中央空调节能控制设计方案.docx
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中央空调节能控制设计方案
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
1、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
1017
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
45
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
◇外形尺寸（控制柜）1800（2200）×600（800）×600
3.2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，24VAC/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*45mm
◇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。
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
冷冻水系统控制流程示意图
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。
冷却水系统控制流程示意图
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系统运行效率优化的控制目标。
TJSMART中央空调节能控制系统对空调冷却水系统采用自适应模糊优化算法实现系统效率最佳控制。
当气候条件或空调末端负荷发生变化时，模糊控制器在动态预测系统负荷的前提下，依据所采集的实时数据及系统的经验数据，根据气候条件、系统特性和自适应模糊优化算法模型，通过推理、计算出所需的冷却水温度最佳值，并以此调节冷却水泵和冷却塔风机变频器的输出频率，控制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，使冷却水温度趋近宇模糊控制器给出的最优值，从而保证整个空调系统始终处于最佳效率状态下运行，系统整体能耗最低。
4.5、冷却风系统——最佳运行组合控制
风机智能控制柜经传输导线直接与冷却塔风机连接，当电机起动完毕后，起动完毕信号送至模糊控制器，由模糊控制器向对应变频器发出指令，冷却塔风机按模糊控制器输出的控制参数值，调节风机变频器的输出频率，控制风机的转速,使冷却水的进口温度逼近模糊控制器给定的最优值，使冷却水入口温度保证空调主机处于最佳运行工况。
4.6、动态冷热量平衡系统
大多数的中央空调系统管网建成后，在实际运行中，普遍存在冷热量失调问题（即中央空调提供的冷热量在满足某区域所需冷热量同时，另一区域的供冷热量超过了实际的需要），其主要原因如下：
管径的尺寸由于管材标准的限制往往与计算尺寸存在差别；
由于施工条件的限制，管路的实际情况与设计情况也会有很大的不同；
管网建成后增加新的负荷面积，使原有的冷热量平衡遭到破坏。
管网的冷热量失调，会造成空调系统热力失衡，冷热不均。
为了保障局部失衡区域达到制冷标准，就必需保持较大的冷冻水流量，导致系统能耗增加且节能空间受到限制。
TJSMART中央空调节能控制系统提供了基于能量平衡的动态调节功能，能够实现各支路的能量平衡和制冷或制热效果平衡，同时也为降低冷冻水运载能耗挖掘了更大的空间。
另外，基于此能量平衡系统，TJSMART中央空调节能控制系统还可以提供不同功能或不同时间段、不同区域服务的功能，通过预设置服务质量，自动调节此区域的能量供给，可以更好的达到舒适性要求，避免了因满足特殊区域服务质量要求而导致的整体能耗的大幅上升。
4.7、系统控制接口-BA接口
根据需要，系统提供干接点信号传输水泵状态信号、故障信号等参量备楼宇监控系统使用；另外，系统还开放OPC接口，可提供水泵状态信号、故障信号、供回水温度、流量以及供回水压差等参量。
TJSMART系统提供开放的OPC接口和硬件接口，具有良好的兼容性和开放性，能够与任何支持OPC协议的楼控实现集成，达到信息交流与资源共享。
4.8、机组群控
中央空调制冷主机的效率特性通常随着负荷的变化而变化，并在某一负荷率下具有最佳效率。
由于主机的效率与负荷率有关，因此，在多台机组并联运行时，需要根据当前负荷的实际情况，选择一种最佳的主机运行台数组合，以达到系统的最高效率。
TJSMART中央空调节能控制系统根据所采集的流量与冷冻水供回水温差计算出当前负荷，并以历史记录的主机负荷效率特性或者经验主机负荷效率特性，通过模糊推理规则来确定需要投入运行的主机台数及具体机组，确保系统具有最高的运行效率。
5、TJSMART中央空调主机节能控制系统设计方案
5.1、TJSMART中央空调主机节能控制系统构成
经过对大厦能源利用的科学预测,并且考虑到中央空调系统的设计情况，我们采用一套TJSMART-3AB型中央空调能源管理系统进行集中管理和节能控制。
5.2、主要控制设备
主要控制设备清单如下：
主控制系统
序号
型号及规格
名称
数量
备注
1
SMC-ECT03
系统节能控制柜
参数采集控制、系统控制及运算
冷冻水及温水系统
2
SMC-EWT-A01
冷冻水泵智能控制柜
切换控制冷冻水泵及热水泵
冷却水系统
3
SMC-EWT-B01
冷却水泵智能控制柜
切换控制冷却水泵
冷却风系统
4
SMC-EWT-C01
冷却塔风机智能控制箱
控制冷却塔风机
楼控接口及能量分配系统
5
SMC-BA-T01
BA接口箱
和BA系统连接
6
SMC-SCT-04
水力平衡控制箱
用于能量分配阀门控制
工程器材及工程材料清单（参考，具体根据实际项目情况定）
序号
型号及规格
名称
数量
备注
1
QAE2110
水温传感器
德国西门子
2
QFA3160+AQF3100
室外温湿度传感器
德国西门子
3
DWM2000
插入式电磁流量计
德国科隆
4
DTS634
三相电子式电能表及箱体
国产
5
KVHD943F-16C-DN300
电动开关阀（DN300）
用于主机入口保护，建议用户采购。
6
KVHD943F-16C-DN250
电动开关阀（DN250）
用于主机入口保护，建议用户采购。
7
KVHD943F-16C-DN70
电动调节阀（DN70）
用于分水器支管，能量的二次调节。
（建议用户自行采购）
（表中型号品牌-上海耐博）
8
KVHD943F-16C-DN100
电动调节阀（DN100）
9
KVHD943F-16C-DN150
电动调节阀（DN150）
10
KVHD943F-16C-DN200
电动调节阀（DN200）
注：
参考清单，具体根据实际项目进行配置，本清单已经包含了基本的控制设备。
5.3、节能分析
设备开机时间：
全年（夏季制冷，冬季采暖）。
设备计算负荷率：
主机60%，辅机80%。
能源单价（电费）：
0.75元/度。
序号
节能控制点
节能率
节电量（万KWH）
节能收益（万元/年）
1
主机
10％～15％
11.29～16.93
8.47～12.70
2
辅机（冷温水泵,冷却水泵）
55％～65％
39.11～46.21
29.33～34.66
系统综合
50.40～63.14
37.80～47.36
即采用TJSMART中央空调节能控制系统每年可为主机系统节约耗电量50.40～63.14万KWH，节约能耗支出37.80～47.36万元。
6、中央空调风机盘管联网控制系统设计
6.1系统结构与功能
6.1.1系统结构
房间内的带通讯的液晶显示温控器和继电器输出模块，通过一根普通的双绞线将所有的温控器和输出模块连接在一起，通过程序组态完成温控器与对应的输出模块绑定，并将数据通过总线发往控制中心，控制中心电脑通过MicrosoftIE浏览器对网络进行访问和控制。
系统结构如下图：
6.1.2空调未端风机盘管的节能方案
◆总线制风机盘管就地控制
SMC-OP-V2及区域控制器SMC32通过P-BUS总线连接在一起，控制器自带有温度传感器，与设定值比较运算后将结果输出到继电器模块来控制风机转速及电动二通阀的启闭。
SMC-OP-V2不但具有原有控制器所有功能外增加了风速自动控制及定时关机功能。
当控制器设定在自动档时，风机的转速随着房间内的温度与设定温度之差自动调节，最大限度地节省了风机的能耗。
◆风机盘管的远程控制
风机盘管区域控制器可支持TCP/IP网络、RS485、Lonworks三种通讯方式，能够通过网络接入到中央控制系统，完全可与现有的楼宇自控系统兼容，符合大楼节能系统的控制与管理。
采用TJSmart智能控制系统楼宇系统能方便地控制和管理整个大楼的中央空调系统的运行。
中央控制中心电脑上图形化显示各间办公室的实时温度、温度设定值、风机运行状态及风速、冷热工况等参数。
当房间内的温度超过标准值时系统发出报警，值班人员可远程强制修改其设定温度、风速等，也可以完全接管风机盘管控制器，使就地控制暂时无效。
系统设置时间表，在下班时间段风机盘管被关闭，从而避免人员下班时由于遗忘关机造成浪费。
◆自动控制
通过对末端安装人体感应器、温度传感器等设备，可根据室内人员状况设定控制策略，但感知室内没有人时，根据房间无人的时间长度、温度等情况自动调节风机盘管，直至关闭风机盘管，实现自动控制功能，最大限度的节约能源。
6.1.3中央空调风机盘管联网控制系统主要功能
◆自动控制
风机面板带有定时设置、温度设置等功能，通过温度传感器和时钟，可实时的感知室内的当前状态，然后根据策略自动控制风机盘管的电磁阀等，实现自动调节、自动控制功能。
配合适当的传感器，系统还可以感知室内是否有人，并根据控制策略在无人的情况下自动关闭末端风机盘管，节约能源。
◆计量功能
风控面板带有计量功能，可实时计量各个房间大、中、小各档位运行时间及状态，通过区域控制器，也可测量所有的风机面板的各种状态的运行情况，通过联网的智能算法，可测定各个房间空调的真实使用情况，杜绝按照面积分摊空调用能的种种不合理因素，为能耗管理提供精确有效的工具，实现空调使用联网计量功能。
◆风机面板及空调监控
通过浏览器实现各个风机面板的远程状态实时监控，可远程查看中央空调的状态、运行档位、模式、定时情况、设定温度和当前温度。
◆远程控制
可通过网络对各个风控面板进行远程控制，实现风机档位、温度、模式、定时等远程设置。
下班时，管理人员可以通过该功能关闭办公人员忘记关闭的空调面板，实现管理节能的目的。
上班时，管理人员可以远程查看每个办公室是否按照规定把空调调节在适当
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