樓宇冷機站運行管理軟件控制系統節能應用研究

上海宸新節能科技有限公司 何培新

1 項目簡介

本案例的甲級智能商務樓宇位于陸家嘴地區，總建筑面積約60,000m2，其中商業建筑面積約5,500m2，辦公層建筑面積39,500m2。其冷機站由2臺York離心式冷機、1臺York螺桿式冷機、一臺板式交換器、5臺冷卻塔、4臺定速冷凍水泵、以及5臺冷卻水泵組成。冷機站采用兩管制一次泵設計方案，閥門可以進行遠程控制，但系統不能顯示冷凍水、冷卻水流量的數據。

冷機站采用常規BA管理系統軟件，原有設備的控制信號接入York的DDC(直接數字控制器)。并以自動或手動方式遠程控制各設備的運行狀況。冷機站控制系統可將部分運行參數送往大樓的樓宇自動化系統(Honeywell的EBI)，進行顯示。

冷機站每年的運行費用約為100萬元，運行時間為5月到10月，主要在辦公時間為大樓的辦公建筑提供冷源。

2 項目改造的預期效果

由于該系統在原設計中已經比較精確地計算了建筑所需要的冷熱量，系統的運行也已經處于滿負荷工作狀態，如在硬件上對設備進行節能改造，效果并不顯著。經過綜合考慮和評估，我們認為，在冷機站上使用霍尼韋爾（Honeywell）軟件系統（以下簡稱“先進控制系統），可以提高冷機站的高效運行，達到節能的目的。根據目前的使用情況，現階段暫不考慮使用水泵變頻裝置。但在管道上留有接口，待系統投入使用一段時間后，根據實際使用情況，再作出是否需要變頻改造的評估。

通過本項目的技術改造，可以最大化地利用冷機站的現有設備；提高冷機站安全、自動、高效的運行水平；達到按用戶側的需要動態生產冷量的目的；實時收集冷機站運行數據；掌握系統設備維護信息；實現冷機站運行能耗較降低10%以上的節能目標。

3 項目實施方案

為了實現上述節能目標，冷機站在原有的常規BA軟件控制系統基礎上，安裝了霍尼韋爾（Honeywell）先進控制系統，該系統可以根據需求側信息，輔助計算當前運行負荷水平和趨勢，采用仿真手段動態模擬冷機站各部分的工作狀況和性能，并在此基礎上采用動態優化技術，在兼顧各種因素的同時，生成最安全、經濟的冷機站運行方案。

3.1 先進控制系統硬件設備

為完成先進控制系統的工作指令，系統安裝了有關電器設備，詳見表1。

3.2 冷機站設備及控制系統

根據先進控制系統的工作要求，在冷機站的工作室內安裝控制柜，控制柜內設有輸入輸出模塊以及控制器。通過輸入輸出模塊，冷機站的冷機、水泵等所有設備的控制和測量信號都接入控制器，控制器將各種數據送往冷機站先進控制系統工作站，并接受它發出的控制指令（遠程控制模式下），通過輸入輸出模塊送往各個執行機構。冷機站的運行原理見圖1。

4 冷機站配置先進控制系統

4.1 冷機站運行管理系統工作原理

冷機站運行管理軟件系統由兩部分組成，常規BA系統和Honeywell先進控制系統。設備的開啟、關停和水溫的設定等信息先輸入常規BA系統，再送入Honeywell先進控制系統，系統將這些信號與有關信息進行優化整合，生成高效的運行方案。

表1 先進控制系統電器設備一覽表

先進控制系統設有兩個模塊：應用支撐平臺以及優化控制模塊。前者主要負責與冷機站控制系統的雙向通訊，后者主要完成動態運行優化。在運行過程中，由控制系統從各設備實時采集運行數據送往應用支撐平臺，經過平臺處理的數據再被送往優化控制模塊，在這模塊區域，運行數據被轉化成性能信號和負荷數據，而優化控制模塊的優化引擎以5分鐘的間隔，采集和參考有關數據，生成2小時或更長時間內的優化運行方案。這些數據信號再轉化成各種設備的控制命令，下傳至冷機站的各硬件設備。冷機站運行管理軟件系統工作原理見圖2。

4.2 先進控制系統工作原理

影響冷機站工作的可變因素諸多，負荷、能源價格、蓄冷與釋冷、設備性能等因素時刻影響能源的消耗。只有在未來一個時間段內充分考慮這些因素的變化，才能保證冷機站在整個時間段內總的運行效率最優、成本最低。為此，先進控制系統采用了動態優化系統技術，在動態優化系統中的優化引擎能夠綜合考慮各種時變因素，根據當前運行負荷及變化趨勢、設備的性能、能源的價格、用戶節能要求、設備維護計劃、系統的蓄冷等情況進行優化，從而獲得初始運行方案。動態優化系統工作原理見圖3。

先進控制系統的優化能力是由優化引擎和與其相密切配合的模擬仿真系統所實現的。首先，能夠求解復雜問題的優化引擎“設計”出初始運行方案（涉及2小時或更長時間段內各設備的啟停和工作點），送到具有自適應能力的模擬仿真系統，處理該方案下冷機系統的運行能耗、輸出功率、水系統的溫度和流量變化以及末端的溫度變化，然后根據計算結果“改進”初始方案，再送到仿真系統。周而復始，直至獲得最佳運行方案。優化原理詳見圖4。

仿真系統中的模型由靜態模型和動態模型組成，前者主要描述設備在各種工況條件下穩定運行時的性能，后者主要描述各種因素與水溫或室溫變化率間的關系。冷凍水系統和建筑物本身也具有蓄熱/冷效應（當制冷開始時，冷凍水水溫逐漸降低、而建筑物各處的溫度則以更緩慢的速度降低），只用靜態特性的模型技術是無法準確模擬和預測運行的情況，而全部采用動態模型會大大增加計算負擔。采用靜態為主，動態為輔的系統模型可以緩解這一矛盾。

無論是靜態模型還是動態模型都是根據歷史數據，采用統計方法建立的。由于主要設備（冷機、冷卻塔、水泵等）的性能以及末端對制冷/熱的反應特性會隨著時間、環境、和維護水平的不同而發生變化，而一成不變的模型不能反映這些變化并可能導致無效或不可靠的優化結果，所以仿真系統采用自適應機制緩解這一問題。它在空閑時將最新的運行數據加入訓練樣本（當數據集合過大時，最舊的訓練數據將被剔除）然后重新建立相關模型。這種機制加上冷機和末端本身漸進式變化為主的特性，仿真系統中包含的模型能夠對供應側和需求側的關鍵數據進行較高精度的模擬仿真。圖5比較了某冷機COP的實際值和模擬值間的差別。

冷機站工作在一個充滿時變因素（負荷、能源價格、蓄冷與釋冷、設備性能等）的環境中，只有充分考慮未來一個時間段內這些因素的變化才能保證冷機站在整個時間段內總的運行效率最優、成本最低。為此冷機站先進控制系統采用了動態優化引擎（常用的動態優化方法包括二次規劃、分支定界方法等）綜合考慮各種時變因素從而獲得最優運行方案。下面表2從4個方面對比了動態優化技術和靜態優化技術的優劣。圖6介紹了兩種技術的工作范圍。

4.3 改造后的冷機站主要功能

通過以上先進控制系統工作原理的介紹，不難看出,裝有該系統的冷機站將有表3所示功能。

由于原理上的不同，先進控制系統與常規控制系統存在較多差異，表4總結了這些差異的不同點。

5 先進控制系統節能特點

表2 動態優化技術和靜態優化技術對比

○ 按需供應。先控系統能夠參考需求側的溫度分布估計當前負荷需求，同時根據大氣溫濕度、時間等條件,通過檢索歷史數據獲得負荷的變化趨勢。按照實際需求安排冷量的生產，可以避免過量供應造成的浪費。

○高效運行。先進控制系統在變化的環境中能夠根據外界情況、設備性能、以及冷機站整體性能，通過優先選擇高效率的子系統或設備，盡量使系統工作在最優區域，以最經濟的方式生產所需的冷、熱量。

○智能管理。由于使用了優化引擎和模擬仿真技術，先進控制系統能夠合理利用電價的變動、冷機站的蓄冷能力、建筑物和循環水系統的蓄冷特性，延長系統在最優效率區間或者低電價時段的工作時間。

表3 冷機站主要功能一覽表

表4 先進控制系統與常規控制系統比較表

6 結語

樓宇節能改造項目可供選擇的技術途徑不少,可從硬件設備的技術改造做起，也可從軟件控制系統入手。多數節能服務公司可能更注重前者，而我公司努力探索后者的技術應用研究。在項目的改造中保留原有的硬件設備，通過先進控制系統的運用，提高系統的節能效率。希望本案例的節能方式能為同行帶來一定的啟示。