江水源集中供冷供热系统的智能化控制策略初探

周爱农，张胜强

(重庆市设计院 重庆 400015)

1 前言

江水源集中供冷供热系统是以江水为低位热源，由水源热泵机组、江水换热系统、建筑物末端用户系统组成的制冷、供热系统，其利用江水能源为冷热源，为人们提供舒适的工作环境和生活环境，同时也为城市建筑群提供巨大的能源消耗找到一条有效利用清洁能源的途径。

江水源集中供冷供热系统是一个时变性的动态系统，其运行工况、供冷供热负荷受季节变化、天气变化、环境条件、供冷供热区域人流量增减等诸多因素的综合影响，是随时变化并始终处于波动之中。建筑群年最大负荷的出现时间只有几十小时，绝大部分时间系统运行在部分负荷条件下。如果系统的运行方式不能根据负荷的变化而动态调节，始终在额定容量下运行，势必导致节能效益的降低，给企业造成巨额电费支出，增加了运营成本，降低了竞争优势。

为了有效地降低系统运行能耗，实现冷（热）媒流量跟随末端负荷的变化而动态调节，降低部分负荷运行时造成的能源浪费，合理运用系统工程的方法，将现代计算机技术、负荷预测动态控制技术、系统集成技术与变频调速技术相结合，实现集中供冷供热系统的智能化控制，合理优化集中供冷供热系统的控制策略，保障系统设备在任何负荷条件下都能保持高效率（COP）运行，对系统节能降耗具有重要的作用。

2 工程概况

某江水源集中供冷供热能源站系统为城市CBD一期B区184万平方米建筑提供空调冷热源。系统采用江水源热泵系统和蓄冰空调冷热源系统组合的混合系统，制冷主机为热泵主机，蓄冰装置为外融冰蓄冷设备，冷却水系统为江水水源系统。供冷供热区域管网通过主管进行供冷供热循环，在每个CBD功能区域自身建设独立的供冷供热循环网络，该网络通过相应支管和板式换热器与能源站的循环主管进行冷热量的交换。

系统空调设计冷负荷100.9MW，由取水站（提供冷却水）、能源站（制备冷量）、空调供冷供热管网（输送冷量）及末端区域用户供冷系统（使用冷量）四个子系统组成，能源站由三台制冷/制热基载离心式水源热泵机组、两台制冷/制热/制冰三工况离心式冷水机组、四台制冷/制冰双工况离心式冷水机组及相应的水泵、外融冰蓄冰设备、热交换器构成（图1）。

江水源集中供冷供热系统由四大系统组成（图2）。系统控制策略按照需求决定响应的逻辑顺序包括：末端区域用户系统的控制策略、管网的控制策略、能源站的控制策略及取水系统的控制策略。

图2 江水源集中供冷供热系统组成

3 区域用户系统的控制策略

区域用户系统是江水源集中供冷供热系统的末端部分，区域用户供冷系统的工况流程如图3所示。

图3 区域用户供冷系统图

3.1 区域空调负荷

能源站控制中心需根据区域用户的实际空调负荷并以此为依据做出整体的负荷预测，进而确定合理的能源站运行策略。在区域空调冷冻水供水温度得到保证的前提下，空调负荷的变化体现在供水流量和冷冻水回水温度上，在区域用户入口处设置电磁流量计，供、回水温度传感器用作测量区域用户实际空调负荷用途。

3.2 区域用户系统的控制策略

区域用户板换间的控制目标参数是二次冷冻（热）水供水温度，通常板换间由区域业主自建，二次水冷冻水泵与一次水电动调节阀由就地设备自动控制系统控制，在空调负荷发生变化之后，板换间内板换一次水出口管道上的电动调节阀调整阀门开度改变一次侧的流量从而响应实际空调冷负荷，维持二次冷热水供水在设定温度，并与用户协议约定能源站回水温度要求值，保证能源的有效交换输送。

区域用户系统一次水的水压由能源站外网循环泵提供，区域用户供回水压差是能源站外网循环泵变频调节的主要依据之一，在一次供回水管道上设置压差传感器监测供回水压差。每个板换间均设一套PLC控制器，相对独立完成换热站的运行监控功能，并通过系统PROFIBUS总线与能源站大系统进行数据共享并实现联网自控运行。

3.3 区域用户能量计费

在板换间设置能量计费仪，接入PLC控制器，实现冷热能量远程数据查询和就地显示功能。数据查询功能包括瞬时热量、月用量查询和用户资料查询，在上位机上显示选定某段时间内的相关数据，方便物业计量管理。

3.4 各区域用户系统的组网

现场总线由基金会现场总线FF、CAN总 线 、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-link等多种通信协议与组网方式，通信介质一般为双绞线、光纤，针对项目情况采用Profibus DP通讯网络，通信速率1.5Mbps，为了保证控制系统的可靠性，各区域用户控制系统采用光环网组网，任一单点故障不影响控制系统的运行。

4 管网的控制策略

在整个集中供冷供热的空调管网自动控制系统中，能源站并联运行的外网循环冷冻水泵组的自动控制是最为关键的自控内容。集中供冷供热是变流量－变压头系统，在变压系统中，随着空调负荷的下降，所需冷冻水流量减小，扬程也降低，由N=ρgQH/1000式可知，其水泵功率的下降受流量Q、扬程H的影响，其功率下降程度远大于定压系统，相对于传统的变流量－定压头系统能取得更大的节能效果。

外网循环水泵的基本控制原理是先对整个冷冻水管网的各区域压差监测点的数据进行分析，通过PLC控制网络读取每个区域内设置的压差检测点的压差数据，然后将实际压差与目标压差的数据之差进行排序，找到一个当前相对最不利（差值的绝对值最大，负值优先）的压差检测点，以此最不利点的压差信号作为控制目标参数，控制的外网循环水泵变频。在满足所有用户空调需求的前提下，通过变流量－变压头的控制方法，在负荷下降的时候减少大功率的外网循环水泵远距离输送流体时需要消耗的电功率，使区域供冷的空调管网能够实现经济运行。

5 能源站的控制策略

在能源站设置控制系统中心，整个工程的控制系统采用PLC系统，由中央监控电脑、PLC主站、若干现场控制分站、打印显示设备及相应的传感器、执行器构成。采用Profibus DP通讯网络，为保证系统运行的可靠性，PLC主站采用冗余设计。

系统整体控制策略采用基于负荷预测的动态控制技术，通过各区域用户空调负荷的变化预测计算未来时刻的负荷，据此确定冷（热）水流量，在保证外网最不利用户资用压头工艺要求下变频调节外网循环泵，达到节能降耗的目的；由供冷（热）需求量经过系统最优化运行模式实现最优化启停、PID控制、时间通道、设备群控、动态图形显示、能耗统计等。

5.1 负荷预测

系统在自动控制模式运行利用负荷预测软件功能，将预测出的空调逐时负荷作为系统优化控制的依据。负荷预测的基础是实际空调负荷数据即区域能量计费系统中积累的负荷数据，随着实际运行数据的增加，实际数据不断修正预测数据，使预测数据越来越准确，越来越接近实际。

负荷预测方法：

I、采集原始数据；

Ⅱ、数据模糊处理；

Ⅲ、负荷预测

式中b表示往日影响程度的递推系数，φ表示气候的影响函数。

5.2 优化控制

优化控制的目标是在满足负荷的前提下转移更多的高峰电力到低谷时段。

优化控制根据负荷预测的结果及电价政策对当天的制冷负荷与融冰负荷进行优化分配，制定最优的运行策略，即不同工况的运行时间表、某一工况下各设备开、关状态和主要设备投入数量。当实际负荷与预测负荷出现偏差时，自动控制系统将控制各电动调节阀的动作以及主机的卸载与上载，在满足空调负荷的前提下实现优化运行。

优化控制的方法：

I、将冰量在供冷期间内进行分配，并保证满足供冷期间各时段负荷要求、主机在较高效率范围内运行、使冰全部融完。

Ⅱ、根据主机分配冷（热）量及主机高效率范围确定制冷机开启台数。

Ⅲ、根据预测供冷期间负荷确定总制冰量。

Ⅳ、根据总制冰量及制冰期间空调负荷确定夜间制冰主机开启台数，保证主机制冰在高效率下运行。

5.3 管理平台

系统控制管理平台由监控软件、优化控制软件、负荷预测软件、能源管理软件、可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统及相关服务器与操作站组成。

集成控制管理平台软件是远程监视、控制、数据处理和运行管理的中心，采用三维图形管理界面，具有通过表格、图形的趋势数据浏览、查阅一个或多个数据组合的功能，并提供详细的数据源信息。支持多级密码保护和冗余备份。

负荷预测优化控制软件输出24小时运行时间表及每小时的运行工况等基本运行数据，自动控制系统将时间表导入，在时间表的指导下运行。在自控系统得到了优化控制软件制定的控制策略之后，自控系统则根据实际空调负荷的变化自动调节融（制）冰量以及主机的卸载与加载。当预测表严重偏离实际需要时，自控系统可增加或减少开启各设备台数。

5.4 运行模式与运行工况

集中供冷供热自动控制系统需提供两种运行模式，依靠负荷预测优化控制的全自动运行模式及需要管理人员进行干预的自定义运行模式。

在系统运行初期负荷预测系统尚未积累足够的负荷数据时以及负荷预测系统出现故障时，系统按照自定义控制模式运行。

在系统运行取得相当经验的基础上，根据系统运行周期、效率、节能状况与外部环境、江水情况、气候状况、用户末端使用等诸多环节总结研究后也可采用人工干预的自定义控制模式。

在自定义运行模式下，有多种工况可供选择，包括热泵机组联合空调供冷工况、制冰与基载供冷工况、主机供冷工况、融冰供冷工况、供热工况。

5.5 运行误差的修正

由于系统无法始终保持按时间表的参数运行，以及设备启停的滞后现象，使得运行一段时间后剩余冰量与控制要求出现偏差，负荷预测软件将自动检测剩余冰量，并与已经输出的运行策略中的剩余冰量进行比较，重新分配以下供冷时段内每小时的融冰量，重新生成新的运行时间表及每个时段内的运行工况等基本信息并输出给自控系统。

5.6 可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统

根据 《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》及《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》系统应检测以下参数，并通过网络上传至相关管理部门，并满足数据采集频率与数据上传频率的要求（30分钟/次）。

监测不同类型热泵机组热源侧、用户侧进、出口水温、流量、机组输入功率。

监测系统热源侧、用户侧进、出口水温、流量、系统耗电量。

监测室外温湿度。

6 取水系统的控制策略

取水系统包括取水头部、自流引水管、取水泵房、斜管沉砂池、二级泵房、加药系统、输水管道。

取水系统控制的关键参数能源站江水排水温度与一二级取水泵的流量匹配。在能源站排水管设置温度传感器 （变送器），根据系统机组负荷确定江水需用量，确定二级取水泵开启台数及变频调速调节流量，保证排水温度在设定值，已降低水泵耗能。在清水池设置液位传感器（变送器），根据池内水位变化确定一级取水泵开启台数及变频调速调节流量，并确保一二级取水泵的流量匹配。

7 仪表的选用

7.1 控制系统的仪表选用

对于集中供冷供热自动控制系统，若被控对象的监测输入参量相对误差超过5%，控制与调节就失去了系统设计的初衷。

一般情况下，空调(自控)系统工程中水管插入式温度传感器的测量误差为±0.5℃，温度测量的相对误差1%，符合暖通空调节能技术措施规定的 “所有与节能控制有关的检测与调节仪表，其误差不应低于±1.0%”要求，但其在本系统中供回水温差的最大误差达1.0℃，对于本系统供回水温为3.5／13℃的冷水系统来说，相对误差可达10.5%，显然无法满足测量与控制的实际要求。因此本系统应选用高精度的温度传感器与变送器，变送器的测量误差一般为0.1%～0.3%，选用的温度传感器应达到测量误差为± (0．15+0．002|t|)℃（A级铂电阻），这样控制系统温度输入参量相对误差可控制在3.5%左右，即使考虑控制系统本身的控制误差，也能满足控制系统以温度为输入参量的被控对象的控制要求。

在集中供冷供热系统中常用流量采集仪表有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等，其精度范围在0.2～2%，其精度等级均能满足控制要求。因此系统通常选用电磁流量计、超声波流量计作为流量监测仪表。

7.2 计量仪表的选用

按照CJ128-2007热量表的计量准确度分级标准，热量表按相对误差限分为三级，根据本系统区域用户使用能力、流量及管径较大的特点，采用计量一级表更为恰当。一级表相对误差限由下式定义：

系统选用总体精度等级（0.5+3℃/Δθ）%的冷热型计量表，采用分体式安装，通常能够满足一级表要求。

8 结语

江水源集中供冷供热控制系统分为全自动运行模式和自定义运行模式，全自动运行模式采用基于负荷预测优化控制的控制策略。通过各区域用户空调负荷的监测，在保证区域用户压差使用要求的前提下，变频调节外网循环泵，根据预测负荷，选择确定运行工况与运行时间表，启停相关设备，保证相关设备均运行在高效率范围内，降低电力能源消耗与营运成本，提高系统营运效益。

自定义运行模式是在系统运行初期以及系统运行取得相当经验的基础上，总结研究后采用的一种人工干预的模式。

大型江水源集中供冷供热系统是一项庞大的系统工程，其运行周期、效率、节能状况与外部环境、江水情况、气候状况、用户末端使用等诸多环节有关，从国内部分项目运行的实际情况分析，达到理想状态运行的还不多，其中有多方面的原因。本文就某系统智能化控制设计实践得出一些设计经验供同行参考。

(注：本文在写作过程中得到了源牌科技有限公司的协助，在此表示感谢。)