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，其能耗約占建筑物總能耗的60%以上。目前，進行中央空調設計時，設計單位基本按zui大負荷并留有一定余量進行設計，而實際上，一年中系統滿負荷運行的時間zui多只有十幾天，甚至十幾個小時，絕大部分時間負載率都在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調節負載，幾乎長期在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，急需采用先進的監控系統及控制策略對中央空調系統進行監控，開展能耗數據分析，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程是一個不斷進行能量轉換以及熱交換的過程。其理想運行狀態是: 冷凍水循環系統中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經冷凍主機，在蒸發器進行熱交換，被吸熱降溫后( 7℃)被送到終端盤管風機或空調風機，經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器形成閉合循環。在冷卻水循環系統中，在冷卻泵的作用下冷卻水流經冷凍機，在冷凝器吸熱升溫后( 37℃) 被送到冷卻塔，經風扇散熱后( 32℃) 再由冷卻泵送到主機，形成循環。在這個過程里，冷凍泵、冷卻泵得到動能，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，不停地循環在各自的管道系統里，不斷地將室內的熱量經冷凍機的作用，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系統節能的重要環節。在設計時，設計人員應對建筑不同場所的空調負荷及運行模式進行詳細的調查分析，合理確定空調主機的功率、數量及相關參數。在運行過程中應該根據空調負荷合理確定空調主機啟動臺數，使空調主機在其*的特性曲線范圍內運行，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)先進的智能控制技術及的運行管理: 采用先進的控制策略，動態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現
中央空調監控系統是一套集工藝設備、自動化控制和資源管理于一體的系統，它不僅能夠實現空調機組的*運行控制，而且還能夠實現機組的工作狀態監控、能耗分析、報表打印、運行模式自動尋優等功能。該系統能方便管理人員及時了解空調系統的運行狀態及能耗趨勢，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。
管理級和過程控制級與樓宇自動化系統共用，由設備控制級對其開放數據接口( OPC 或TCP /IP 等) ，其任務主要是實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、壓力的自動化控制，空調主機及水泵等的自動尋優控制等，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，并對數據進行處理，通過一定的控制算法計算出優化后的控制量，驅動相應的水泵和控制閥，使系統處于*工作狀態，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、閥門等) 的配置，以組態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: 采用變頻技術實現冷凍水(熱水)和冷卻水變流量運行控制，使系統始終處于經濟運行狀態; 通過對冷凍水(熱水) 各個環路負荷的實時檢測，動態分配和控制各個環路的冷凍水(熱水) 流量，使各個環路實現冷(熱) 量供需平衡和空調效果均衡。
3)工作模式: 供冷、供熱和通風模式既可以獨立工作，也可以同時工作，可實現不同中央空調系統使用的需求。
4)控制模式: 手動模式(包括就地手動和遠程HMI手動) 和自動模式。在自動控制模式下設有三種模式可供選擇。
(1) 時序控制，監控系統按照用戶預設的時間表對設備進行啟?？刂坪蛢灮\行模式。
(2) 主機聯動，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動控制和優化運行，此模式自動連鎖控制冷凍泵、冷卻水泵、冷卻塔風機和閥門等設備。
(3) 主機群控，在多臺空調主機和水泵并聯運行的系統中，監控系統除實現主機聯動模式的功能外，還會根據空調負荷自動實現主機、水泵運行臺數的優化控制，使主機、水泵在率狀態下運行。
5)HMI(人機監控畫面) 在Windows 系統電腦上運行，實時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; 實現遠程手動及自動控制的參數設定和控制操作。
6)計量及能耗統計: 實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段和實時能耗分析報表(曲線) ，各種參數的歷史趨勢曲線。
7)故障報警及連鎖: 系統可以實現操作連鎖(防止誤操作) ，輕故障聲光報警，重故障連鎖停機，并對故障信息進行記錄; 同時也能實現操作記錄的存檔。
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( 如西門子公司S7-200 /300 等) 。
為增加系統的靈活性，以選用通用PLC( 西門子公司S7-300) 為例，設計時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，下一步是進行軟件設計，根據操作任務書和工藝任務書，使用WinCC 軟件完成空調系統HMI 監控畫
面設計，Step7 完成PLC 控制程序設計，zui后聯動調試，優化系統，使系統達到預期的設計要求。