷却水温度有关,在一定范围内冷却水温度降低,有利于提高主机效率、降低主机能耗。但冷却水温度降低,将导致冷却水泵和冷却塔的能耗升高。因此,只有将主机能耗、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗三者统一考虑,在各种负荷条件下找到一个能保持系统效率(系统 COP)最高所对应的冷却水温度,即找到一个系统效率最佳点,才能使整个系统能效比最高。冷却水温度与室外环境温度、室外环境湿度、冷却水泵特性、冷却塔排热能力、主机排热负荷等诸多因素有关,但由于气候条件和排热负荷的时变性,以及冷却塔、冷却水泵和主机冷凝器等特性的变化,因此,传统的控制方式或简易的变频器控制方式都不可能达到冷却水系统控制流程示意图
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