楼宇冷机站运行管理软件控制系统节能应用研究

2011-04-21上海宸新节能科技有限公司何培新

上海节能 2011年7期

上海宸新节能科技有限公司何培新

1 项目简介

本案例的甲级智能商务楼宇位于陆家嘴地区，总建筑面积约60,000m2，其中商业建筑面积约5,500m2，办公层建筑面积39,500m2。其冷机站由2台York离心式冷机、1台York螺杆式冷机、一台板式交换器、5台冷却塔、4台定速冷冻水泵、以及5台冷却水泵组成。冷机站采用两管制一次泵设计方案，阀门可以进行远程控制，但系统不能显示冷冻水、冷却水流量的数据。

冷机站采用常规BA管理系统软件，原有设备的控制信号接入York的DDC(直接数字控制器)。并以自动或手动方式远程控制各设备的运行状况。冷机站控制系统可将部分运行参数送往大楼的楼宇自动化系统(Honeywell的EBI)，进行显示。

冷机站每年的运行费用约为100万元，运行时间为5月到10月，主要在办公时间为大楼的办公建筑提供冷源。

2 项目改造的预期效果

由于该系统在原设计中已经比较精确地计算了建筑所需要的冷热量，系统的运行也已经处于满负荷工作状态，如在硬件上对设备进行节能改造，效果并不显著。经过综合考虑和评估，我们认为，在冷机站上使用霍尼韦尔（Honeywell）软件系统（以下简称“先进控制系统），可以提高冷机站的高效运行，达到节能的目的。根据目前的使用情况，现阶段暂不考虑使用水泵变频装置。但在管道上留有接口，待系统投入使用一段时间后，根据实际使用情况，再作出是否需要变频改造的评估。

通过本项目的技术改造，可以最大化地利用冷机站的现有设备；提高冷机站安全、自动、高效的运行水平；达到按用户侧的需要动态生产冷量的目的；实时收集冷机站运行数据；掌握系统设备维护信息；实现冷机站运行能耗较降低10%以上的节能目标。

3 项目实施方案

为了实现上述节能目标，冷机站在原有的常规BA软件控制系统基础上，安装了霍尼韦尔（Honeywell）先进控制系统，该系统可以根据需求侧信息，辅助计算当前运行负荷水平和趋势，采用仿真手段动态模拟冷机站各部分的工作状况和性能，并在此基础上采用动态优化技术，在兼顾各种因素的同时，生成最安全、经济的冷机站运行方案。

3.1 先进控制系统硬件设备

为完成先进控制系统的工作指令，系统安装了有关电器设备，详见表1。

3.2 冷机站设备及控制系统

根据先进控制系统的工作要求，在冷机站的工作室内安装控制柜，控制柜内设有输入输出模块以及控制器。通过输入输出模块，冷机站的冷机、水泵等所有设备的控制和测量信号都接入控制器，控制器将各种数据送往冷机站先进控制系统工作站，并接受它发出的控制指令（远程控制模式下），通过输入输出模块送往各个执行机构。冷机站的运行原理见图1。

4 冷机站配置先进控制系统

4.1 冷机站运行管理系统工作原理

冷机站运行管理软件系统由两部分组成，常规BA系统和Honeywell先进控制系统。设备的开启、关停和水温的设定等信息先输入常规BA系统，再送入Honeywell先进控制系统，系统将这些信号与有关信息进行优化整合，生成高效的运行方案。

表1 先进控制系统电器设备一览表

先进控制系统设有两个模块：应用支撑平台以及优化控制模块。前者主要负责与冷机站控制系统的双向通讯，后者主要完成动态运行优化。在运行过程中，由控制系统从各设备实时采集运行数据送往应用支撑平台，经过平台处理的数据再被送往优化控制模块，在这模块区域，运行数据被转化成性能信号和负荷数据，而优化控制模块的优化引擎以5分钟的间隔，采集和参考有关数据，生成2小时或更长时间内的优化运行方案。这些数据信号再转化成各种设备的控制命令，下传至冷机站的各硬件设备。冷机站运行管理软件系统工作原理见图2。

4.2 先进控制系统工作原理

影响冷机站工作的可变因素诸多，负荷、能源价格、蓄冷与释冷、设备性能等因素时刻影响能源的消耗。只有在未来一个时间段内充分考虑这些因素的变化，才能保证冷机站在整个时间段内总的运行效率最优、成本最低。为此，先进控制系统采用了动态优化系统技术，在动态优化系统中的优化引擎能够综合考虑各种时变因素，根据当前运行负荷及变化趋势、设备的性能、能源的价格、用户节能要求、设备维护计划、系统的蓄冷等情况进行优化，从而获得初始运行方案。动态优化系统工作原理见图3。

先进控制系统的优化能力是由优化引擎和与其相密切配合的模拟仿真系统所实现的。首先，能够求解复杂问题的优化引擎“设计”出初始运行方案（涉及2小时或更长时间段内各设备的启停和工作点），送到具有自适应能力的模拟仿真系统，处理该方案下冷机系统的运行能耗、输出功率、水系统的温度和流量变化以及末端的温度变化，然后根据计算结果“改进”初始方案，再送到仿真系统。周而复始，直至获得最佳运行方案。优化原理详见图4。

仿真系统中的模型由静态模型和动态模型组成，前者主要描述设备在各种工况条件下稳定运行时的性能，后者主要描述各种因素与水温或室温变化率间的关系。冷冻水系统和建筑物本身也具有蓄热/冷效应（当制冷开始时，冷冻水水温逐渐降低、而建筑物各处的温度则以更缓慢的速度降低），只用静态特性的模型技术是无法准确模拟和预测运行的情况，而全部采用动态模型会大大增加计算负担。采用静态为主，动态为辅的系统模型可以缓解这一矛盾。

无论是静态模型还是动态模型都是根据历史数据，采用统计方法建立的。由于主要设备（冷机、冷却塔、水泵等）的性能以及末端对制冷/热的反应特性会随着时间、环境、和维护水平的不同而发生变化，而一成不变的模型不能反映这些变化并可能导致无效或不可靠的优化结果，所以仿真系统采用自适应机制缓解这一问题。它在空闲时将最新的运行数据加入训练样本（当数据集合过大时，最旧的训练数据将被剔除）然后重新建立相关模型。这种机制加上冷机和末端本身渐进式变化为主的特性，仿真系统中包含的模型能够对供应侧和需求侧的关键数据进行较高精度的模拟仿真。图5比较了某冷机COP的实际值和模拟值间的差别。

冷机站工作在一个充满时变因素（负荷、能源价格、蓄冷与释冷、设备性能等）的环境中，只有充分考虑未来一个时间段内这些因素的变化才能保证冷机站在整个时间段内总的运行效率最优、成本最低。为此冷机站先进控制系统采用了动态优化引擎（常用的动态优化方法包括二次规划、分支定界方法等）综合考虑各种时变因素从而获得最优运行方案。下面表2从4个方面对比了动态优化技术和静态优化技术的优劣。图6介绍了两种技术的工作范围。