基于提高中央空调整体cop值的节能控制系统设计.docx
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基于提高中央空调整体cop值的节能控制系统设计
基于提高中央空调整体cop值的节能控制系统设计
核心提示：
摘要：
考量中央空调能效最重要参数就是中央空调整体cop值，本文重点描述了采用复杂非线性控制系统实现中央空调整体cop值的提高，
摘要：
考量中央空调能效最重要参数就是中央空调整体cop值，本文重点描述了采用复杂非线性控制系统实现中央空调整体cop值的提高，来实现整体中央空调节能高效的提升，替代了传统简单的PID线性节能控制盒传统的简单局部设备的节能控制，使中央空调的节能控制翻开了新的篇章。
前言
现代建筑能耗中，中央空调的能耗所占总建筑能耗的比例非常大，约占总能耗的50%---70%，而对于中央空调系统，冷热源的设备能耗又占中央空调总能耗的70%左右。
中央空调冷热源的设备能耗分为三部分：
1、制造冷热源的高耗能设备，例如制冷主机，锅炉等
2、输送冷热量的耗能设备，例如循环水泵
3、冷凝热量排放的耗能设备，例如冷却塔风机
所以如何应用先进的节能控制系统以及科学的管理手段在保证中央空调使用效果的情况下降低冷热源设备的能耗，在楼宇的节能降耗中显得尤为重要。
一、中央空调能耗浪费现象的原因分析
中央空调是一个非常庞大复杂的系统，在利用耗能设备做功的情况下，将冷（热）量从室内移到室外，不仅包含了气——冷冻水、冷冻水——制冷剂、制冷剂——冷却水以及冷却水——室外空气之间等多个热交换过程，还包含了制冷剂从气态到液态，液态到气态的两个不同相变的过程，在这些复杂的热交换和相变过程中，不可避免的存在着各种各样的不平衡现象，造成冷（热）量的极大浪费。
1、满负荷的超余量设计
中央空调在设计选型的过程中，设计师在计算负荷需求时考虑到最不利工况条件所配设备在满负荷的情况下增加一定的安全系数，一般在满负荷的参数基础上增加15%—20%的设计余量。
根据美国空调制冷学会（ARI）统计中央空调运行每年满负荷的时间非常短，每年只有5%-10%的时间运行在满负荷状态，其余大部分时间都处于部分负荷状态下运行（表一），所以中央空调的能耗浪费现象是显而易见的。
负荷率（%）
75~100
50~75
25~50
<25
占总运行时间的百分率（%）
10
50
30
10
表一中央空调每年运行时间和负荷率的关系
2、末端设备的参数运行失控
对于末端风机盘管和空调箱机组来说，管理者对其温度和湿度等参数的设置往往都难以控制，而空调的使用者往往在追求最大舒适度的情况下尽量调低（制冷季节）或调高（采暖季节）温控器的温度设置，根据冷热量测算，在温度设置相差1℃的情况下，可以造成该空间所供冷热量7%—10%浪费，所以如何结合先进的控制系统以及科学的管理措施实现末端设备参数的有效控制对于中央空调的节能来说非常重要。
3、区域冷（热）量不平衡
对于末端多区域供冷（热）的空调系统来说，由于各区域之间的阻力特性及负荷需求存在不同，所以在实际的运行中可能就存在着某些区域的冷（热）量过剩，而某些区域的冷（热）量不够的现象，此现象可以从各区域的供回水管的监测温差反映出来，温差大说明冷（热）量需求较大，温差小的说明冷（热）量需求较小，存在着“大流量，小温差”的浪费现象，所以如何解决好各区域的冷（热）量平衡对于整体中央空调的cop值有着非常大的作用。
4、供需冷（热）量的失衡
在中央空调实际运行中，往往存在着冷冻水泵循环侧和末端冷冻水循环侧冷（热）量的供需不平衡，在末端变负荷的情况下，水泵循环侧的流量大部分通过旁通管路又回到制冷主机侧，造成极大的浪费。
5、水泵的抵效运行
根据图一，水泵的性能曲线决定了水泵的运行效率最高点集中在水泵的部分负荷区，水泵的低效运行会造成水泵在同等流量输出的情况下能耗的上升，从而造成水泵能耗的浪费。
6、冷却温度的偏离
根据EnergyPLus软件模拟的制冷主机性能曲线，可以拟合出制冷主机的最大制冷量与冷冻水和冷却水出水温度的关系：
Q0=a+b（T1）+C（T1）2+d（T2）+e（T2）2+f（T1）（T2）
Cop=Q0/W=【a+b（T1）+C（T1）2+d（T2）+e（T2）2+f（T1）（T2）】/W
（Q0:
制冷主机的最大制冷量，T1冷冻水出水温度，T2冷却水出水温度，W：
制冷主机功耗，a、b、c、d、e、f:
拟合系数）
从以上关系可以得出制冷主机cop值和冷冻水温度及冷却水温度都有关系，当T1下降时，蒸发温度和蒸发压力也会下降，如果冷凝温度T2和冷凝压力保持不变，这样会造成压缩机压力比上升，从而造成压缩机功耗上升，cop下降。
很明显，制冷主机在一定的负荷率范围及一定的室外温湿度情况下，制冷主机冷凝侧温度的上升会造成制冷主机冷凝压力的上升，这样会造成在一定的制冷剂流量下，制冷主机的功耗上升，制冷主机cop下降，但是在制冷主机一定的负荷率范围及一定的室外温湿度情况下，冷却水温度如果低于某一温度时，制冷主机的效率同样会降低，所以冷却水温度的过高和过低都可能造成制冷主机的cop下降，能耗上升。
7、制冷主机的低效运行
负荷率
制冷量（RT/h）
耗电量KW
cop
100
650
429
5.33
90
585
355
5.79
80
520
296
6.18
70
455
250
6.41
60
390
213
6.44
50
325
182
6.28
40
260
158
5.78
30
195
134
5.12
20
130
109
4.2
13
85
93
3.21
表二某品牌650RT离心机组性能参数表
根据制冷主机的模拟性能参数表（表二）。
制冷主机的高效区集中在部分负荷区间，过高或过低的负荷率都会造成制冷主机的COP急剧下降，所以在制冷主机的运行过程中，如何调节制冷主机的运行台数及外围的相关设备参数，让制冷主机始终处于高效区间运行，对降低制冷主机的能耗来讲是特别重要的。
综上所述，中央空调系统运行能耗浪费现象涉及到载冷剂循环（冷冻水循环）、制冷剂循环（制冷主机内部）、冷却剂循环（冷却水循环）三种介质的循环过程，包含了制冷主机、水泵、冷却塔、末端设备等多个热交换过程，这决定了中央空调系统不能以线性控制系统，简单的局部控制部分设备而达到节能的效果。
三、中央空调传统的节能控制系统存在的弊端
1、集水器各供冷（热）区域回水管采用静态平衡阀控制
对于末端变负荷的中央空调系统来说，由于负荷变化的随机性以及大部分时间处于部分负荷状态，静态平衡阀长期处于无效状态，难以达到一个理想的冷（热）量平衡调节。
表三种列出了在末端变负荷的情况下，分水器侧各环路流量的分配情况。
假设各环路设计流量为80m³/h,环路之间的阻力差为20%。
多环路流量（m³/h）
负荷（%）
加权平均值（典型运行时间）
环路1
环路2
环路3
80
80
80
100
10%
80
76
60
90
15%
80
62
50
80
30%
70
54
44
70
30%
60
46
38
＜60
15%
表三环路加装静态平衡阀的情况下各环路流量和负荷的关系
从表三可以看出，在末端变流量和空调部分负荷运行的情况下，静态平衡阀难以起到一个冷量的平衡调节作用，部分有利区域会出现冷热量极大的浪费而部分不利的环路区域会造成冷热量的不够。
2、冷冻水泵的简单变频控制
目前中央空调冷冻水泵常用的节能控制策略主要是冷冻水泵的恒温差，恒压差的变频控制，串通的恒压差控制与恒温差控制模式都属于“跟随控制”，也就是跟随被控量的偏差进行控制。
只有当压差或温差有偏差信号产生时，控制系统才会有控制信号输出。
这种跟随控制模式，一般只适用于无时滞的被控对象或过程，因为没有时间滞后，偏差一旦产生立即就可以得到纠正。
恒压差控制虽然时滞较小，但不能准确反映空调负荷的变化；恒温差控制能反映负荷变化，但又时滞太大，控制作用总是落后于偏差发生时间一个时滞；所以在空调系统的变负荷情况下，恒压差控制与恒温差控制都难以获得较好的控制效果。
而中央空调冷热量模糊预判断节能控制技术则可以完美的解决传统的恒压差控制与恒温差控制模式碰到的各种问题。
同时冷冻水的简单变流量会改变制冷主机的工况，造成制冷主机COP的变化，造成制冷主机能耗的上升。
3、冷却水泵的简单变频控制
在传统的中央空调冷却水系统变流量控制中，往往采用的事冷却水制冷主机进出水温差或制冷主机进水温度的PID变频调节水泵的频率，从而控制水泵的输出流量，达到节能的目的，但是这种控制思路只考虑到冷却水泵的节能，而忽视了冷却水流量的改变会带来制冷主机工况的改变，降低制冷主机的COP，造成整体能耗不降反升，起不到节能的效果。
4、制冷主机简单加减机群控策略
在传统的制冷主机群控系统策略中常见的方法有：
回水温度控制阀法，供、回水温差控制法、流量控制法、压差控制法和温差/流量控制法，但是以上这些传统的控制法都因为各自的局限性并不能给制冷主机的节能控制带来比较好的控制效果。
传统回水温度控制法、供、回水温差控制法、流量控制阀、压差控制法和温差/流量控制法进行制冷主机群控的技术装置简单、价格便宜，单判据不明确，适应性较差，尤其温差小时，误差大，对节能不利，同时在控制过程中忽视对制冷主机COP能效值的考虑，在制冷主机加减过程中可能造成运行制冷主机的工况改变，能效降低，无法达到节能的效果。
综上所述，中央空调传统的节能控制系统都属于空调系统个设备的局部控制，没有一个空调整体协调平衡控制的设计，缺乏中央空调整体COP的考量，无法彻底的实现中央空调整体能好的下降，达不到一个理想的节能控制效果。
四.基于提高中央空调整体COP值的节能控制系统设计
对于中央空调这种大惰性、时滞性、扰动性以及负荷变化的随机性等复杂的非线性系统来说，简单的线性控制很达到一个理想的节能控制效果，由于传统中央空调节能控制系统的局限性，所以对于一个技术先进的中央空调节能控制系统来说必须具备对中央空调整体COP提高的中央空调所有设备整体平衡的控制策略。
具体控制策略设计：
1、中央空调整体COP的实时监测（图二）
COP冷热源=Q冷热量/（W主机+W水泵+W冷却塔）
节能控制系统通过实测空调总制冷量Q冷热量，通过实测空调主机功耗W主机，空调冷冻冷却循环水泵功耗W水泵以及冷却塔功耗W冷却塔，实时监测COP冷热源头（图二）。
2、多区域冷热量平衡控制策略的设计（图三）
在中央空调多区域的供冷中，其中某个区域的冷冻水所供给的冷量Q是否与末端的需求相匹配，直接反应在环路的会睡温度或温差上。
当环路的回水温度或温差等于其设定值时，则表明所提供的冷量与末端负荷需求相匹配，否则，所提供的冷量与末端负荷的需求不匹配，也就说明这个区域的冷量供需不平衡；当多个区域之间的回水温度或温差都不一样时，则说明多个区域之间存在着冷量不均衡的现象。
单个区域的冷量供需不平衡和多个区域之间的冷量分配不平衡都会造成空调冷量输送的极大浪费，因此控制系统通过中央空调多区域冷热量均衡分配节能控制技术调节单个区域的供需平衡和多个区域之间的冷量平衡可以达到明显的节能效果。
中央空调多区域冷热量分配节能控制，是以各个环路的回水温度或温差作为被控变量，根据实际测量的各个环路的回水温度或温差，计算其与设定温差值的偏差及偏差变化率，然后通过系统专用控制器调节相应环路供水端的水泵频率（或台数），对相关区域的水流量进行动态调节，使得各个区域水流量所提供的冷量与末端负荷需求的冷量相匹配，从而实现回水温度或温差趋于一致，接近设定温差，从而保证每个区域的冷量供需和各区域之间冷量的分配平衡，从而达到极其显著的节能效果。
多区域冷热量平衡控制策略节能分析（加装静态平衡阀的情况下）：
多环路流量（m3/h）
负荷（%）
加权平均值（典型运行时间）
环路1
环路2
环路3
80
80
80
100
10%
80
80
72
90
15%
80
77
64
80
30%
78
67
56
70
30%
68
57
48
<70
15%
表四满足最不利环路时各环路流量与负荷率的关系
对于分水器出水三个环路的空调系统，按管阻差值最大为20%，假如多环路的设计流量为80m3/h,在各环路加装静态平衡阀的情况下来分析：
从表四来看当每个环路的负荷需求为60%的时候，这个时候实际需求总流量为180m3/h,此时为了满足各环路区域末端空调的效果，必须把最不利环路3的流量加大到48m3/h（表四），此时最有利环路1流量已经达到了67m3/h，环路2的流量也达到了58m3/h，这样就会出现32m3/h的浪费现象，能量浪费达到了17%，其他部分负荷的流量变化情况详见表四。
采用区域冷（热）量平衡控制策略后，根据加权平均来计算年节电率：
16/216*15%+29/192*30%+33/168*30%+29/144*25%=14.9%
3、冷热量模糊预判断的节能控制策略设计（图四）
图四中央空调冷冻水冷（热）量模糊预判断控制图
中央空调冷热量模糊预判断节能控制技术是一种“超前控制”，它与跟随控制有本质的不同。
它通过对冷冻水系统供水温度、回水温度、流量、压差等参数和室外环境温度的监测，利用数据库对各项运行参数进行统计、分析、运算，并在历史数据的基础上，推理预测出空调系统未来时刻的负荷（需求冷量），提前一个小时τ产生控制动作，对冷冻水流量进行调节，使系统提供的冷量与负荷需求的冷量相匹配，以消除供需间偏差的产生，从而消除供需之间冷量的数量差与时间差从而使空调的节能控制的效果更好更精确。
4、基于制冷主机高能效的制冷主机群控策略设计
在有多台制冷主机并联的大型中央空调系统中，一个科学先进的群控技术对节能控制显得特别重要，在传统的制冷主机群控控制策略中的常见的方法有：
回水温度控制法、供、回水温差控制法、流量控制法、压差控制法和温差/流量控制法，但是以上这些传统的控制法都是因为各自的局限性并不能给制冷主机的节能控制带来比较好的控制效果。
传统回水温度控制法、供、回水温差控制法、流量控制法、压差控制法和温差/流量控制法进行制冷主机群控的技术装置简单、价格便宜，但判据不明确，适应性较差，尤其温差小时，误差大，对节能不利，同时在控制过程中忽视对制冷主机cop能效值的考虑，在制冷主机加减过程中可能造成运行制冷主机的工况改变，能效降低，无法达到节能的效果。
基于中央空调制冷主机高能效的制冷主机群控技术能较符合实际判断是否需要加开冷冻机；可以通过计算负荷对机组的运行效率进行判断，确保制冷主机在任何负荷条件下，都有一个优化的运行环境，始终处于最佳运行工况，从而保持效率（cop）最高、能耗最低，实现制冷主机和水系统的节能。
基于中央系统制冷主机高能效的制冷主机群控技术控制原理：
控制系统在对冷水机组具体加机、减机，台数控制的过程中，充分的考虑了制冷主机在加减机的过程中保持制冷主机比较高的能效值（cop），控制策略详细描述：
（1）负荷计算公示：
Q=41.868*L*C（T1-T2）
Q:
系统所需冷量L:
为流量C：
为水的比热容
T1：
冷冻水出水温度T2：
冷冻水回水温度
通过分水器的供水干管和集水器的回水干管上的温度传感器以及流量传感器来计算实际负荷，通过实际负荷来实现主机的加减机台数控制。
对于系统负荷和机组制冷量之间的关系，用下式计算：
Q1=K×（N×C）
（Q1:
系统负荷量；K：
比例常数，由制冷主机高效负荷率确定；N：
冷水机组制冷量；C：
当前冷水机组运行参数）
加机条件为：
（必须同时满足以下三个约束条件）
①Q1≧K1×（N×C） （负荷值约束）
②T回水≧T设定 （回水温度约束）
③t时间≧t设定 （延时时间约束）
减机条件为：
（必须同时满足以下三个约束条件）
①Q1≦K2×（（N-1）×C） （负荷值约束）
②T回水≦T设定 （回水温度约束）
③t时间≧t设定 （延时时间约束）
（2）延时和温度约束条件下加减机的过程曲线：
分析：
加机过程中，在满足第一个约束条件的情况下（即外围空调负荷Q1已经满足Q1≧K1×（N×C）这个条件），
（3）P1点冷冻水回水温度开始大于基准设定温度T0，加机开始计时。
（4）P2点冷冻水回水温度开始回落，由于延时t
（5）P3点冷冻水回水温度又上升到基准设定温度T0，加机重新开始计时。
（6）P4点冷冻水回水温度持续在T0以上的时间超过ts,加机。
（7）P5点冷冻水回水温度开始超过T0+△T（△T制冷机逐台加机的温差），再次加机开始计时。
（8）P6点冷冻水回水温度持续在T0+△T以上（△T制冷机逐台加机的温差）的时间超过ts，再次加机。
（9）P7点冷冻水回水温度开始超过T0+2△T（△T制冷机逐台加机的温差），再次加机开始计时。
（10）P8点冷冻水回水温度持续在T0+2△T以上（△T制冷机逐台加机的温差）的时间超过ts，再次加机。
（11）减机过程中，在满足减机的第一个约束条件的情况下（即外围空调负荷Q1已经满足Q1≦K1×（（N-1）×C）这个条件）
（12）P9点冷冻水回水温度开始回落到T0+2△T-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差），减机开始计时。
（13）P10点冷冻水回水温度虽然远远低于减机点，但持续时间小于减机延时时间t
（14）P11点冷冻水回水温度持续在T0+2△T-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差）的时间超过tf，减机。
（15）P12点冷冻水回水温度开始回落到T0+2△T-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差），
（16）再次减机开始计时。
（17）P13点冷冻水回水温度开始回落到T0-δT以下（δT制冷机逐台减机的温差），再再次减机开始计时。
（18）P14点冷冻水回水温度不但回落到T0+△T-δT以下，而且回落到T0-δT以下。
但回落到T0+△T-δT以下的时间超过tf，回落到T0+△T-δT以下的时间大于ft,减机一台。
（19）P15点冷冻水回水温度回落到T0-δT以下，且持续时间t≧tf,再次减机一台。
（20）当两台小制冷量制冷都启动时，只启动1#制冷机，如果制冷量还不足再启动其他制冷机组，如果当所需制冷量减小时，停1#制冷机机组，启动一台小的制冷机。
5、基于提高空调整体能效（COP）的冷却水最佳温度的模糊控制策略设计
在传统的中央空调冷却水系统变流量控制中，往往采用的是冷却水制冷主机进出水温差或制冷主机进水温度的PID水泵变频调节的控制策略，从而控制水泵的输出流量，达到节能的目的，但是这种控制思路只考虑到冷却水泵的节能，而忽视了冷却水流量的改变会带来制冷主机工况的改变，降低制冷主机的COP，是整体能耗不下降反而会上升，超不到节能的效果。
在变负荷工况下，DCUSCADA800系统是对整个空调系统进行综合性能优化控制，以控制整个空调系统设备的总能耗最低为控制目标而设计，因此，控制系统在确定了空调系统在某一负荷下对应的冷冻水的流量、温度以及外界湿球温度的情况下，实现基于空调性能综合优化（即保证空调系统能效值COP最高）的冷却水自适应控制，对于空调冷冻水流量的任意变化，寻找一个保证整体空调能效最佳的冷却水流量，系统专用节能优化控制器通过冷却泵变流量调节得以实现；
6、泵组优选控制策略的设计
根据并联水泵的效率特性，确定水泵的流量输送范围，从而确定水泵的频率工作区间，系统自动控制任何一台水泵都运行在其高效区。
系统流量需求增加时，当水泵频率运行到其上限效率时，系统自动进行能耗运算，如果增开一台水泵后经济性更好则系统自动增开另一台水泵，否则则不变；同样系统流量需求减少时，当水泵频率运行到其下限效率时，系统自动进行能耗运算，如果停止一台水泵后经济性更好则系统自动停止其中一台水泵，否则则不变；这种控制策略可以在满足空调系统需求的流量的扬程的情况下得到水泵泵组最佳的运行台数和运行频率搭配，从而使泵组消耗的能耗最低，达到最佳的节能效果。
7、制冷主机的小温差补偿控制策略设计
在中央空调变负荷系统的实际运行中，空调主机的运行工况会随着负荷的变化而变化，对于单台机组来说，过高或者过低的负荷率都可能引起主机COP的急剧下降，所以仅仅考虑主机外围冷冻水流量控制的节能控制系统而忽视主机工况的变化往往得不到一个好的节能控制效果，DCUSCADA800中央空调能源管理控制系统可以监测运行中的主机工况，设置主机负荷率的高效区，在群控策略下的加减机盲区时，通过调节外围冷冻水的流量、温差以及压差等综合性参数，调节主机的负荷率，使之处于高效区运行，达到节能的控制效果。
五、结束语
浙江大冲能源科技有限公司经过多年的潜心研究推出了荣获多项国家技术专利的新一代中央空调节能控制系统——DCUSCADA800中央空调能源管理控制系统，提出了中央空调系统整体COP寻优的控制理念，从中央空调的整体能量平衡出发，采用先进的控制技术，寻求制冷主机，水泵，冷却塔和相关阀门的整体
协调控制，科学的实现变负荷情况下中央空调系统的整体群控，高效运行，达到最佳的节能效果，可以实现中央空调整体综合节电率达到25%-40%；DCUSCADA800中央空调能源管理控制系统有着先进性、节能性、开放性、节能性以及实用性等特点，已经在国内象阿里巴巴淘宝城、苏州科技大厦、杭州城市发展大厦等重大工程项目得到了成功的应用，节能效果非常显著。
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