中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔節(jié)能優(yōu)化和智能控制研究

武曉 周宇豪 王亞東

中移系統(tǒng)集成有限公司 北京 100052

1 冷卻塔的PID智能控制框架

改造以節(jié)能為目的，對(duì)于冷卻塔風(fēng)機(jī)采用PID控制和變頻技術(shù)進(jìn)行溫度控制[1]。以某品牌的多回路智能PID作為控制器，以某品牌熱電阻溫度傳感器作為溫度采集裝置，通過某品牌5.5kW變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，使用可控硅模塊和電動(dòng)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。改造前啟動(dòng)塔風(fēng)機(jī)數(shù)量和閥門開啟狀態(tài)采用的傳統(tǒng)控制且沒有變頻器。提出的控制系統(tǒng)將應(yīng)用多回路智能PID控制器、變頻器、可控硅開關(guān)、電動(dòng)閥、溫度傳感器等對(duì)冷卻塔進(jìn)行控制。

2 數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)冷卻塔基于節(jié)能改造的硬件設(shè)計(jì)

中央空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔控制系統(tǒng)的硬件由多回路智能PID控制器、溫度傳感器、水位保護(hù)、高溫保護(hù)、變頻器等組成。下面對(duì)主要器件的功能進(jìn)行介紹。

多回路智能PID是整個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)的核心硬件，對(duì)整個(gè)冷卻塔節(jié)能控制系統(tǒng)起著核心控制作用[2]。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、顯示、監(jiān)測(cè)、處理。出水溫度傳感器為PT100溫度傳感器，安裝在能夠靈敏反應(yīng)中央空調(diào)機(jī)組冷卻水溫度的地方，其作用是為多回路智能PID控制器采集水溫?cái)?shù)據(jù)。水位保護(hù)器是冷卻塔水位監(jiān)測(cè)裝置，水位過低或者過高都會(huì)反饋信息給多回路智能PID控制器。防止某些特殊情況下（如機(jī)組水流開關(guān)或者壓差開關(guān)故障）機(jī)組干燒。高溫保護(hù)是防止冷卻塔水溫過高的溫度傳感器，冷卻塔水溫過高可能引起中央空調(diào)主機(jī)踹振，嚴(yán)重情況下會(huì)使機(jī)組報(bào)廢，與出水溫度傳感器安裝在同一個(gè)地方。

主變頻器是某品牌的5.5kW變頻器。主變頻器控制一臺(tái)5.5kW的風(fēng)機(jī)，采用PID方式控制，根據(jù)水溫調(diào)節(jié)頻率。電動(dòng)閥采用某品牌DN100電動(dòng)閥，根據(jù)冷卻塔進(jìn)出水溫度的差值調(diào)整流量。可控硅模塊通過接收多回路智能PID控制器給出的信號(hào)對(duì)電動(dòng)閥門進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)在于可以將通斷時(shí)間降到1s和通斷電路沒有任何電火花。2號(hào)、3號(hào)輔助變頻器為某品牌的5.5kW變頻器，輔助變頻器啟動(dòng)條件是在主變頻器控制的風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷的情況下不能達(dá)到降溫目標(biāo)時(shí)依次啟動(dòng)，依次啟動(dòng)的溫差為1.5℃。根據(jù)數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)冷卻塔節(jié)能需求所制定的硬件選型方案如表1所示。

表1 節(jié)能控制系統(tǒng)硬件選型方案

綜上所述，數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)冷卻塔控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)通過不同器件采集各種數(shù)據(jù)傳輸給多回路智能PID控制器，多回路智能PID控制器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后發(fā)出指令給各個(gè)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)冷卻塔的節(jié)能控制。

3 中央空調(diào)冷卻塔的節(jié)能需求進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)

要使中央空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)安全、節(jié)能、高效的運(yùn)行，就必須對(duì)冷卻塔出水溫度和流量進(jìn)行有效控制，當(dāng)下用于冷卻塔控制的方式有PID控制和模糊控制兩種方式，而PID在冷卻塔控制方面是應(yīng)用最為廣泛的算法。采用PID算法對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 冷卻塔控制回路系統(tǒng)圖

從圖可以看出對(duì)節(jié)能系統(tǒng)的控制如下：利用安裝在冷卻塔進(jìn)出水管上的溫度傳感器測(cè)出進(jìn)出水溫度，根據(jù)測(cè)出的出水溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而進(jìn)行主變頻器的頻率調(diào)節(jié)和啟動(dòng)輔助變頻器，對(duì)冷卻塔散熱量進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)冷卻塔進(jìn)出水溫差進(jìn)行電動(dòng)閥門開度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)冷卻水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)定最高出水溫度保護(hù)值，保護(hù)值與高溫保護(hù)溫度傳感器測(cè)出溫度進(jìn)行對(duì)比，以達(dá)到保護(hù)中央空調(diào)主機(jī)的目的。水位保護(hù)器對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)超過最高水位或者低于最低水位時(shí)，水位保護(hù)器閉合給出信號(hào)，多回路智能PID控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)[3]。

綜合上述過程，運(yùn)用基于節(jié)能需求的數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)冷卻塔控制系統(tǒng)對(duì)冷卻塔系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程如下：在程序中提前設(shè)定冷卻塔出水溫度值和進(jìn)出水溫差值，通過各個(gè)溫度傳感器對(duì)冷卻塔系統(tǒng)的溫度進(jìn)行采集后，將采集的溫度與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，通過PID算法將處理過的信號(hào)傳輸給變頻器，通過調(diào)節(jié)頻率對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果偏差值較大則多回路智能PID控制器將根據(jù)溫差依次啟動(dòng)輔助變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，以實(shí)現(xiàn)冷卻塔節(jié)能的目的。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)的中央空調(diào)冷卻塔控制系統(tǒng)存在能耗高、效率低的問題，提出改善這一缺點(diǎn)的中央空調(diào)冷卻塔控制系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用，通過對(duì)其硬件設(shè)計(jì)、硬件選擇、軟件設(shè)計(jì)，完成了基于改善能耗高、效率低的控制系統(tǒng)，最后通過對(duì)比得出提出的控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的中央空調(diào)冷卻塔控制系統(tǒng)在保證安全運(yùn)行的情況下更加節(jié)能且節(jié)能效果明顯。