智能換熱系統(tǒng)在樓宇自控中的應(yīng)用

中建八局西北公司 西安 710075

1 智能換熱系統(tǒng)介紹[1,2]

隨著信息化進(jìn)程的深入，全球每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量以50%的規(guī)模遞增，極大地帶動了全球數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展，我國整體規(guī)模也有較大發(fā)展，2012年，我國數(shù)據(jù)中心增長已經(jīng)達(dá)到23.2%。龐大的電費(fèi)成為眾多新建或傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨的巨大挑戰(zhàn)，越來越多的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營者將節(jié)能作為未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的最重要因素之一。經(jīng)過長期調(diào)研，中國電信選擇在內(nèi)蒙古建設(shè)云基地。其中，自然環(huán)境條件是個(gè)重要因素，呼和浩特全年氣溫10 °C以下的天數(shù)逾200 d，有利于高能耗和高發(fā)熱量的云計(jì)算中心建設(shè)，結(jié)合自然風(fēng)冷、封閉循環(huán)等綠色低碳技術(shù)，充分體現(xiàn)了綠色環(huán)保、節(jié)能減排、技術(shù)創(chuàng)新的云數(shù)據(jù)中心建設(shè)理念。

中國電信云計(jì)算內(nèi)蒙古信息園數(shù)據(jù)中心，有一套先進(jìn)的空調(diào)系統(tǒng)，但為了確保空調(diào)系統(tǒng)可靠平穩(wěn)的運(yùn)行，必須建立一套完善的控制系統(tǒng)。本工程建立完善的控制系統(tǒng)以應(yīng)對當(dāng)室外氣象條件變化時(shí)，系統(tǒng)能自動完成電制冷與風(fēng)道智能換熱（為主）運(yùn)行情形的組合和切換及這2 種模式所包含的空調(diào)設(shè)備之間的連鎖控制。

本次控制系統(tǒng)采用2 層網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)；頂層為管理層，使用TCP/ IP協(xié)議，用于連接系統(tǒng)服務(wù)器、工作站及第三方系統(tǒng)。第2層為控制設(shè)備互聯(lián)層，采用BACnet或LonWorks通訊協(xié)議，用于連接控制設(shè)備（DDC及I/O模塊或網(wǎng)關(guān)）。樓宇自控系統(tǒng)包括冷源系統(tǒng)、EC/AC通風(fēng)系統(tǒng)，集成水冷離心式冷水機(jī)組、風(fēng)冷式冷水機(jī)組、EC風(fēng)機(jī)、機(jī)房專用空調(diào)（AC）、蓄冷罐。通訊接口如表1。

表1 通訊接口

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略[3-8]

2.1 模式介紹

每棟樓5 種模式選擇均采用室外監(jiān)測點(diǎn)（兩處一用一備）得出濕球溫度作為水系統(tǒng)參考，干球溫度作為風(fēng)系統(tǒng)參考。

2.1.1 水系統(tǒng)

采用室外監(jiān)測點(diǎn)（兩處一用一備）得出濕球溫度作為水系統(tǒng)參考。每1 臺水冷機(jī)組對應(yīng)1 臺冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器，成為1 組制冷單元。以下各模式切換溫度利用濕球溫度作為標(biāo)準(zhǔn)，冷卻塔出水溫度校準(zhǔn)為輔，可根據(jù)日后系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行最佳溫度選擇調(diào)整。

模式1：室外濕球溫度T＜2 °C時(shí)，室外的極端低溫會造成冷卻風(fēng)道的結(jié)冰（冷卻效果下降和除冰困難），此時(shí)將采用板式換熱器換熱（制冷），啟用自然冷卻，關(guān)閉電制冷。

（a）板式換熱器、冷卻塔每組開啟數(shù)由末端冷負(fù)荷決定；

（b）冷卻塔根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)變頻器，預(yù)留給用戶可修改出水溫度設(shè)定值；

（c）冷凍水泵、冷卻水泵開啟，風(fēng)冷機(jī)組、水冷機(jī)組關(guān)閉。

模式2：室外濕球溫度T≥2 °C時(shí)，隨著室外溫度升高，采用電制冷，關(guān)閉自然冷卻。

（a）板式換熱器關(guān)閉；

（b）冷卻塔根據(jù)出水溫度調(diào)節(jié)變頻器，預(yù)留給用戶可修改出水溫度設(shè)定值；

（c）冷凍水泵、冷卻水泵開啟；

（d）開啟機(jī)組運(yùn)行。

運(yùn)行冷水機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)組（A3、A5樓水冷機(jī)組3 臺輪換，1 臺備用；A4、A6樓2 臺輪換）的條件：

（a）室外濕球溫度＞10 °C且過去3 d平均溫度＞10 °C，切換模式前延時(shí)30 min。

（b）A3樓4 個(gè)制冷單元，作為備用制冷量小的1 臺冷水機(jī)組不參與輪換，當(dāng)冷負(fù)荷大于輸出時(shí)，才考慮開啟備用設(shè)備，優(yōu)先開啟冷水機(jī)組，負(fù)荷大于輸出再開啟風(fēng)冷機(jī)組進(jìn)行參與負(fù)荷計(jì)算。

（c）每組制冷單元啟停順序。啟動：電動水閥→冷卻塔風(fēng)機(jī)→冷卻水泵→冷凍水泵→冷水機(jī)組 。停止：冷水機(jī)組→冷凍水泵→冷卻水泵→冷卻塔風(fēng)機(jī)→電動水閥 。如有設(shè)備出現(xiàn)故障，程序會自動選擇另1 臺設(shè)備補(bǔ)上。

（d）冷機(jī)根據(jù)運(yùn)行時(shí)間輪換啟停。

（e）電制冷模式分為全自動（群控邏輯運(yùn)行狀態(tài)）、半自動（增加人工操作制冷單元啟停按鈕）、手動（設(shè)備可單獨(dú)強(qiáng)制啟停）。

機(jī)房溫濕度控制目標(biāo)為：冷通道溫度18～23 °C，熱通道溫度26～28 °C，相對濕度40%～70%。

2.1.2 風(fēng)系統(tǒng)

采用室外監(jiān)測點(diǎn)（兩處一用一備）得出干球溫度作為風(fēng)系統(tǒng)參考，可根據(jù)日后系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行最佳溫度選擇調(diào)整。

模式1：室外干球溫度T＜－26 °C時(shí)，考慮到風(fēng)道防凍。

①末端AC空調(diào)全部開啟，EC換熱風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉（干球溫度T≤－26 °C）；

AC空調(diào)頻率固定為100%，根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行水閥調(diào)節(jié)（由AC自帶控制邏輯完成），開啟臺數(shù)由室內(nèi)負(fù)荷而定。

模式2：室外溫度區(qū)間為：干球溫度－26 °C ≤T≤10 °C時(shí)，利用室外自然冷源，將室內(nèi)熱空氣經(jīng)室外冷卻管冷卻后回送室內(nèi)，AC機(jī)組將其加濕并接力推送至整個(gè)冷通道，來滿足室內(nèi)恒溫恒濕要求。

①末端AC空調(diào)通訊機(jī)房處全部開啟（用戶使用界面可根據(jù)實(shí)際情況強(qiáng)制關(guān)閉或開啟），電力電池室關(guān)，EC換熱風(fēng)機(jī)全部開啟；

AC空調(diào)頻率固定為100%，根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行水閥調(diào)節(jié)（由AC自帶控制邏輯完成），外側(cè)AC空調(diào)根據(jù)每個(gè)機(jī)房排風(fēng)溫度高于28 °C（可調(diào)）超過30 min階梯時(shí)間依次對應(yīng)關(guān)閉EC風(fēng)機(jī)，其對應(yīng)的區(qū)域外側(cè)AC空調(diào)開啟，直至穩(wěn)定在28 °C（可調(diào)）超過30 min后階梯時(shí)間開啟EC風(fēng)機(jī)，其對應(yīng)的區(qū)域外側(cè)AC空調(diào)關(guān)閉。

模式3：室外干球溫度T＞10 °C時(shí)，關(guān)閉風(fēng)系統(tǒng)。①末端AC空調(diào)全部開啟，EC換熱風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉；

AC空調(diào)頻率固定為100%，根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行水閥調(diào)節(jié)（由AC自帶控制邏輯完成），開啟臺數(shù)由室內(nèi)負(fù)荷而定。

2.2 電制冷邏輯

1 組制冷單元內(nèi)，包括冷水機(jī)組、冷水機(jī)組進(jìn)出水閥、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻塔進(jìn)出水閥。A3樓備用冷水機(jī)組（600RT小套冷水機(jī)組、冷水機(jī)組進(jìn)出水閥、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、冷卻塔進(jìn)出水閥），此制冷單元在風(fēng)冷機(jī)組4 臺已參與輪換的情況下，作冷負(fù)荷超過負(fù)載所需使用。

機(jī)組制冷工況下，冷水機(jī)組啟停、冷水機(jī)組進(jìn)出水閥啟停、冷凍水泵啟停、冷卻水泵啟停、冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停及風(fēng)機(jī)變頻、冷卻塔進(jìn)出水閥啟停、風(fēng)冷機(jī)組啟停、風(fēng)冷機(jī)組進(jìn)水閥、風(fēng)冷機(jī)組冷凍水變頻泵啟停及變頻控制，這些命令是由統(tǒng)籌控制器或軟件向單元控制器發(fā)出，再發(fā)向被控設(shè)備。以上命令在自動群控情況下會自行選擇發(fā)出啟停信號，樓宇自控圖形界面上也會提供出操作員根據(jù)實(shí)際情況對被控設(shè)備發(fā)出強(qiáng)制控制操作命令，或進(jìn)行制冷單元輪換操作。

2.3 自然冷卻邏輯

使用板式換熱器及冷卻塔風(fēng)機(jī)，對應(yīng)每組單元為板式換熱器、板式換熱器一次側(cè)進(jìn)出水閥、二次側(cè)進(jìn)出水閥、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻塔進(jìn)出水閥。

自然冷卻工況下，板式換熱器一次側(cè)進(jìn)出水閥啟停、二次側(cè)進(jìn)出水閥啟停、冷凍水泵啟停、冷卻水泵啟停、冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停及風(fēng)機(jī)變頻、冷卻塔進(jìn)出水閥啟停，這些命令是由統(tǒng)籌控制器或軟件向單元控制器發(fā)出，再發(fā)向被控設(shè)備。

以上命令在自動群控情況下會自行選擇發(fā)出啟停信號，樓宇自控圖形界面上也會提供出操作員根據(jù)實(shí)際情況對被控設(shè)備發(fā)出強(qiáng)制控制操作命令，或進(jìn)行冷卻單元輪換操作。

2.4 EC風(fēng)機(jī)、AC空調(diào)邏輯

每個(gè)機(jī)房內(nèi)EC風(fēng)機(jī)以固定頻率輸出，設(shè)備本身不建議頻繁更換頻率，故默認(rèn)設(shè)定輸出為60%（EC風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)不同樓層設(shè)定，具體值需要EC風(fēng)機(jī)廠家提供并根據(jù)日后運(yùn)行情況操作員可修改），另外每層每個(gè)機(jī)房既有1 個(gè)EC風(fēng)機(jī)統(tǒng)一輸出控制鍵，也可在圖形界面進(jìn)行每臺單獨(dú)輸出控制。

室外冷風(fēng)道內(nèi)部設(shè)有溫濕度監(jiān)測及風(fēng)速監(jiān)測，機(jī)房內(nèi)冷熱通道設(shè)有溫濕度監(jiān)測及室內(nèi)溫度監(jiān)測，提供AC空調(diào)啟停依據(jù)。AC空調(diào)頻率固定為100%，根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行水閥調(diào)節(jié)，外側(cè)AC空調(diào)根據(jù)每個(gè)機(jī)房排風(fēng)溫度高于28 °C（可調(diào)）超過30 min階梯時(shí)間依次對應(yīng)關(guān)閉EC風(fēng)機(jī)，其對應(yīng)的區(qū)域外側(cè)AC空調(diào)開啟，直至穩(wěn)定在28 °C（可調(diào)）超過30 min后階梯時(shí)間開啟EC風(fēng)機(jī)，其對應(yīng)的區(qū)域外側(cè)AC空調(diào)關(guān)閉。以達(dá)到機(jī)房溫度穩(wěn)定值為準(zhǔn)且保證節(jié)能需要。

增加預(yù)冷模式，室外干球溫度低于10 °C并保證不低于－26 °C，全部EC風(fēng)機(jī)開啟。

2.5 加減制冷單元時(shí)的設(shè)備順序啟停邏輯

根據(jù)冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵運(yùn)行時(shí)間，即1 組制冷單元的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為基準(zhǔn)，已累計(jì)運(yùn)行時(shí)間長者先停，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間短者先開的原則進(jìn)行，并提供給操作員重置輪換啟停順序的控制鍵。每個(gè)制冷單元內(nèi)機(jī)組、水泵、水閥均根據(jù)開啟關(guān)閉順序自動啟停。

2.6 冷卻塔變頻控制邏輯

水冷機(jī)組不運(yùn)行，即自然冷卻時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率控制在保證冷卻水出水溫度恒定10 °C。當(dāng)此單元冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz時(shí)，開啟此路冷卻水旁通閥，滿足恢復(fù)關(guān)閉條件（冷機(jī)冷卻水回水溫度是否升上來定是否關(guān)閉閥門）延時(shí)30 min關(guān)閉旁通閥。

水冷機(jī)組運(yùn)行，即電制冷時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率控制在保證冷卻水出水溫度恒定20 °C，當(dāng)≤18 °C且此單元冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz時(shí)，開啟此路冷卻水旁通閥，滿足恢復(fù)關(guān)閉條件（冷機(jī)冷卻水回水溫度是否升上來定是否關(guān)閉閥門）延時(shí)30 min關(guān)閉旁通閥。

2.7 冷凍水泵、冷卻水泵變頻控制邏輯

冷卻水泵在電制冷模式時(shí)根據(jù)供回水溫差PID調(diào)節(jié)控制變頻輸出，自然冷卻模式下全頻率運(yùn)行，當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為30 Hz，梯度減少冷卻泵頻率；

冷凍水泵變頻控制來源根據(jù)分集水器壓差PID調(diào)節(jié)控制變頻輸出，冷凍水泵設(shè)為同頻輸出。當(dāng)冷凍水泵頻率反饋低至30 Hz（此頻率設(shè)定根據(jù)電制冷模式下采集的此支路冷水機(jī)組冷凍水出水流量，保證不低于30%流量對應(yīng)的水泵最低頻率為準(zhǔn)），此時(shí)啟用旁通閥邏輯，分集水器側(cè)進(jìn)行旁通閥調(diào)節(jié)。

2.8 風(fēng)冷機(jī)組冷凍水泵變頻控制邏輯

根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)行更改設(shè)定，默認(rèn)輸出為80%，操作員可調(diào)。

2.9 緊急制冷邏輯

蓄冷罐作用條件：

模式1：工作模式，分水器至蓄冷罐管路上的閥門及水泵停用，至集水器閥門常開，蓄冷罐實(shí)現(xiàn)定壓功能；

模式2：充冷模式，當(dāng)蓄冷罐內(nèi)水溫T≥14 °C，開啟充冷管道上閥門充冷，當(dāng)蓄冷罐內(nèi)水溫T=12 °C，關(guān)閉充冷管道上閥門，至集水器閥門常開，蓄冷罐正常定壓；

模式3：放冷模式，當(dāng)市電斷電或所有制冷機(jī)組故障時(shí)，放冷泵開啟，充冷管道上閥門關(guān)閉，至集水器閥門常開，蓄冷罐實(shí)現(xiàn)放冷、定壓功能；

模式4：蓄冷罐故障，至蓄冷罐管道上所有閥門關(guān)閉，配套的空調(diào)補(bǔ)水泵停止工作，同時(shí)切換至常壓罐全自動補(bǔ)水定壓裝置工作。

放冷水閥及放冷泵可在群控情況下自動根據(jù)需要啟停，也可由操作員在樓宇自控圖形界面上強(qiáng)制操作。

蓄冷罐每隔 0.5 m有1 個(gè)溫度監(jiān)測采集，一共52 個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，可有樓宇自控圖形界面查看蓄冷罐充能狀態(tài)，以及蓄冷罐內(nèi)液位監(jiān)視。

3 結(jié)語

本工程中將樓宇自控應(yīng)用在智能換熱系統(tǒng)中，保證了該空調(diào)系統(tǒng)的可靠平穩(wěn)運(yùn)行。通過對室外和室內(nèi)溫度、濕度的嚴(yán)密監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)5 種制冷模式的平穩(wěn)切換。樓宇自控在智能換熱系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排、技術(shù)創(chuàng)新，為全社會節(jié)能減排做出了突出貢獻(xiàn)，也降低了運(yùn)營成本。