網絡控制在中央空調運行管理與分戶計費系統中的應用

【摘 要】 本文介紹一種具有運行管理、末端設備控制和分戶計費功能的中央空調運行管理系統，可將中央空調系統所有末端設備納入統一的管理與控制，可以統一設置末端設備運行控制參數，提供時間管理，支持末端設備的多種運行控制模式，實現分戶冷量計費。

【關鍵詞】 網絡控制；中央空調；運行管理；分戶計費

1、中央空調運行管理與分戶計費系統

中央空調運行管理與分戶計費系統包括管理與控制平臺、空調末端智能控制器、末端設備冷量計費算法和LonWorks控制網絡等基本部分。中央空調系統的每一個設備均由末端智能控制器控制，并通過控制網絡與管理、控制平臺構成網絡控制系統，智能控制器除實現末端設備運行控制外，還提供末端設備冷量計算信息，將相關信息上傳給管理與控制平臺，由管理與控制計算機進行處理，實現分戶計費。

管理與控制平臺由系統計算機和用戶軟件構成，控制網絡采用LonWorks總線，控制平臺采用目前流行的Windows操作系統和SQL2000數據庫，用戶軟件采用Delphi7.0編程環境。考慮數據交換的效率，管理與控制平臺采用共享存貯空間方式與智能控制器進行數據交換。

用戶軟件包含系統管理、設備監測、冷量計費、冷源系統運行控制、故障診斷與報警等基本功能模塊。1）系統管理模塊提供空調系統運行參數設置等管理功能，可在系統管理界面設定每一個末端設備的運行參數，例如溫度、濕度、自動/手動控制等，并提供運行時間管理，可以按預先設定作息時間控制系統運行。在選擇自動方式時，用戶不能修改末端設備的運行控制參數，為合理設置運行參數提供技術保證。在選擇手動運行方式時，末端設備按傳統的獨立控制方式運行，可以接受用戶的參數修改，以滿足用戶特殊要求。2）設備監測模塊提供設備運行信息和室內環節信息，例如設備的運行方式、運行參數、用戶的室內溫度、濕度、有無人等信息。現場信息由智能控制器采集并上傳給管理與控制平臺，由監測系統軟件進行處理和顯示。3）冷量計費模塊采用本文介紹的分戶冷量計費算法，提供中央空調系統分戶計費信息。4）故障診斷與報警模塊提供系統運行故障報警等功能，故障診斷軟件對接收到的末端設備狀態信息進行分析處理，判斷是否處于正常運行狀態，進入該界面后可以定位故障位置并查看故障信息，為系統維護提供有效的技術手段。5）冷源系統運行控制模塊提供中央空調冷水機組優化運行信息。由于本文的管理與控制系統可以獲得所有末端設備的運行信息和末端室內的環境參數，因此可以依據這些信息為中央空調冷水機組提供多種模式的優化控制信息，具體的控制策略將在以后的研究中繼續討論。

中央空調運行管理與分戶計費系統運行的基本原理是由系統管理模塊按運行要求分別設置每一個末端設備運行時間等參數和每一個用戶區域的溫度、濕度、空氣質量等控制目標參數，將其通過控制網絡下傳給末端智能控制器，智能控制器按要求自動控制末端設備運行，除滿足一般運行控制要求外，還具有室內無人停機、最小新風量運行、盤管風機自動調速等功能，同時智能控制器也實時采集控制區域的環境參數和設備運行狀態等信息，計算設備冷量，并上傳給管理與控制計算機進行相應處理，提供分戶計費、設備運行監測、故障診斷、冷源系統優化等功能。

2、中央空調系統分戶計費的實現

2.1 風機盤管系統冷量計算

根據暖通空調設計原理，如果已知風機進、出口空氣的干球溫度、相對濕度、單位時間的空氣質量流量，則可得出單位時間的冷量。因此，本文在風機盤管系統的送風口處設置溫度傳感器，送風濕度采用露點相對濕度；回風口處設置溫度、濕度傳感器，將相關信號送到智能控制器，根據上述參數可計算風機盤管送、回風焓差。由于智能控制器具備盤管風機轉速調節信號，即風機轉速是已知的，額定轉速下風機的風量可由設備手冊獲得，在轉速調節范圍內，風機風量與轉速成正比，于是風機盤管系統冷量Q為：Q=m（h1-h2） （1）式中，Q為風機盤管冷量，kW；m為空氣質量流量，kg/s；h1、h2分別為回風、送風焓值，kJ/kg。

在正常工況下，可認為空氣體積流量與轉速成正比，則空氣質量流量m可按式（2）計算：m=ρKVLPG/3600 （2）式中，ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；KV為盤管風機調速比，由智能控制器調速控制信號獲取；LPG為盤管風機銘牌風量，m3/h。

焓值可按下式計算：h=1.01t+0.001×622（φPqb/P-Pqd）（2500+1.84t）ln（Pqb） =c8/T+c9+c10T+c11T2+c12T3+c13lnT（3）式中，P為當地大氣壓力，Pa；Pqb為飽和水蒸氣分壓力，Pa；t為空氣溫度，℃；φ為空氣相對濕度；T為熱力學空氣溫度，K，T=t+273；其它各常數分別為c8=-5800.2206，c9= 1.914993，c10=-0.04860239，c11= 0.41764768×10-4，c12=-0.144520 93×10-7，c13=6.5459673。

根據式（1）～（3）即可計算風機盤管系統單位時間冷量。計算時，送風近似認為已達到機器露點，即取φ2=95%。在實際工程應用時，回風相對濕度可采用設計參數，取φ1=60%，可以省略回風濕度檢測環節，降低計費系統成本。

2.2 新風系統冷量計算

新風系統冷量可根據室外空氣的溫度、濕度和新風系統送風溫度、濕度計算焓差。室外空氣溫、濕度由控制系統統一檢測（一個空調系統只需要一組參數，通過網絡共享），送風溫度由智能控制器檢測，送風相對濕度取露點濕度。對新風量不調節的系統，取風機額定風量；對于有新風量調節的系統，可由智能控制器的新風機調速信號輸出獲取風機變速比。根據上述參數，采用與風機盤管系統相似的方法計算新風系統冷量。

2.3 全空氣系統冷量計算

全空氣系統可根據混風溫、濕度和送風溫、濕度計算焓差。本文在全空氣系統的混風處設置溫、濕度傳感器，在系統送風口設置溫度傳感器，將傳感器信號送到智能控制器，送風相對濕度取露點濕度。對定風量空調系統，取風機額定風量；對變風量空調系統，可由智能控制器的空調風機調速信號輸出獲取風機變速比。根據上述參數，采用與風機盤管系統相似的方法計算全空氣系統冷量。

2.4 冷量消耗

考慮設備運行的隨機性和實時性，采用時間積算方式進行冷量累加，預先設定積算時間，風機轉速參數、溫度、濕度等參數取積算時間內的平均值，則各末端設備在積算時間內的冷量消耗為：WΔT=ΔT·Q（4）式中，WΔT為末端設備在積算時間內的冷量消耗；ΔT為積算時間；Q為ΔT內對應的末端設備的冷量。

2.5 誤差分攤

由于存在空調系統管網損耗以及計算參數誤差等影響，計算得到的空調系統的冷量與實際冷量（由系統冷水機組處的冷量計實測得到）存在誤差。本文考慮這些因素，依據各末端設備的冷量值分攤誤差，并以分攤后的冷量作為末端設備的計費冷量。末端設備的計費冷量為：W′i=[1+（ WCL-∑Wi）/∑Wi]·Wi（5）式中，W′i為末端設備的計費冷量；Wi為各設備冷量計算值；∑Wi為所有末端設備冷量之和；WCL為空調系統冷水機組冷量測量值。

2.6 分戶冷量計算

按上述方法可得到每個末端設備的計算冷量。對于新風+盤管系統區域，還需要將新風系統冷量分攤到區域內的用戶，此時，區域內的分戶冷量為：WH1= [1+W′XF/∑W′Qyi] ·∑W′i（6）式中，WH1為盤管系統分戶冷量；W′XF為新風系統計費冷量；∑W′QYi為區域內所有末端設備計費冷量之和；∑W′i為戶內盤管計費冷量之和。

在得到各用戶的戶內冷量后，乘以時間即可得到分戶冷量消耗，再乘以單位冷價即可實現分戶冷量計費。在實際應用時，先根據具體的建筑、空調系統、設備類型等信息，劃分區域，并將設備信息與末端控制系統相對應，組成一個完整的運行管理、控制與分戶計費系統，在管理與控制平臺按運行要求設置每一個末端設備的控制目標參數，智能控制器按要求自動控制末端設備運行，并實時采集控制區域的環境參數和設備運行狀態等信息，計算設備冷量，將相關信息上傳給管理與控制計算機進行相應處理，完成設備監控和分戶冷量計費等功能。

3、結語

分戶計費與設備控制信息共享只需增加空氣溫度傳感器和少量濕度傳感器即可完成分戶冷量計費，不涉及空調水系統，而且可實現所有空調末端設備的冷量計算，具有較高的實用性。本研究已在實驗室環境下，采用實際的末端設備，設計和安裝了具有前述功能的中央空調運行管理、控制和分戶計費系統，很好地實現了空調系統管理、末端設備控制和分戶冷量計費等功能，可為中央空調系統運行管理提供有效的技術手段，降低空調系統運行能耗。