江水源集中供冷供熱系統的智能化控制策略初探

周愛農，張勝強

(重慶市設計院 重慶 400015)

1 前言

江水源集中供冷供熱系統是以江水為低位熱源，由水源熱泵機組、江水換熱系統、建筑物末端用戶系統組成的制冷、供熱系統，其利用江水能源為冷熱源，為人們提供舒適的工作環境和生活環境，同時也為城市建筑群提供巨大的能源消耗找到一條有效利用清潔能源的途徑。

江水源集中供冷供熱系統是一個時變性的動態系統，其運行工況、供冷供熱負荷受季節變化、天氣變化、環境條件、供冷供熱區域人流量增減等諸多因素的綜合影響，是隨時變化并始終處于波動之中。建筑群年最大負荷的出現時間只有幾十小時，絕大部分時間系統運行在部分負荷條件下。如果系統的運行方式不能根據負荷的變化而動態調節，始終在額定容量下運行，勢必導致節能效益的降低，給企業造成巨額電費支出，增加了運營成本，降低了競爭優勢。

為了有效地降低系統運行能耗，實現冷（熱）媒流量跟隨末端負荷的變化而動態調節，降低部分負荷運行時造成的能源浪費，合理運用系統工程的方法，將現代計算機技術、負荷預測動態控制技術、系統集成技術與變頻調速技術相結合，實現集中供冷供熱系統的智能化控制，合理優化集中供冷供熱系統的控制策略，保障系統設備在任何負荷條件下都能保持高效率（COP）運行，對系統節能降耗具有重要的作用。

2 工程概況

某江水源集中供冷供熱能源站系統為城市CBD一期B區184萬平方米建筑提供空調冷熱源。系統采用江水源熱泵系統和蓄冰空調冷熱源系統組合的混合系統，制冷主機為熱泵主機，蓄冰裝置為外融冰蓄冷設備，冷卻水系統為江水水源系統。供冷供熱區域管網通過主管進行供冷供熱循環，在每個CBD功能區域自身建設獨立的供冷供熱循環網絡，該網絡通過相應支管和板式換熱器與能源站的循環主管進行冷熱量的交換。

系統空調設計冷負荷100.9MW，由取水站（提供冷卻水）、能源站（制備冷量）、空調供冷供熱管網（輸送冷量）及末端區域用戶供冷系統（使用冷量）四個子系統組成，能源站由三臺制冷/制熱基載離心式水源熱泵機組、兩臺制冷/制熱/制冰三工況離心式冷水機組、四臺制冷/制冰雙工況離心式冷水機組及相應的水泵、外融冰蓄冰設備、熱交換器構成（圖1）。

江水源集中供冷供熱系統由四大系統組成（圖2）。系統控制策略按照需求決定響應的邏輯順序包括：末端區域用戶系統的控制策略、管網的控制策略、能源站的控制策略及取水系統的控制策略。

圖2 江水源集中供冷供熱系統組成

3 區域用戶系統的控制策略

區域用戶系統是江水源集中供冷供熱系統的末端部分，區域用戶供冷系統的工況流程如圖3所示。

圖3 區域用戶供冷系統圖

3.1 區域空調負荷

能源站控制中心需根據區域用戶的實際空調負荷并以此為依據做出整體的負荷預測，進而確定合理的能源站運行策略。在區域空調冷凍水供水溫度得到保證的前提下，空調負荷的變化體現在供水流量和冷凍水回水溫度上，在區域用戶入口處設置電磁流量計，供、回水溫度傳感器用作測量區域用戶實際空調負荷用途。

3.2 區域用戶系統的控制策略

區域用戶板換間的控制目標參數是二次冷凍（熱）水供水溫度，通常板換間由區域業主自建，二次水冷凍水泵與一次水電動調節閥由就地設備自動控制系統控制，在空調負荷發生變化之后，板換間內板換一次水出口管道上的電動調節閥調整閥門開度改變一次側的流量從而響應實際空調冷負荷，維持二次冷熱水供水在設定溫度，并與用戶協議約定能源站回水溫度要求值，保證能源的有效交換輸送。

區域用戶系統一次水的水壓由能源站外網循環泵提供，區域用戶供回水壓差是能源站外網循環泵變頻調節的主要依據之一，在一次供回水管道上設置壓差傳感器監測供回水壓差。每個板換間均設一套PLC控制器，相對獨立完成換熱站的運行監控功能，并通過系統PROFIBUS總線與能源站大系統進行數據共享并實現聯網自控運行。

3.3 區域用戶能量計費

在板換間設置能量計費儀，接入PLC控制器，實現冷熱能量遠程數據查詢和就地顯示功能。數據查詢功能包括瞬時熱量、月用量查詢和用戶資料查詢，在上位機上顯示選定某段時間內的相關數據，方便物業計量管理。

3.4 各區域用戶系統的組網

現場總線由基金會現場總線FF、CAN總 線 、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-link等多種通信協議與組網方式，通信介質一般為雙絞線、光纖，針對項目情況采用Profibus DP通訊網絡，通信速率1.5Mbps，為了保證控制系統的可靠性，各區域用戶控制系統采用光環網組網，任一單點故障不影響控制系統的運行。

4 管網的控制策略

在整個集中供冷供熱的空調管網自動控制系統中，能源站并聯運行的外網循環冷凍水泵組的自動控制是最為關鍵的自控內容。集中供冷供熱是變流量－變壓頭系統，在變壓系統中，隨著空調負荷的下降，所需冷凍水流量減小，揚程也降低，由N=ρgQH/1000式可知，其水泵功率的下降受流量Q、揚程H的影響，其功率下降程度遠大于定壓系統，相對于傳統的變流量－定壓頭系統能取得更大的節能效果。

外網循環水泵的基本控制原理是先對整個冷凍水管網的各區域壓差監測點的數據進行分析，通過PLC控制網絡讀取每個區域內設置的壓差檢測點的壓差數據，然后將實際壓差與目標壓差的數據之差進行排序，找到一個當前相對最不利（差值的絕對值最大，負值優先）的壓差檢測點，以此最不利點的壓差信號作為控制目標參數，控制的外網循環水泵變頻。在滿足所有用戶空調需求的前提下，通過變流量－變壓頭的控制方法，在負荷下降的時候減少大功率的外網循環水泵遠距離輸送流體時需要消耗的電功率，使區域供冷的空調管網能夠實現經濟運行。

5 能源站的控制策略

在能源站設置控制系統中心，整個工程的控制系統采用PLC系統，由中央監控電腦、PLC主站、若干現場控制分站、打印顯示設備及相應的傳感器、執行器構成。采用Profibus DP通訊網絡，為保證系統運行的可靠性，PLC主站采用冗余設計。

系統整體控制策略采用基于負荷預測的動態控制技術，通過各區域用戶空調負荷的變化預測計算未來時刻的負荷，據此確定冷（熱）水流量，在保證外網最不利用戶資用壓頭工藝要求下變頻調節外網循環泵，達到節能降耗的目的；由供冷（熱）需求量經過系統最優化運行模式實現最優化啟停、PID控制、時間通道、設備群控、動態圖形顯示、能耗統計等。

5.1 負荷預測

系統在自動控制模式運行利用負荷預測軟件功能，將預測出的空調逐時負荷作為系統優化控制的依據。負荷預測的基礎是實際空調負荷數據即區域能量計費系統中積累的負荷數據，隨著實際運行數據的增加，實際數據不斷修正預測數據，使預測數據越來越準確，越來越接近實際。

負荷預測方法：

I、采集原始數據；

Ⅱ、數據模糊處理；

Ⅲ、負荷預測

式中b表示往日影響程度的遞推系數，φ表示氣候的影響函數。

5.2 優化控制

優化控制的目標是在滿足負荷的前提下轉移更多的高峰電力到低谷時段。

優化控制根據負荷預測的結果及電價政策對當天的制冷負荷與融冰負荷進行優化分配，制定最優的運行策略，即不同工況的運行時間表、某一工況下各設備開、關狀態和主要設備投入數量。當實際負荷與預測負荷出現偏差時，自動控制系統將控制各電動調節閥的動作以及主機的卸載與上載，在滿足空調負荷的前提下實現優化運行。

優化控制的方法：

I、將冰量在供冷期間內進行分配，并保證滿足供冷期間各時段負荷要求、主機在較高效率范圍內運行、使冰全部融完。

Ⅱ、根據主機分配冷（熱）量及主機高效率范圍確定制冷機開啟臺數。

Ⅲ、根據預測供冷期間負荷確定總制冰量。

Ⅳ、根據總制冰量及制冰期間空調負荷確定夜間制冰主機開啟臺數，保證主機制冰在高效率下運行。

5.3 管理平臺

系統控制管理平臺由監控軟件、優化控制軟件、負荷預測軟件、能源管理軟件、可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統及相關服務器與操作站組成。

集成控制管理平臺軟件是遠程監視、控制、數據處理和運行管理的中心，采用三維圖形管理界面，具有通過表格、圖形的趨勢數據瀏覽、查閱一個或多個數據組合的功能，并提供詳細的數據源信息。支持多級密碼保護和冗余備份。

負荷預測優化控制軟件輸出24小時運行時間表及每小時的運行工況等基本運行數據，自動控制系統將時間表導入，在時間表的指導下運行。在自控系統得到了優化控制軟件制定的控制策略之后，自控系統則根據實際空調負荷的變化自動調節融（制）冰量以及主機的卸載與加載。當預測表嚴重偏離實際需要時，自控系統可增加或減少開啟各設備臺數。

5.4 運行模式與運行工況

集中供冷供熱自動控制系統需提供兩種運行模式，依靠負荷預測優化控制的全自動運行模式及需要管理人員進行干預的自定義運行模式。

在系統運行初期負荷預測系統尚未積累足夠的負荷數據時以及負荷預測系統出現故障時，系統按照自定義控制模式運行。

在系統運行取得相當經驗的基礎上，根據系統運行周期、效率、節能狀況與外部環境、江水情況、氣候狀況、用戶末端使用等諸多環節總結研究后也可采用人工干預的自定義控制模式。

在自定義運行模式下，有多種工況可供選擇，包括熱泵機組聯合空調供冷工況、制冰與基載供冷工況、主機供冷工況、融冰供冷工況、供熱工況。

5.5 運行誤差的修正

由于系統無法始終保持按時間表的參數運行，以及設備啟停的滯后現象，使得運行一段時間后剩余冰量與控制要求出現偏差，負荷預測軟件將自動檢測剩余冰量，并與已經輸出的運行策略中的剩余冰量進行比較，重新分配以下供冷時段內每小時的融冰量，重新生成新的運行時間表及每個時段內的運行工況等基本信息并輸出給自控系統。

5.6 可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統

根據 《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》及《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》系統應檢測以下參數，并通過網絡上傳至相關管理部門，并滿足數據采集頻率與數據上傳頻率的要求（30分鐘/次）。

監測不同類型熱泵機組熱源側、用戶側進、出口水溫、流量、機組輸入功率。

監測系統熱源側、用戶側進、出口水溫、流量、系統耗電量。

監測室外溫濕度。

6 取水系統的控制策略

取水系統包括取水頭部、自流引水管、取水泵房、斜管沉砂池、二級泵房、加藥系統、輸水管道。

取水系統控制的關鍵參數能源站江水排水溫度與一二級取水泵的流量匹配。在能源站排水管設置溫度傳感器 （變送器），根據系統機組負荷確定江水需用量，確定二級取水泵開啟臺數及變頻調速調節流量，保證排水溫度在設定值，已降低水泵耗能。在清水池設置液位傳感器（變送器），根據池內水位變化確定一級取水泵開啟臺數及變頻調速調節流量，并確保一二級取水泵的流量匹配。

7 儀表的選用

7.1 控制系統的儀表選用

對于集中供冷供熱自動控制系統，若被控對象的監測輸入參量相對誤差超過5%，控制與調節就失去了系統設計的初衷。

一般情況下，空調(自控)系統工程中水管插入式溫度傳感器的測量誤差為±0.5℃，溫度測量的相對誤差1%，符合暖通空調節能技術措施規定的 “所有與節能控制有關的檢測與調節儀表，其誤差不應低于±1.0%”要求，但其在本系統中供回水溫差的最大誤差達1.0℃，對于本系統供回水溫為3.5／13℃的冷水系統來說，相對誤差可達10.5%，顯然無法滿足測量與控制的實際要求。因此本系統應選用高精度的溫度傳感器與變送器，變送器的測量誤差一般為0.1%～0.3%，選用的溫度傳感器應達到測量誤差為± (0．15+0．002|t|)℃（A級鉑電阻），這樣控制系統溫度輸入參量相對誤差可控制在3.5%左右，即使考慮控制系統本身的控制誤差，也能滿足控制系統以溫度為輸入參量的被控對象的控制要求。

在集中供冷供熱系統中常用流量采集儀表有渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等，其精度范圍在0.2～2%，其精度等級均能滿足控制要求。因此系統通常選用電磁流量計、超聲波流量計作為流量監測儀表。

7.2 計量儀表的選用

按照CJ128-2007熱量表的計量準確度分級標準，熱量表按相對誤差限分為三級，根據本系統區域用戶使用能力、流量及管徑較大的特點，采用計量一級表更為恰當。一級表相對誤差限由下式定義：

系統選用總體精度等級（0.5+3℃/Δθ）%的冷熱型計量表，采用分體式安裝，通常能夠滿足一級表要求。

8 結語

江水源集中供冷供熱控制系統分為全自動運行模式和自定義運行模式，全自動運行模式采用基于負荷預測優化控制的控制策略。通過各區域用戶空調負荷的監測，在保證區域用戶壓差使用要求的前提下，變頻調節外網循環泵，根據預測負荷，選擇確定運行工況與運行時間表，啟停相關設備，保證相關設備均運行在高效率范圍內，降低電力能源消耗與營運成本，提高系統營運效益。

自定義運行模式是在系統運行初期以及系統運行取得相當經驗的基礎上，總結研究后采用的一種人工干預的模式。

大型江水源集中供冷供熱系統是一項龐大的系統工程，其運行周期、效率、節能狀況與外部環境、江水情況、氣候狀況、用戶末端使用等諸多環節有關，從國內部分項目運行的實際情況分析，達到理想狀態運行的還不多，其中有多方面的原因。本文就某系統智能化控制設計實踐得出一些設計經驗供同行參考。

(注：本文在寫作過程中得到了源牌科技有限公司的協助，在此表示感謝。)