供冷供熱機房群控系統智慧控制研究

摘" 要：該文通過研究冷熱源智慧群控系統的設計目的、運行策略及常用設備的控制邏輯等，以冷凍站房為例，列寫機房群控系統冷水機組、冷凍/卻泵、冷卻塔設備基于“均等運行時間”下的設備控制程序，闡述冷熱源群控方案的設計思路，通過邏輯程序實現供冷供熱機房的控制功能，最終實現系統的自動化控制及節能運維收益。

關鍵詞：冷熱源智慧群控系統；控制設備；運行策略；控制邏輯；自動化控制

中圖分類號：TU83" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0125-04

Abstract： In this paper， by studying the design purpose， operation strategy and control logic of common equipment of cold and heat source smart group control system， taking the freezing station room as an example， this paper lists the equipment control programs of chillers， chillers / pumps and cooling towers in the computer room group control system based on \"equal running time\"， expounds the design idea of cold and heat source group control scheme， and realizes the control function of cooling and heating room through logic program. Finally， the automatic control of the system and the benefits of energy-saving operation and maintenance are realized.

Keywords： cold and heat source smart group control system; control equipment; operation strategy; control logic; automatic control

智能建筑作為信息時代發展的必然產物，通過在建筑物內建立一個計算機綜合網絡，使建筑的擁有者和管理者在諸如費用開支、生活舒適、商務活動和人身安全等方面得到最大利益回報，具有廣闊的發展前景。根據《2023—2028年中國樓宇智能化行業市場深分析及投資戰略研究報告》，2021年中國樓宇智能化市場產值約達為7 238.2億元，結合近幾年行業的發展趨勢，經過初步估算，2016—2021年中國樓宇智能化市場規模逐年上升，存量規模接近5 000億元而新增規模超過2 200億元。

根據冷熱源設備的運行管理，將傳統的自動控制技術與日臻成熟的物聯網、大數據、云計算和人工智能技術相結合，搭建出一套基于物聯網的供冷供熱智慧群控系統。該系統不僅可以減輕操作人員勞動強度，提高勞動效率，大幅度地提高中央空調的自動化水平，而且可以顯著降低能源消耗，具有相當大的經濟效益。

1" 設計目的

冷熱源智慧群控系統的自動控制（BAS）需要具備兩方面的職能（圖1）：一是管理的智能化，二是設備運行節能。

對于管理的智能化，主要體現在群控系統能代替常規的人工調節，自動采集記錄數據，實現友好的人機交互；在設備運行節能方面，通過特有的節能控制功能（負載限制、冷凍水溫度設置、變頻設備優化運行等），使系統能夠減少能源消耗量，降低運行成本。

為實現上述功能，冷熱源智慧管控系統多采用分布式結構、集成軟硬件的設計方式，如圖2所示。系統由一個或多個現場控制器、網絡控制器和操作站組成，硬件設備可根據現場設備點位靈活組配，以滿足項目擴展需求。采用兩級網絡，一級網絡為現場設備總線，二級網絡為IP總線，現場控制器位于一級網絡，用于監視、控制并集成多樣的空調及其他傳感設備；網絡控制器位于一二級網絡之間，用于信息交互、網絡匹配和數據傳輸，具有總線控制、輸入輸出控制功能；服務器位于二級網絡，長期儲存歷史數據，并具有易于操作的人機界面。

2" 運行策略

群控系統對冷熱源設備編制相應的群控及聯鎖，通過網絡控制器和現場控制器將整個冷熱源系統分為多個子系統，分別匯總采集現場設備信息并控制現場執行機構實現控制功能，如機組自動啟停、設備故障報警自動切換、數據記錄分析，來實現冷熱源的高效運行。

2.1" 自適應啟/停

系統自動選擇當前負荷最優化的運行方式減少設備的能耗。通過外界溫度及歷史數據分析結果，判斷并自動調節機組-水泵的運行數量，控制相應設備的啟/停。

2.2" 機組自動選擇

通過供回水溫差變化及流量，預測短時的系統負荷，并基于關鍵耗能設備不同運行工況下的效率曲線，分析單個設備效率變化對系統綜合運行能效的影響，自動選擇設備的最優組合。

2.3" 冷凍水溫度重設

機組可根據一般供冷情況，自由選擇保持冷凍水的供水溫度恒定或保持冷凍水的回水溫度恒定來自動設置冷凍水的進出水溫度。

2.4" 備用機組的自動啟動

當機組或連鎖設備不能啟動，或因鎖定某臺運行設備時，系統將自動開啟與故障設備同類運行時間最短的設備替代運行。

2.5" 故障報警

系統可辨別機組，閥門、水泵和冷卻塔等設備任一點的故障，顯示報警信息，并第一時間通知運維人員。

3" 設備控制邏輯

一般情況下，冷熱源智慧管控系統監控的常用設備主要包括：冷水機組、熱泵機組、熱交換系統、循環水系統和冷卻塔風機等，監控功能見表1。

水泵控制邏輯如下。

3.1" 水泵啟停

自動模式下，當水泵啟停命令為開、水泵無故障報警時，水泵自動選擇符合條件的水泵開啟。

任意一臺水泵出現故障時，備用水泵自動投入運行。

3.2" 水泵變頻控制

監測供回水管道壓力及進回水溫度，通過PI調節水泵頻率，加大或減少系統水流量，保證供水壓力維持在設定值范圍內。

當供回水壓差低于系統設定值時，水泵變頻趨于增大調節。

當供回水壓差高于系統設定值時，水泵變頻趨于減小。

4" 實際控制系統說明

以冷凍站房群控系統為例，智慧群控系統控制多臺冷水機組、循環泵、冷卻塔有序地啟動運行，通過執行設定的優化程序及時間參數，實現冷熱源系統的自動控制。

4.1" 控制系統介紹

4.1.1" 系統總啟停

在此冷機群控系統中，將系統啟停（C-CALL）設置為該系統的總啟停命令。

1）系統停止。將C-CALL置為OFF，機組啟動臺數（Stage）自動清零（stage=0），所有運行中的設備順序停止，系統處于停止狀態。

2）系統啟動。將C-CALL置為ON，冷機群控系統啟動，系統中Stage自動被置為1（stage=1）。系統會率先自動啟動一套累計運行時間最小的冷機設備，此后再根據建筑物內的實際負荷、冷凍水總管供回水溫度計算設備運行數量，并根據均等運行時間原則順序啟停各個設備。

4.1.2" Stage系統

該系統的功能主要用于計算Stage值。

Stage為機組運行的臺數值，主要根據建筑物內的實際負荷和冷凍水總管供回水溫度計算得出當前滿足建筑物供冷需求的最佳冷機設備數量。

1）冷負荷計算。根據冷凍水供回水溫度，回水流量計算冷負荷。

冷負荷（kW）=4.187×FL×（TR-TS）c水，

式中：FL為流量，L/s；TR為冷凍水總管回水溫度，℃；TS為冷凍水總管供水溫度，℃。

2）Stage-MAX系統。功能：計算統計當前可用設備數量。此模塊主要統計冷凍站房內冷機、冷凍/卻泵、冷卻塔設備的當前可用臺數。統計可啟用設備臺數，得出系統最大可啟用的設備套數。

4.2" 各子模塊程序說明

4.2.1" 冷水機組CH控制

1）冷機選擇CH-SEQ。根據計算Stage負荷需求，綜合考慮設備運行時間、是否故障，選擇合適設備作為開機目標。通過Sequencer模塊判斷，輸入點位包括設備啟停個數Stage、此設備是否可用Enable、CH1及CH2運行時間、系統啟停命令C-Call等。

2）機組加減機判斷Stage-UP/DN。加機標志。當下列3個條件同時成立時，加機標志位被置為ON，系統將在當前運行臺數的基礎上自動“加1”，增加一套冷機設備。①冷凍水總管供水溫度大于加機溫度設定值或建筑物實際負荷大于加機負載設定值，即建筑物需求冷量增加；②當前開啟冷機數量小于最大冷機數量，即Stagelt;Stage-MAX，尚存在可用設備；③即滿足開關機最小時間間隔。減機標志。當下列幾個條件同時成立時，減機標志位Stage-down被置為ON，系統將對Stage在當前值的基礎上自動“減1”，即減少一套冷機設備；①冷凍水總管供水溫度小于加機設定值DN-TSP并建筑物實際負荷BTU小于減機負載設定值，即建筑物需求冷量減少；②當前開始冷機數量大于1臺，即Stagegt;1；③滿足開關機最小時間間隔。

4.2.2" 冷凍泵CHWP控制

對于冷凍泵子系統的控制主要涉及冷凍泵啟動某臺的選擇、啟停的控制、水泵的變頻控制。

1）冷凍泵選擇CHWP-SEQ。根據當前設備的運行數量及系統的水泵啟停命令，綜合考慮設備運行時間、是否故障，選擇合適設備作為開機目標。通過“均等運行時間”模塊判斷，輸入點位包括Stage、冷凍泵手自動狀態（CHWP-AM）、冷凍泵運行狀態（CHWP-STA）累計、C-Call等，輸出冷凍泵啟停命令（CHWP-ENA）。

2）冷凍泵變頻控制CHWP-VFC。依據冷凍水供回水壓力差，與設定目標值進行比例-積分微分控制算法（PID）自適應控制，調整冷凍泵頻率維持供回水壓差在設定值范圍內。通過冷凍泵運行狀態（CHWP-STA）完成選擇輸出。

4.2.3" 冷卻泵CWP控制

對于冷卻泵子系統的控制主要涉及冷卻泵啟動某臺的選擇、啟停的控制、水泵的變頻控制。

1）冷卻泵選擇CWP-SEQ。與冷凍泵類似，通過“均等運行時間”模塊判斷，輸入點位包括Stage、CWP-ALM、CWP-STA累計、C-Call等，輸出冷卻泵啟停命令（CWP-ENA）。

2）冷卻泵變頻控制CWP-VFC。根據冷卻水回水溫度與設定值進行比較，控制冷卻泵頻率，以此達到溫度設定值。通過冷卻泵運行狀態（CWP-STA）完成選擇輸出。

4.2.4" 冷卻塔CT控制

1）冷卻塔選擇CT-SEQ。根據當前設備的運行數量及系統的啟停命令，綜合考慮設備運行時間、是否故障，選擇合適設備作為開機目標。通過順序模塊（Sequencer）模塊判斷，輸入點位包括Stage、CT-ALM、CT-STA累計、系統啟停命令C-Call等，輸出冷卻塔啟停命令（CT-ENA）。

2）冷卻塔啟停控制CT-C。功能：對冷卻塔風機和冷卻塔電動閥發出啟停命令。當冷水機組啟動命令為ON時，率先開啟冷卻塔蝶閥，同時檢測蝶閥狀態無誤后，冷卻塔蝶閥總狀態（CT-BV）置為ON。當冷水機組啟動命令全部置為OFF時，冷卻塔水閥延時關閉。

5" 結束語

冷熱源群控系統作為系統設備的運行指揮官，以冷熱源主機、水泵、冷卻塔、末端及附屬設備（閥門、傳感器等）等作為底層控制對象，以經濟化的群控策略、嚴密的控制邏輯，搭建涵蓋設備層、控制層、管理層的網絡框架，把主機的內部運行特性和性能參數與控制系統有機無縫地結合起來。實現供冷供熱系統的設備/系統能效一目了然，“源”“網”“荷”“儲”各環節運行狀態數據全息感知，達到系統運行狀態更優、運行成本更低、運維方式更簡便，提高項目價值達到示范效果。

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