中央空调系统节能控制系统设计方案.docx
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中央空调系统节能控制系统设计方案
KT仟亿
中央空调系统节能控制系统设计方案
北京仟亿达科技有限公司
1概述
国家“十一五”规划纲要中明确提出要把节约资源和保护环境基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。
提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%等目标。
这是针对资源环境压力日益加大的突出问题提出来的，体现了建设资源节约型、环境友好型社会的要求，是现实和长远利益的需要，具有明确的政策导向。
中央空调在各大中型民用、商用建筑中的普及，带来了严重的能耗问题。
中央空调系统的电耗一般占整座建筑电耗的50%~60％，建筑能耗则占全国总能耗的1/3左右，因此提高能源利用率是我国能源可持续发展的方向。
中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷，并由此确定空调主机的装机容量及空调水系统的供水流量。
然而，实际上每年只有极短时间出现最大冷负荷的情况。
因此，中央空调系统在绝大部分时间里，都是在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的。
据统计，实际空调负荷平均只有设备能力的50%左右，这无疑造成了大量的能源白白浪费。
而且，空调水系统的水泵、风机等机电设备，长期处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。
另一方面，空调负荷又具有变动性。
由于季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化（如旅游旺、淡季）及人流量增减（如宾馆入住率的变化）等各种因素变化的影响，中央空调系统的负荷具有起伏变化和不恒定的特点，如果中央空调的运行方式不能根据负荷的变化而调节，始终在额定容量（即满负荷状态）下运行，也势必造成巨大的能源浪费。
由北京仟亿达科技有限公司提供的中央空调分布式系统节能控制装置——KTC-2005系列、KTC-2005系列产品，以模糊控制理论为指导、以计算机技术、系统集成技术、变频调速技术为控制手段，以多年丰富的实践经验和数据为基础，科学地实现了中央空调能量供应按末端负荷需要提供，最大限度地减少了空调系统能源浪费，从而达到高效节约能耗的目的。
2系统概况
酒店的中央空调系统具体配置如下：
制冷/热主机：
顿汉布什（WCFX36AVL8J9B）2台
冷冻泵：
22kw（Y180LB5-4）3台
冷却水泵：
37kw（Y225-4）3台
冷却塔风机：
37kw4台
3设计目标
3.1实现显著的节能效果
根据对空调系统负荷变化的跟踪，系统自动调节水泵和冷却塔风机的转速，并动态修正系统的运行参数，对空调水系统进行全面优化，水泵和风机平均节能60%～80%的节能效果。
3.2自动控制
系统对冷/热水流量和供回水温差、对冷却水进出水温差，进行自动调节和优化，对制冷主机采取多种安全保护措施，既实现全系统自动节能运行，又实现系统安全可靠运行。
3.3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50Hz
◆输出频率（控制柜）0Hz～50Hz
◆输入电源电压三相AC380V±38V
◆输出电压（控制柜）三相AC0V～380V
◆控制柜防护等级IP20
◆操作方式自动、手动
4设计依据和原则
4.1设计依据
本系统的设计严格按照下述标准规范执行：
（1）ISO/IEC11801-95信息技术互连国际标准
（2）GBJ93－86工业自动化仪表工程施工及验收规范
（3）GBJ42-1981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）GBJ15-1989中国室内给水排水热水供应设计规范
4.2设计原则
为实现上述设计目标，本设计提出并遵循以下的设计原则：
（1）标准化原则
严格贯彻国家有关的标准或工业标准，以实现系统的标准化，以保障系统的兼容性、可维护性与可扩展性。
（2）实用性原则
依据用户需求进行功能、性能设计，充分满足用户的需求，功能实用。
（3）先进性原则
系统采用的技术设施一定要有先进性或超前性。
系统设计在满足功能的实用性和满足用户现有需求的前提下,同时考虑技术上的先进性，以避免在短期内因技术陈旧而造成整个系统性能不高或过早淘汰。
（4）安全性原则
确保中央空调系统设备的运行安全，是系统设计中最重要的原则。
设备的自动控制和节能固然重要，但安全应是第一位的。
（5）可靠性原则
可靠性是工程设计的基本准则。
系统应能满足使用环境条件的要求，能长期稳定可靠地运行。
系统的各项资源包括材料、器件、设备等硬件的可靠性要高。
为了系统运行的稳定与可靠，系统选用的设备和器材必须成熟，具有极高的安全性、可靠性和容错性。
（6）经济性原则
在实现系统先进性的基础上，同时做到经济上的优化设计、合理配置、精心安排，使有限的投资发挥最大的效用，并力求系统在投运后获得最佳的节能效果，使中央空调系统在整个运行生命周期获得最佳的性能/价格比。
5设计方案
5.1设计原理
中央空调系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。
对这样的系统，无论用经典的PID控制理论或其他现代控制理论和控制模型，都很难实现较好的控制效果。
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，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。
基于模糊控制的变频调速技术可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。
显然，模糊控制适用于多变性的特点，但正是由于这种多因素的多变性，才构造了体现智能控制行为的输入输出间的复杂非线性关系，也正是凭借着这种复杂非线性，才使得模糊控制卓有成效地控制和克服了被控中央空调的非线性、时变性及不确定性等复杂性，从而达到很高的控制性能，实现中央空调系统的最优化运行。
本装置采用了模糊控制算法对冷/热水系统进行控制。
当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷/热水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，温度传感器将检测到的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量，以及各路冷/热水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，调节各变频器输出频率，控制冷/热水泵的转速，改变其流量使冷/热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。
由于冷/热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。
系统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、出水温度，并与检测到的实际温度进行比较，根据其偏差和偏差变化率，利用现代变频调速技术，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出水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运载能耗。
5.2系统构成
5.2.1系统配置
根据酒店的中央空调系统设备情况，中央空调节能控制装置具体配置如下：
1）KTC·LRG-22-11GZ型冷冻控制柜1台，夏季实现对3台22kW冷冻水泵（一用两备）变频调速控制;冬季可以同样为采暖水泵变频调速控制.
2）KTC·LQG-37-11GZ型冷却水控制柜1台，实现对3台37kW冷却水泵（一用两备）变频调速控制。
3）系统配套设备一套，含温度传感器4支等。
4）工程辅料一批，含电缆、安装桥架等工程用料。
（为了充分提高制冷主机的效能，本系统不对冷却塔风机配置变频控制功能。
）
5.2.2系统配置原理图
5.2.3智能控制器
智能控制器在现场用通信电缆与冷冻水控制柜、冷却水控制柜连接，而冷冻水控制柜、冷却水控制柜通过电缆与原有的空调起、停控制柜连接。
系统运行时，智能控制器通过协议解析，可与以上各控制柜进行通信，通过对空调系统全面的参数采集，实现对空调系统运行的集中监测、控制和管理。
5.2.4冷/热水控制系统
冷/热水智能控制系统设置KTC·LRG-22-11GZ型冷/热水控制柜1台，实现对3台22kW冷热水泵（一用两备）变频调速控制。
冬季可以实现同样的变频控制效果，变频调速控制控制柜经通信电缆与智能控制器连接。
于冷/热水供、回水总管上分别安装冷/热水温度传感器1T、2T，于冷/热水供、回水总管间可以安装水流压差传感器ΔP1。
水流压差传感器、水温传感器、经传输导线与智能控制器连接。
在智能控制器面板上设置了冷/热水自动运行开关、手动运行开关。
选择手动运行模式时，可在智能控制器面板上进行水泵起、停、调速等操作。
当选择自动运行模式时，由智能控制器自动控制冷/热水泵的起、停和对冷/热水泵的转速进行调节。
冷/热水泵电动机采用软起动（从0Hz升至冷/热水泵变频器设定的基本频率值约需20秒，冷/热水泵的低限频率由现场调试确定），水泵起动频率升至设定频率后，智能中央控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出负荷需用制冷量及最佳温度、温差和流量值，并与检测到的实际参数作比较，根据其偏差及偏差变化值控制冷/热水泵的转速，改变其流量使冷/热水系统的供回水温度、温差和流量趋于模糊控制器给定的最佳值。
使系统在保证末端空调用户的舒适度需求的同时，可实现最大限度的节能。
当冷/热水系统默认水泵出现故障时，系统将给出报警信号。
机组运行时，如果冷冻出水温度出现异常时，系统送出报警信号并进入保护运行程序。
本系统设置有冷/热水高、低限频率保护和高、低温保护等功能，以保证空调主机的安全运行。
当智能控制器接收到关机指令后，将自动转入软关机操作程序，对冷/热水泵实施软关机。
5.2.5冷却水智能控制系统
冷却水智能控制系统设置KTC·LQG-37-11GZ型冷却水控制柜1台，实现对3台37kW冷却水泵（一用两备）变频调速控制。
冷却水控制柜经通信电缆与智能控制器连接。
于主机冷却水进、出水总管上安装水温传感器3T、4T，每只水温传感器经传输导线与智能控制器连接。
在智能控制器面板上设置了冷却水自动运行开关和手动运行开关。
选择手动运行模式时，可在智能控制器面板上进行冷却水泵的起、停、调速等操作。
当选择自动运行模式时，由智能控制器自动控制冷却水泵的起、停并对冷却水泵的转速进行调节。
冷却水泵电动机采用软起动（从0Hz升至设定低限频率值约20秒），起动信号由智能控制器向对应变频器发出，冷却水泵起动后，按照智能控制器输出的控制参数值，自动调节各冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出口温度逼近智能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转换效率状态下运行。
以实现冷却水泵和空调主机在最佳工况下节能运行。
由于智能控制器设定了冷却水泵的最低运行频率（设定低限频率值为大于中央空调主机冷却水容许最低流量时对应的水泵运行频率），故确保了中央空调主机冷却水的安全运行。
当冷却水系统运行水泵出现故障时，系统将给出报警信号。
机组运行时，如果冷却水出水温度超过高限温度，系统送出报警信号并采取相应的保护措施。
本系统设置有冷却水高、低限频率限制和冷却水高温保护等功能，以保证空调主机的安全运行。
当智能控制器接收到关机指令后，将自动转入软关机操作程序，对冷却水泵实施软关机。
5.3系统特点
（1）技术先进，具有智能控制功能
系统采用具有智能控制功能，可以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。
◆智能控制器自动控制
中央空调冷/热水泵、冷却水泵的启动、停止；
系统循环介质（冷/热水、冷却水）流量和温度的优化控制。
（2）动态负荷跟随，实现高效节能
系统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，既确保中央空调系统的舒适性，又实现最大的节能。
5.4系统主要功能
◆系统预加压功能
空调主机开机后，冷/热水泵在系统软件规定的时间内先在允许的最高频率运行，使其至少完成一个水循环周期，在系统软件规定的时间内再降至系统设置的最低频率运行，然后再进入系统自动调节模式，以保证空调管路中无气阻现象。
◆冷水供水低温保护
当空调主机冷水供水温度低于设定的下限值时，冷水泵应立即进入低温保护运行模式，快速提高冷水供水温度，直至温度值不低于设定的下限值为止，以保障空调主机蒸发器不致因温度过低而冻管。
◆冷却水出水高温保护
当空调主机冷却水的出水温度高于其设定的上限值时，系统应自动采取措施，降低冷却水的出水温度，直到冷却水出水温度低于设定的上限值为止，以保障主机冷凝器的热交换效率。
◆工/变频切换
当控制系统需要切换到工频运行或变频器出现故障后，为了保证空调系统的正常使用，本装置中设置有一套经电气互锁的工/变频转换装置。
当需作能耗比较测试或变频器因故障短时间内不能恢复且又不能及时置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。
◆操作按钮的自保护功能
本控制系统运行时，面板上的有关按钮等进入保护状态。
以防人员误操作引入故
障。
其中：
1）通电前设置工作水泵，通电后水泵选择旋钮屏蔽；
2）自动运行时，手动操作按钮、工变频选择开关屏蔽；
3）手动变频运行时，自动启停按钮软件屏蔽；
4）变频运行时，工频控制屏蔽；
5）工频运行时，自动运行功能屏蔽等。
6工程实施
6.1节能控制系统对机房一般需求
本系统设计智能控制柜共2台，设备安装面积应大于1200×1600（单位mm）；
设备安装机房应有适度的照明和通风，室温应小于30℃；
设备安装机房和原电控设备间距离应小于30米。
以减少设备连接电力电缆和线损；
设备安装机房和原电控设备间应有方便桥架的安装空间。
6.2工程设计
工程设计由双方根据现场条件商定，在签订正式合同后10个工作日完成。
7售后服务
7.1供货期
合同签定15天后设备到达用户施工现场（或按合同商定时间）。
7.2安装调试
安装、调试期为4天，由我公司派出工程师到施工现场组织安装，由我公司调试工程师在现场进行系统调试。
7.3技术培训
◇培训的目标
通过技术培训，使用户使用人员和维护人员：
——掌握系统正常使用和维护技能；
——掌握系统一般故障的维修技能。
◇培训的内容
——节能控制系统的构成及工作原理；
——节能控制系统的功能及使用操作方法；
——节能控制系统维护保养及常见故障的排除方法。
7.4应急响应
本公司在各地驻有办事处。
接用户通知后，办事处所在城市，服务人员在2～4小时内到现场维修。
为用户提供最满意的服务，是我们的宗旨。
其目的有以下三点：
——确保用户设备始终运行良好；
——延长用户设备使用寿命；
——最大限度地减少用户费用开支及管理难度。
7.5质保期及质保期满后的维护服务
对本系统设备提供1年（即12个月）的保修。
保修期满后，如出现设备故障或损坏，公司将派出服务工程师进行修理或更换损坏器件，只收取成本费用。
7.6产品寿命周期内的维修服务承诺
按照公司企业标准《技术服务质量控制程序》规定，我们将为用户提供本系统设备终身的维修服务。
根据用户的要求，维修工作可由我公司服务工程师完成或指导用户的维修工程师完成。
附件：
1《主要设备材料表》
中央空调分布式系统节能控制装置方案设计材料清单
项目名称
酒店节能
项目地址
中央空调系统基本概况
空调主机
品牌型号
WCFX36AVL8J9B
台数
2
冷/热水泵
功率（kW）
22
台数
3
冷却水泵
功率（kW）
37
台数
3
冷却塔风机
功率（kW）
37
4
台数
4
6
节能控制装置产品清单
序号
型号
名称
数量
备注
1
KTC·LRG-22-11GZ
冷冻水智能控制柜
1台
800*600*1800
2
KTC·LQG-37-11GZ
冷却水智能控制柜
1台
800*600*1800
节能控制装置工程器材清单
序号
型号
名称
数量
备注
1
WZPB-230（Pt100）
水温传感器
4只
焊接熟箍为DN15
2
BTL-1151/DP5
水流压差传感器
1台
3
TDS-100F
外夹式流量计
1套
4
LMZ1-0.66400/5
电流互感器
3只
6
工程管线及辅材
1批
附件：
1酒店中央空调年节能估算
辅机年能耗估算表
年运行
时段
运行
每天
冷却水泵
冷冻泵
温水泵
辅机总功率及耗电量
恒流量运行电耗
变流量运行电耗
天数
运行
台
单台
台
单台
台
单台
额定
计算
耗电量
年耗
电价
年耗
年耗
电费40%
年耗
电费50%
年节
电费50%
年节
电费60%
时间
数
功率
数
功率
数
功率
总功率
总功率
小计
电量
电费
（天）
（小时）
（台）
（千瓦）
（台）
（台）
（千瓦）
（千瓦）
（千瓦）
（万度）
（万度）
（元/度）
（万元）
万元
万元
万元
万元
1月
31
24
1
22
22
17.6
1.30944
22.89
0.70
16.023
6.409
8.012
8.012
9.614
2月
28
24
1
22
22
17.6
1.18272
3月
31
24
1
22
22
17.6
1.30944
4月
10
24
1
22
22
17.6
0.4224
5月
10
24
1
37
1
22
59
47.2
1.1328
6月
30
24
1
37
1
22
59
47.2
3.3984
7月
31
24
1
37
1
22
59
47.2
3.51168
8月
31
24
1
37
1
22
59
47.2
3.51168
9月
30
24
1
37
1
22
59
47.2
3.3984
10月
10
24
1
37
1
22
59
47.2
1.1328
11月
30
24
1
22
22
17.6
1.2672
12月
31
24
1
22
22
17.6
1.30944
节能改造前后能源利用对照表
辅机年耗电量（万度）
辅机年耗电费（万元）
改造前
22.89
16.023
改造后
11.446～9.156
8.012～6.409
节约能源
11.446～13.734
8.012～9.614
1、电机计算功率为额定功率的80％，节电数按计算功率的50%～60％计算，电价按0.70元/kwh计；
2、循环水泵年节电11.446～13.734万kwh、节约电费8.012～9.614万元。
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