公建項目空調(diào)系統(tǒng)控制策略案例

何毅暉， 林擁軍， 王丹駿

（1.杭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)總公司，浙江杭州 310053；2.杭州源牌環(huán)境科技有限公司，浙江杭州 310030）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，目前我國出現(xiàn)了越來越多的大型綜合類公建項目。項目建設(shè)者從建筑工程的全壽命周期成本角度考慮，往往需要給這類大型公建項目設(shè)置一個集中的能源中心來給整個項目進行供冷和供熱。這個過程，一方面建設(shè)項目在滿足全壽命周期成本角度考慮的同時，另一方面也使得整個項目的空調(diào)系統(tǒng)變得異常龐大、復(fù)雜。因此，這類空調(diào)系統(tǒng)將需要投入相當多專業(yè)的空調(diào)技術(shù)人員來操作和維護。而在實際操作中，這顯然是很難做到的。自控技術(shù)這一課題正是為了解決上述矛盾問題而產(chǎn)生，并在近幾年得到了蓬勃的發(fā)展。自控技術(shù)越來越多地應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)的控制當中，為大型綜合類公建項目的節(jié)能提供了切實有效的保障。本文通過一個實際應(yīng)用的案例，來剖析復(fù)雜空調(diào)系統(tǒng)控制的解決方案。

1 項目概況

某跨國公司在華研發(fā)中心項目，總建筑面積有十萬多平方米，包括生產(chǎn)大樓A、B（各為20層）、生產(chǎn)實驗樓（3層）和食堂（2層）四個單體，設(shè)集中冷熱源能源中心。

項目夏季總冷負荷為15 560kW，設(shè)計采用3臺常規(guī)離心制冷主機和1臺冷凝熱回收離心制冷主機供冷；因在生產(chǎn)大樓內(nèi)的19個IT機房需常年供冷，故冬季總熱負荷為9170kW，冷負荷約為3500kW，設(shè)計采用熱回收機組進行同時供冷和供熱滿足負荷需求，當熱量不足時用真空鍋爐補充。同時，系統(tǒng)考慮了在冬季利用冷卻塔結(jié)合板式換熱器免費供冷以及熱回收機組冷凝熱回收的空調(diào)節(jié)能技術(shù)，系統(tǒng)的工藝原理較之常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)更為復(fù)雜。基于高效、節(jié)能、可靠等樓宇建設(shè)目標，該能源系統(tǒng)需要配置一整套綠色低碳、功能完善、安全可靠、管理便捷的中央空調(diào)能源管理系統(tǒng)。

2 主要設(shè)備參數(shù)

表1 主要設(shè)備參數(shù)表

3 冷熱源系統(tǒng)流程控制策略

3.1 空調(diào)系統(tǒng)各區(qū)域全年需求概況

見表2。

3.2 不同負荷條件下空調(diào)系統(tǒng)的運行模式

根據(jù)現(xiàn)代智能建筑綠色低碳、節(jié)能高效的要求，該系統(tǒng)采用供冷板式熱交換器和冷卻塔及冷卻水循環(huán)泵設(shè)計一套“免費供冷系統(tǒng)”。在部分過渡季和冬季通過各供冷、供熱設(shè)備間的自動切換及冷熱量交換來滿足主樓內(nèi)區(qū)的空調(diào)要求。

表2 空調(diào)系統(tǒng)各區(qū)域全年需求概況

據(jù)此，根據(jù)對全年負荷變化情況的預(yù)測（通過供回水溫度和流量計算確定）和對室外濕球溫度的監(jiān)測，對現(xiàn)實可能出現(xiàn)的情況設(shè)計以下運行模式。

3.2.1 運行模式1控制策略

根據(jù)表3，該模式下所有區(qū)域的負荷需求均由3臺常規(guī)離心式冷水機組（CH-B1-1～3）和1臺熱回收離心式冷水機組（CH-B1-4）滿足。

3.2.1.1 主機開關(guān)機控制

（1）開機順序。1）初定主機臺數(shù)和開啟機組編號：自動初定開啟一臺或人為操作，優(yōu)先開啟常規(guī)離心式定值（參考值98%），且供水溫度T≥設(shè)定值+設(shè)定差→加機；電流百分比≤設(shè)定值（參考值：3臺同類型主機運行為70%；2臺同類型主機運行為55%），且回水溫度T≤設(shè)定值－設(shè)定差→減機。

表3 不同負荷條件下的運行模式

3.2.1.3 冷水一次泵控制

（1）臺數(shù)控制。冷水一次泵與離心機臺數(shù)一致。

（2）變頻控制。根據(jù)供回水總管間平衡管上的流量傳感器（測冷水機組及運行時間較少的機組；2）相應(yīng)電動閥門開啟和關(guān)閉（其中冷卻水閥門全開）；3）啟動冷卻塔風機（全部）；4）啟動一臺（或與主機臺數(shù)對應(yīng)）冷水一次泵及冷卻水泵；5）啟動冷水機組：前一套系統(tǒng)運行至少5min后才能開啟下一套主機系統(tǒng)。

（2）關(guān)機順序。前一套主機系統(tǒng)停止后延時至少3min，待穩(wěn)定后才能停止下一臺。

3.2.1.2 主機加減機控制

機組制冷量組合原則：1）保證冷水機在高效運行區(qū)60%～100%負載范圍運行；2）一般供冷條件下優(yōu)先在夏季開啟離心機組；3）在同時使用冷源和熱源時或負荷較小時優(yōu)先使用熱回收離心機組。

主機加減機控制：根據(jù)建筑實際負荷，并與設(shè)計負荷比較，自動求出需開啟/減少的主機臺數(shù)，同時通過測量供/回水溫度和機組運行電流百分比P，自動修正主機的運行臺數(shù)，達到最佳節(jié)能目的。電流百分比≥設(shè)量流量）和溫度傳感器（確定流向）調(diào)節(jié)一次水泵變頻，使平衡管內(nèi)流量趨向于零。

（3）最小頻率限制。冷水流量不能低于蒸發(fā)器最小流量要求。為滿足制冷劑蒸發(fā)器對冷水最小流量的要求，根據(jù)主機廠家提供的參數(shù)確定最小頻率。

（4）變頻幅度限制。（適用于所有）水泵變頻使主機的流量變化率不超過15%/min。

3.2.1.4 冷水二次泵變頻控制

（1）根據(jù)末端最不利壓差ΔP和供回水溫差ΔT控制系統(tǒng)二次泵變頻，根據(jù)ΔP、ΔT的綜合差（α×ΔP+β×ΔT）（其中α、β為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)大量實際項目經(jīng)驗通過軟件計算得出，α+β=1）與設(shè)定值比較，變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)泵。當實測值＞設(shè)定值時，降低水泵頻率；反之，則提高水泵頻率。

（2）臺數(shù)控制：當水泵運行頻率≤最低頻率時，停一臺泵，最低頻率設(shè)定為25Hz（可調(diào)）；當運行水泵頻率都達到45Hz時，增開一臺水泵。

3.2.1.5 冷卻水旁通閥和冷卻塔風機控制

（1）此工況下關(guān)閉冷卻水旁通閥。

（2）根據(jù)室外濕球溫度、冷卻塔性能和制冷主機性能，計算最佳冷卻塔出水溫度。

（3）當系統(tǒng)有主機開啟運行時，預(yù)開啟所有高速風機運行，根據(jù)實際冷卻塔出水溫度與設(shè)定值比較，進行冷卻塔風機控制：1）減風機程序：當冷卻水回水溫度低于設(shè)定溫度0.5℃（可調(diào)）以上時，每隔5min（可設(shè)）后，將高速運行的1組冷卻塔風機變?yōu)榈退龠\行；當回水溫度繼續(xù)降低，第2組冷卻塔的風機變?yōu)榈退龠\行；當所有冷卻塔都轉(zhuǎn)為低速后，水溫繼續(xù)降低，可一組一組的關(guān)閉冷卻塔風機，直至所有冷卻塔風機均停止運行，冷卻水處于自然冷卻狀態(tài)。2）增風機程序：當冷卻水回水溫度高于設(shè)定溫度0.5℃（可調(diào)）以上時，每隔5min（可設(shè)）后，開啟1組冷卻塔的風機低速運行；當回水溫度繼續(xù)上升，再開啟1組冷卻塔的風機低速運行；當所有冷卻塔都為低速運行后，水溫繼續(xù)升高時，可一組一組的打開冷卻塔風機高速檔運行，直至所有的風機均投入高速運行。

當冬季IT機房需啟動離心式冷水機組制冷時，如冷卻水溫過低冷卻水旁通閥自動將部分冷卻水流直接短路形成回流。

3.2.1.6 冷卻水泵變頻控制

（1）根據(jù)主機冷卻水最小流量要求設(shè)定水泵最小運行頻率；

（2）保證主機在較高COP運行效率下，控制水泵變頻；

（3）根據(jù)制冷主機性能和冷卻水泵性能，以及最佳冷卻塔出水溫度，計算最佳冷卻水供回水溫差。

3.2.2 運行模式2控制策略

根據(jù)表3，設(shè)備機房的冷負荷由熱回收機組提供，熱負荷由熱回收機組的回收熱量來滿足，若熱回收量有富余，則多余熱量由冷卻塔承擔，無常規(guī)冷負荷。

3.2.2.1 啟、停控制

開機順序：先執(zhí)行相應(yīng)電動蝶閥開啟和關(guān)閉；同時啟動1臺冷水一次泵和1臺熱回收冷卻水初級泵；延時1min啟動熱回收機組；熱回收主機蒸發(fā)器側(cè)出口溫度設(shè)定為6℃（可調(diào)）；冷凝熱回收器側(cè)出口溫度設(shè)定為43℃。

關(guān)機控制：首先停止熱回收機組；延時1min后停止冷水泵；延時2min后停止冷卻水泵；最后關(guān)該主機系統(tǒng)對應(yīng)的電動蝶閥，切換至其他模式。

3.2.2.2 熱回收主機冷熱平衡控制

以控制熱回收主機冷量輸出滿足冷負荷需求為基礎(chǔ)，當實際輸出熱量大于熱負荷需求時，熱回收冷凝器的出水溫度會高于43℃（可設(shè)），即開啟對應(yīng)的冷卻水泵，通過調(diào)節(jié)冷卻水泵運行頻率（若實測溫度大于設(shè)定值，增加水泵頻率；反之減小）或調(diào)節(jié)冷卻水總管上的旁通電動調(diào)節(jié)閥的開度和冷卻塔風機的開啟數(shù)量，確保使熱回收冷凝器的水溫度不高于43℃。

3.2.2.3 供熱管路分集水器閥門切換控制

該模式下，熱負荷全部由熱回收機組承擔。分集水器上，鍋爐供熱的閥門全部關(guān)閉，而熱回收機組供熱的閥門根據(jù)生產(chǎn)大樓、生產(chǎn)實驗樓、食堂各末端需求，有熱負荷時開啟，否則關(guān)閉。

3.2.2.4 熱回收冷卻水初級泵變頻控制

根據(jù)末端最不利壓差與設(shè)定值的比較調(diào)節(jié)熱回收冷卻水初級泵變頻，使最不利壓差穩(wěn)定在設(shè)定值，滿足系統(tǒng)供水需要；最不利壓差值的設(shè)定根據(jù)各個末端設(shè)備電動調(diào)節(jié)閥的閥位開度自動調(diào)整。

冷水流量不能低于冷凝器中冷卻水最小流量要求設(shè)定水泵最低運行頻率。當水泵以最小頻率運行時，分集水器供回水壓差ΔP2大于設(shè)定值或供熱總流量小于熱回收主機最小流量時，由電動調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)控制。

3.2.3 運行模式3控制策略

根據(jù)表3中，當無常規(guī)冷負荷和熱負荷，并且設(shè)備機房溫度未達到上限值時，啟用該運行模式，設(shè)備機房的冷負荷由冷卻塔免費供冷提供。

其中，冷水一、二次泵控制同運行模式1（3.2.1.3節(jié)及3.2.1.4節(jié)）。

3.2.3.1 啟停控制

開啟順序：首先自動設(shè)定免費供冷板換（HX-1）二次側(cè)出口溫度為10℃（可調(diào)），待相應(yīng)電動閥門開關(guān)狀態(tài)切換完成后，啟動冷卻塔風機，同時啟動1臺冷水一次泵和1臺冷卻水泵。

停止順序：停止冷卻塔免費供冷，根據(jù)冷卻水溫度自動判斷調(diào)整冷卻塔運行臺數(shù)，延時1min后停止冷卻水泵；延時2min后停止冷水泵。

3.2.3.2 冷卻水控制

冷卻水溫度設(shè)定值一般不低于10℃（可調(diào)），必要時打開冷卻水旁通調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。當冷卻水旁通調(diào)節(jié)閥控制關(guān)到位時，用冷卻塔風機運行的高、低速檔和關(guān)閉風機運行數(shù)量來控制冷卻塔出水總管溫度，其控制邏輯同3.2.1.5。

3.2.3.3 HX-1板換一次側(cè)水泵變頻控制

根據(jù)板換二次側(cè)出水溫度控制板換一次側(cè)水泵變頻，當實測值＞設(shè)定值時，提高水泵頻率；反之，則降低水泵頻率。水泵最低工作頻率25Hz（可調(diào)）以上。

3.2.4 運行模式4控制策略

根據(jù)表3，該運行模式為以運行模式2的基礎(chǔ)，即設(shè)備機房的冷負荷由熱回收機組提供，部分熱負荷由熱回收機組的回收熱量滿足，且無常規(guī)冷負荷，而當熱回收機組提供的熱量不能滿足供熱負荷需求時，采用真空鍋爐作為熱源補充，因此，該運行模式的較運行模式2增加的內(nèi)容主要是：真空鍋爐的控制。

3.2.4.1 真空鍋爐啟停控制

開機順序：設(shè)定真空鍋爐出口溫度為60℃，根據(jù)計算負荷確定需要開啟的機組臺數(shù)，同時以保證各臺機組運行時間相當為原則，確定開啟鍋爐系統(tǒng)的編號；待相應(yīng)電動閥門開關(guān)切換完成后；啟動熱水一次泵（與鍋爐臺數(shù)對應(yīng)）后延時1min再啟動真空鍋爐；前一套鍋爐系統(tǒng)運行后延時至少5min后才開下一套系統(tǒng)。

關(guān)機順序：當真空鍋爐計算所需臺數(shù)小于當前運行臺數(shù)時，逐臺停真空鍋爐。

3.2.4.2 加減機控制

加機條件：實際負荷≥當前供應(yīng)熱量，且供水溫度T≤設(shè)定值-設(shè)定差。

減機條件：n臺鍋爐運行時實際負荷≤n-1臺鍋爐供熱總?cè)萘浚一厮疁囟萒≥設(shè)定值+設(shè)定差。

3.2.5 運行模式5控制策略

根據(jù)表3，該運行模式為在運行模式2的基礎(chǔ)上，當熱回收機組提供的冷量不能滿足供冷負荷需求時，采用常規(guī)冷水機組為冷源補充的一種運行情況。

因此，該運行模式的控制策略為在運行模式2的基礎(chǔ)上，加入以下內(nèi)容：常規(guī)制冷主機開關(guān)機控制、冷水一次泵控制、二次泵變頻控制、冷卻水旁通閥和冷卻塔風機控制、冷卻水泵變頻控制。

3.2.6 工藝用冷卻水系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)默認采用冷卻塔的回水作為工藝冷卻水系統(tǒng)的供水，同時監(jiān)測冷卻水的供水溫度，設(shè)定值24℃（可調(diào)）。根據(jù)板換、閥門、水泵狀態(tài)切換冷卻水系統(tǒng)控制。

（1）板式換熱器不啟用，工藝冷卻水閥門關(guān)閉，步入式溫箱冷水泵不啟用：

比較實際供水溫度和設(shè)定值，當實際供水溫度大于設(shè)定值時：若有制冷主機處于運行狀態(tài)，熱回收機組處于常規(guī)工況（通過主機運行狀態(tài)反饋），啟用板式換熱器，用冷凍水給冷卻水降溫，滿足工藝冷卻水水溫要求：

（2）板式換熱器啟用，開啟工藝冷卻水閥門，同時開啟一臺冷水泵：

若無制冷主機處于開啟狀態(tài)，或熱回收機組處于熱回收工況（通過主機運行狀態(tài)反饋），工藝冷卻水的供水溫度通過冷卻水控制維持。

（3）板式換熱器不啟用，工藝冷卻水閥門關(guān)閉，步入式溫箱冷水泵不啟用：

冷卻水溫度設(shè)定值一般不高于24℃（可調(diào)），必要時打開冷卻水旁通調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。當冷卻水旁通調(diào)節(jié)閥控制關(guān)到位時，用冷卻塔風機運行的高、低速檔和關(guān)閉風機運行數(shù)量來控制冷卻塔出水總管的溫度，控制邏輯同3.2.1.5節(jié)。

4 結(jié)語

該工程一大負荷特點，即在過渡季和冬季依然需要供冷，而在此期間若無熱負荷需求時（在夜間或非工作日），通過供冷板式熱交換器和冷卻塔及冷卻水循環(huán)泵組合成一套“免費供冷系統(tǒng)”。即當室外濕球溫度低于7℃（可根據(jù)需求調(diào)節(jié)此數(shù)值）時，此時冷卻水的供水溫度滿足IT機房供冷要求時，可采用冷卻塔免費供冷系統(tǒng)以更低的能耗實現(xiàn)供冷。如在此期間有熱負荷需求時（在工作日），系統(tǒng)優(yōu)先開啟冷凝熱回收機組，其蒸發(fā)器為需要供冷的區(qū)域提供冷水，其冷凝器為需要供熱的區(qū)域提供熱水。只有在熱回收機組不能滿足制冷負荷的時候，改由冷水機組提供冷量，如在此時供熱量不足時可增加鍋爐補充供熱。

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[2]蔣傳遐.空調(diào)定水量系統(tǒng)改為變水量系統(tǒng)的可行性研究[D].長沙：湖南大學，2000.

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