中央空调节能监控系统设计

1、概述
*，中央空调是现代建筑物*的重要设施之一，然而它也是能耗大户，其能耗约占建筑物总能耗的60%以上。目前，进行中央空调设计时，设计单位基本按zui大负荷并留有一定余量进行设计，而实际上，一年中系统满负荷运行的时间zui多只有十几天，甚至十几个小时，绝大部分时间负载率都在70% 以下。传统运行模式下的中央空调系统，虽然冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，但是与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵等设备却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费。
由以上分析可知，中央空调系统还有巨大的节能空间，急需采用先进的监控系统及控制策略对中央空调系统进行监控，开展能耗数据分析，减少不必要的能量消耗，以达到节能的目的。
2、中央空调工艺流程分析及主要节能措施
中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是: 冷冻水循环系统中，在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后( 7℃)被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后( 12℃) ，再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中，在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后( 37℃) 被送到冷却塔，经风扇散热后( 32℃) 再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻泵、冷却泵得到动能，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。其工艺结构如图1 所示。

图1 中央空调系统结构图

图2 中央空调监控系统架构图中央空调的节能措施主要有:
1)建筑节能: 主要是合理设计窗，采用环保节能型建筑材料等。
2)制冷主机的节能运行: 主机能耗占总能耗60%以上，因此主机的节能运行是整个系统节能的重要环节。在设计时，设计人员应对建筑不同场所的空调负荷及运行模式进行详细的调查分析，合理确定空调主机的功率、数量及相关参数。在运行过程中应该根据空调负荷合理确定空调主机启动台数，使空调主机在其*的特性曲线范围内运行，以提高主机效率，达到节能的目的。
3)水泵的节能运行: 水泵能耗约占总能耗的10%～30%，主要节能措施为合理确定水泵的功率和数量，提高水泵运行效率，应采用变频方式调节水量，尽量避免采用阀门调节水量。
4)冷却塔节能运行: 合理设计，可采用变频调节。
5)先进的智能控制技术及的运行管理: 采用先进的控制策略，动态调整主机及水泵的运行模式。加强对空调操作人员的培训，定期对设备和系统进行维护，以保证机组的正常运行和设备的使用效率。
3、监控系统架构及其实现
中央空调监控系统是一套集工艺设备、自动化控制和资源管理于一体的系统，它不仅能够实现空调机组的*运行控制，而且还能够实现机组的工作状态监控、能耗分析、报表打印、运行模式自动寻优等功能。该系统能方便管理人员及时了解空调系统的运行状态及能耗趋势，为降低运行成本和维护成本提供强有力的技术依据，保障系统的可靠性和安全性。
监控系统采用层次化的三级控制方式，即管理级、过程控制级、设备控制级。各级功能划分明确，可以相互独立运行，其系统架构如图2 所示。
管理级和过程控制级与楼宇自动化系统共用，由设备控制级对其开放数据接口( OPC 或TCP /IP 等) ，其任务主要是实现计划管理和运行数据统计分析，包括空调系统(年度) 运行成本和维护成本报表，能耗分项分时报表，运行管理模式设定等。此部分可以根据投资和管理模式灵活确定为实施或预留接口。
设备控制级为中央空调机组设备监控层，主要完成空调系统现场仪表设备以及电气设备的控制，包括各种温度、流量、压力的自动化控制，空调主机及水泵等的自动寻优控制等，其结构如图3所示。

图3设备控制级监控示意图
由图3可知，设备控制级是中央空调系统的核心层，以PLC系统作为中央空调系统的主控制器，完成空调系统运行所需的工艺参数采集，并对数据进行处理，通过一定的控制算法计算出优化后的控制量，驱动相应的水泵和控制阀，使系统处于*工作状态，以提高系统效率，达到节能的目的。
该系统采用模块化集成设计，具有如下核心功能:
1)组态功能: 系统硬件及控制软件均能根据中央空调系统设备(冷热源主机、冷冻泵、阀门等) 的配置，以组态方式灵活添加或修改受控设备对象，并设置其属性，有*的通用性和可扩展性。
2)节能控制: 采用变频技术实现冷冻水(热水)和冷却水变流量运行控制，使系统始终处于经济运行状态; 通过对冷冻水(热水) 各个环路负荷的实时检测，动态分配和控制各个环路的冷冻水(热水) 流量，使各个环路实现冷(热) 量供需平衡和空调效果均衡。
3)工作模式: 供冷、供热和通风模式既可以独立工作，也可以同时工作，可实现不同中央空调系统使用的需求。
4)控制模式: 手动模式(包括就地手动和远程HMI手动) 和自动模式。在自动控制模式下设有三种模式可供选择。
(1) 时序控制，监控系统按照用户预设的时间表对设备进行启停控制和优化运行模式。
(2) 主机联动，监控系统根据空调负荷完成水系统设备与冷热源主机的联动控制和优化运行，此模式自动连锁控制冷冻泵、冷却水泵、冷却塔风机和阀门等设备。
(3) 主机群控，在多台空调主机和水泵并联运行的系统中，监控系统除实现主机联动模式的功能外，还会根据空调负荷自动实现主机、水泵运行台数的优化控制，使主机、水泵在率状态下运行。
5)HMI(人机监控画面) 在Windows 系统电脑上运行，实时监控系统运行的各种参数，包括冷冻(却) 水温度、流量、压力; 主机及水泵的运行、停止、故障等信号; 实现远程手动及自动控制的参数设定和控制操作。
6)计量及能耗统计: 实现各机组的用电量分项计量，供热量、供冷量、补水量等计量，可在HMI操作界面上打印分时段和实时能耗分析报表(曲线) ，各种参数的历史趋势曲线。
7)故障报警及连锁: 系统可以实现操作连锁(防止误操作) ，轻故障声光报警，重故障连锁停机，并对故障信息进行记录; 同时也能实现操作记录的存档。
文中所述PLC 系统既可以选用空调的PLC( 厂家集成了部分控制算法、控制接口等，如Excel800 控制器) ，也可以选用通用PLC( 如西门子公司S7-200 /300 等) 。
为增加系统的灵活性，以选用通用PLC( 西门子公司S7-300) 为例，设计时首先要分析控制系统的功能需求，包括系统规模( 数据采集、控制点数及算法的复杂性)、工艺流程、操作模式、设备平面布置等，确定PLC 的型号和输入输出模块的配置。完成硬件配置后，下一步是进行软件设计，根据操作任务书和工艺任务书，使用WinCC 软件完成空调系统HMI 监控画
面设计，Step7 完成PLC 控制程序设计，zui后联动调试，优化系统，使系统达到预期的设计要求。