楼宇控制在综合实验用房空调系统中的应用

摘要：针对当前智能建筑节能问题，本文根据空调冷源系统运行特点，指出了楼宇自动控制系统控制策略，分析并比较了多台冷水机组联合运行时，加减冷机的不同控制策略及系统功能、冷却塔、冷冻冷却水泵的控制策略。以工程实例为基础，采用IQ3系统，分析并设计了质检系统某综合实验用房项目冷源系统的楼宇自动控制系统控制工程。

关键词：综合实验用房；楼宇自动控制系统；冷源系统；IQ3系统

0 引言

智能建筑中最基本、最重要的组成部分是楼宇自动化系统（Building Automation System，简称BAS），BAS通过网络进行综合的控制与管理，在一个控制网络系统上连接大楼内的各种设备，它结合计算机网络、自动控制和通信技术，确保在建筑物内保持一个舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能。

在综合实验用房项目中，整个中央空调系统的能耗约占整个建筑能耗的60%左右，而其中冷水机组约占整个中央空调系统能耗的65%左右，冷却塔及水泵约占15%左右，整个冷水系统设备占整个建筑年总能耗的48%。冷源系统是空调系统中最重要的☢核心环节，是空调系统制冷的源头，也是消耗电能最大的地方。实现冷源系统节能、高效稳定运行的一个非常有效的技术手段就是利用自动控制技术对冷源系统相关设备（冷水机组、冷冻冷却水泵、冷却塔、阀门）进行自动化的监控，使系统达到最高效率的运行。

本项目综合实验楼是集办公、试验等为一体的多功能综合业务楼，由主楼（地上27层、地下2层）和南裙楼（地上3层、地下2层）、北裙楼（地上3层、地下2层）组成。

1 冷源系统控制功能

系统监控点：

（1）冷冻水供回水温度（AI）；

（2） 冷冻水供回水压力（AI）；

（3） 冷冻水供水流量（AI）；

（4） 冷冻水供回水压差旁通阀阀门控制（AO）；

（5） 冷却水供回水温度（AI）；

（6） 冷却水供回水旁通阀开关控制（DO）；

（7） 冷却水泵手自动开关状态监测（DI）；

（8） 冷却水泵运行状态监测（DI）；

（9） 冷却水泵故障报警监测（DI）；

（10） 冷却水泵出口水流状态监测（DI）；

（11） 冷却水泵启停控制（DO）；

（12） 冷冻水泵手自动开关状态监测（DI）；

（13） 冷冻水泵运行状态监测（DI）；

（14） 冷冻水泵故障报警监测（DI）；

（15） 冷冻水泵出口水流状态监测（DI）；

（16） 冷冻水泵启停控制（DO）；

（17） 冷却塔回水管阀门开关控制（DO）；

（18） 冷却塔回水管温度监测（AI）；

（19） 冷却塔手自动开关状态监测（DI）；

（20） 冷却塔运行状态监测（DI）；

（21） 冷却塔故障报警监测（DI）；

（22） 冷却塔启停控制（DO）

系统控制功能：

（1） 监测冷冻、冷却水供回水温度、冷冻水供回水压力和供水流量；

（2） 冷负荷需求计算：根据冷冻水供、回水温度和供水流量测量值，计算建筑空调实际所需的冷负荷量，并可决定开启冷水机组的数量；

（3） 冷水机组启停联动控制：开启冷却塔、开启冷却水蝶阀、开启冷却水泵、开启冷冻水蝶阀、开启冷冻水泵、开启冷冻机组；停止反之；

（4） 冷却水温度监测：根据冷却塔底部出水温度，自动控制冷却塔风机的启停台数以及冷却水供回水旁通阀开关，维持需要的冷却水温度恒定；

（5） 冷水机组与冷却塔是一对一配套联动控制，通过冷负荷需求决定开启冷水机组和冷却塔的台数；

（6） 通过监测冷冻水供回水压差，控制冷冻水供回水压差旁通阀门，当监测实际的冷冻水供回水压差超过设定压差值时，冷冻水供回水压差旁通阀门将开启能平衡此时监测到的实际压差值的开度，达到冷冻水供回水压力平衡的目的；

（7） 冷却塔风机启动后，联动打开冷却塔回水电动蝶阀；反之，冷却塔风机停止运行，联动关闭冷却塔回水电动蝶阀；

（8） 冷却塔风机启停节能控制：当冷却塔底部出水温度低于设定的温度（温度设定值按照设计要求给定的温度值做参照）时，表明冷却塔供水冷负荷达到设计要求，系统自动停止冷却塔风机运行，进行节能运行；当监测到冷却塔底部出水温度高于设定值时，系统自动启动冷却塔风机运行，以便向冷水机组提供低温冷却水进行散热，同时，为最大限度地保护设备，延长设备使用寿命，在每次启动、停止冷却塔风机的间隔时间不小于 10 分钟（此时间可更改）；

（9） 监测冷冻、冷却水泵和冷却塔运行状态、故障报警以及手自动状态；

（10） 在 BAS 上人工选定启停；

（11） 监测冷冻、冷却水泵出口水流开关状态：当系统发出启动冷冻、冷却水泵指令后，延时 10 秒（此时间可更改），系统自动检测水流开关状态，假若水流开关不动作，表明冷冻、冷却水泵故障，系统自动发出报警并停止冷冻、冷却水泵运行，防止冷冻、冷却水泵空转，造成设备损坏；

（12） 当工作水泵出现故障时，系统自动启动备用泵投入运行；

（13） 系统自动累计泵运转时间，提示适时进行维护保养；

（14） 中央监控系统提供各项参数记录、声光报警信息等。

2 冷水机组的台数控制

启停控制是系统根据用户端的负荷情况，供水管的流量及集水器、分水器的温差，计算冷热负荷，向其控制系统提交启停控制要求，同时监测其动作反馈。常规方式是根据一次供回水温差与总流量的乘积，即冷源系统总负荷量，直接进行机组台数调控。同时保证设备交替运行，延长使用寿命，平均分配各设备运行时间，指定各季节的优先使用设备，以便发生故障时能够做到自动切换。冷水机组负荷计算公式如下：

Q=k×F×c×dt。其中：Q表示负荷（kW）， k表示常数 ， F表示流量（L/S）， dt表示供回水温差。

其中，机组加载次序的判断根据的是累计运行时间的长短，短则先开，长则后开。卸载次序亦是如此，长则先停，短则后停。当计算的负荷超过一台机组相应的冷量时，机组需要增加一台，反之机组需要卸载一台。

2.1 COP与负荷关系

冷水机组性能指数（COP）是指冷水机组在额定的工况下制冷量与输入功率之比。为方便测试比较，我们以开利19XRV离心式冷水机组为例，冷冻水流量保持不变，出水温度控制在7℃，这时负荷的变化是由冷冻水回水温度差引起的。COP的最高值一般不是出现在满负荷时，而是出现在部分负荷时。电机输入功率与负荷率的关系如图1所示。 图1 输入功率与负荷率曲线

图2 COP与负荷率曲线

我们再计算冷水机组COP与负荷率的关系，如图2，较高的COP并不是出现在最高负荷时，要使冷水机组工作在较佳的性能状态，每个冷水机组的工作负荷为其额定负荷的50%～90%。

在实际的运行当中，空调负荷运行于部分负荷的时间占绝大多数。以往的控制方式基本上是以空调的负荷来控制冷水机组的开启，新机组在线运行冷水机组的接近满负荷时加载。我们综合考虑冷水机组的COP，如果多开一台机组能使在线运行的所有机组都处于一个比较理想的COPฎ状态，这时多开一台机组消耗的电量足以抵消COP处在不理想状态消耗的电量。

2.2 台数控制计算

单台冷冻水泵耗电42 kW， 将5台开利19XRV离心式冷水机组与5台冷冻水泵组成的冷冻水循环系统先串联后并联，为保证冷水机组对冷冻水的流量要求，同时开启冷水机组与冷冻水泵。如图3所示。

图3 定流量系统

假定在总负荷不发生改变时，冷却水流量不需要改变，即冷却水的流量根据总负荷的变化而变化。这样，我们可以根据多开一组水泵和机组前后所消耗能量之比，来计算整个冷源系统是否节能，确定某一个负荷段多开或少开一组水泵和机组。

我们设总负荷为P，每台机组额定负荷为P1，系统总额定负荷为P∑=5P1。

当P0.4 P∑，需要保持3台水泵和机组同时运行。

当P=0.54 P∑时，3台机组每台机组运行负荷为0.9 P1，0.54 P∑也是一个计算耗能的平衡点，此时就要考虑开启第4台机组。

当P=0.6 P∑时，3台机组开启的总耗电量为1106.4kW，4台机组开启的总耗电量为1059.6kW，此负荷点节能46.8kW。

当P=0.54 P∑且P有持续一段时间向上增长的趋势时，则可多开启一台机组及水泵。P越大于0.54 P∑，就越节能。此时，机组COP提高到了5.944。

当0.54P∑0.8 P∑，保持5台机组同时运行。

3 冷却塔控制

冷却水的供水温度决定冷却塔投入的数量。为了降低能耗，当供水水温低于设定值时减少冷却塔运行台数，反之则增加运行台数。当冷却水温度高于设定值时，先根据温度来调节冷却塔的台数，在调节后30min冷却水供水温度仍高于设定值，这时需增加冷却塔的台数。风机控制柜上取得冷却塔风机运行状态、故障状态和启停控制信号。

监控内容为：

为避免冷却塔的冷却水供水温度在设定值附近变化时冷却塔频繁开启，需设定一个调节死区温度值。

根据冷却塔的出口温度相应启停冷却塔运行台数。

冷却水温度若仅通过自然冷却即可达到要求时，冷却塔风机可关闭。

监测风机手/自动状态、运行状态与故障状态。

根据流量和热量，开启符合要求的冷却水泵的台数。

运行时间累计计算，保养、维修记录。

冷却塔系统的控制实际上是分为两部分：一是台数控制，二是旁通+冷却塔混合控制。台数控制是根据冷却塔出水的第一个温度；旁通控制则是由旁通后的冷却水温度。

从图4旁通阀开度曲线可知它的控制由3段组成。

图4 旁通阀开度曲线

当水管温度♫值低于设定值t1时，旁通☒阀的控制位于I区，说明冷却水温度太低，为保护冷水机组和提高冷水机组能效比，冷却水不宜通过冷却塔进行热交换，因此旁通阀全开。

当水管温度值高于设定值t1又低于t2时，旁通阀的控制位于II区，说明冷却水温度在一个温度区间内变化，这时旁通阀需和冷却塔同时作用，因此旁通阀开度随温度变化而变化。当水管温度值高于设定值t2时，旁通阀的控制位于III区，说明冷却水温度较高，这时旁通阀全关，冷却水需通过冷却塔热交换降温。 4 冷冻水泵、冷却水泵的监控

监控内容为：备用水泵自动切换：自动运行模式下，如常用泵发生故障，自动投入备用泵。在不同时间段合理地运行设备，可编写控制节假日，上下班等时间的启动停止运行程序，节约能源。监测运行状态、故障状态、手/自动状态和水流状态，启停控制。运行时间累计计算，保养、维修记录。

5 冷水系统联动配置

联动启动顺序，系统联动控制如图5所示：

图5 联动控制系统图

冷却水塔风机―冷却水塔电动蝶阀―冷却水电动蝶阀―冷却水泵―水流状态确认―冷冻机冷冻电动蝶阀―冷冻水泵―（水流状态确认）―冷水机组。

联动停止顺序：

冷水机组―（延时5分钟）―冷冻水泵―冷冻水电动蝶阀―冷却水泵―冷却水电动蝶阀―冷却水塔电动蝶阀―冷却水塔风机。

控制系统的现场元件由水温传感器、水流量计、液体压差开关、液位开关、液体压差传感器、水流开关、电动蝶阀及执行器、压差旁通阀及执行器组成。系统配置清单，如表1所示。

根据系统监控内容，根据楼层位置，建立受控设备汇总；确立每种设备的工艺流程，做出控制系统，完成每种设备的监控点一览；根据点数，选择标准型或扩展型IQ3，以IQ3的扩展模块、4DIX数字输入扩展模块及继电器模块SRMV作为辅助；做出DDC监控点一览表，如表2所示；并调整IQ3及其扩展模块数量及配置，优化设计；设计传感器、执行器、调节阀、变送器配置，完成控制系统设备汇总。

冷源系统是空调系统中最重要的核心环节，是空调系统制冷的源头，也是消耗电能最大的地方。通过实践与研究，本文根据空调冷源系统运行特点，指出了BAS控制策略，分析并比较了多台冷水机组联合运行，根据COP与负荷的关系计算，加减冷机的不同控制策略及系统功能、冷却塔、冷冻冷却水泵的控制策略。

6 结语

随着我国科技和经济的高速发展，如何开发和利用智能建筑的资源，达到节能减排，真正实现“智能化”，以最高的效率为人提供一个最佳的生活和工作环境，将成为一个建立在建筑、电气自动化、计算机、暖通等众多学科之上的交叉型新课题

由于时间、条件和作者水平的限制，有很多不足之处：冷水机组在启动之前需要进行电气系统、冷媒系统、润滑系统、机械系统的准确检测，但是本方案没有通过网关和冷水机组建立一个无缝的连接，在控制流程中仅仅将冷水机组进行简单的监控（启停控制、状态检测、故障检测）。不能很好地把握冷水机组的内部参数，如：冷水机组的供、回水温度、当前机组负荷百分比、蒸发器冷凝器进出口温度，冷凝、蒸发压力等。不能通过协议将冷水机的内部数据传入BAS，实现冷水机数据读取。因此在冷水机组的群控上不能提出一个准确完善的控制策略。

参考文献：

[1] 王再英， 韩养社， 高虎贤.智能建筑：楼宇自动化系统原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 沈晔.楼宇自动化技术与工程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 曲丽萍，王修岩，翟玉文， 等.楼宇自动化系统[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4] 赵哲身.智能建筑控制与节能[M].北京：中国电力出版社，2007.

[5] 张宜.综合布线工程[M].北京：中国电力出版社，2008.