中央空调全局能效寻优控制系统在某商业项目中的应用

华 康（上海建科建筑节能技术股份有限公司，上海 200032）

随着信息化技术普及，许多建筑的中央空调系统在设计时就加入了自动化控制系统，通过变频技术结合自动控制方案，将定流量系统改造成变流量系统，使得中央空调系统的泵组运行跟随着负荷的变换做出改变，达到一定程度上的节能。

但目前许多投入运行3～5 a 的建筑，在实际管理过程中往往因为自动控制模式运行效果不理想或能耗效率低下等原因，放弃自动化控制模式转而采用人工控制。另一方面，目前的主流控制技术一般只针对单个环节（例：流量与温差）进行优化控制，而无法让整套中央空调系统在最佳状态下运行。所以，应对系统进行全局的优化控制。这就不单只考虑某一台冷水机组或者某一台水泵，而是要对中央空调系统的各个环节进行统筹考虑。

本文将介绍一种对空调系统开展全局能效寻优控制的自控系统。本系统将提升整套空调系统的运行效率，显著提升节能效果；同时以某商业项目为例，通过在既有的中央空调系统中增加必要的传感器、执行器和控制柜，实现全局能效寻优控制系统的应用，并对实际节能效果进行对比分析。

1 中央空调全局能效寻优控制系统的介绍

中央空调全局能效寻优控制系统（简称寻优系统）由 4 个部分组成：（1）能源站监测设备：在中央空调系统的能源站内安装大量的监测设备，以实时监测能源站运行的重要指标，主要包括（不限于）：冷冻水流量与供回水温度、冷却水回水温度、冷却塔室外湿球温度、主机实时功率、输配水泵的实时功率等。（2）全楼分项计量系统：在全楼安装能源监测系统，以监测全楼能源分类与分项的消耗情况，主要包括（不限于）：电、水、气等，公共照明、电梯用电、分户用电、厨房用水、厨房用气等。如已有能源系统的楼宇则完善其能源监测的种类与点位，并实时接入其能源消耗数据。（3）全局寻优的计算软件：根据能源站监测设备和全楼分项计量系统提供的实时数据开展全局寻优计算，通过实时计算和历史数据模型分析，得出最优控制策略并实时将最优控制策略下达给执行控制系统，实现全局寻优控制。（4）执行控制系统：由分布在中央空调控制系统各节点的控制柜和控制器组成，用于执行系统的控制策略。

2 中央空调全局能效寻优控制系统的控制策略 简介

寻优系统是以能源站各主要设备的性能曲线设定建立影响因子和影响系数，并结合每个能源站自身的实际情况建立基础的数学模型。实时采集中央空调系统运行参数和全楼分项计量系统监测的楼宇综合用能数据开展多维模型数据计算，通过比较当下执行控制系统的反馈数据与历史策略执行反馈数据，分析系统全局执行策略的效果，并持续主动开展下一次的全局寻优控制策略制定。

2.1 能源站高效运行的控制策略

能源站的能效提升是寻优系统最终实现空调系统能源节省的最重要途径。寻优系统整体上遵循能源站全局能耗效率最优的基本原则。能源站的主要耗能设备为主机组、冷冻水泵组、冷却水泵组、冷却塔组。能源站的综合能耗由每个单体设备的能耗累加而成，每个单体设备的能耗又受到多种因素的影响。在项目执行中，系统首先会设定一些基础阈值，然后，根据能源站内各设备的性能参数建立各自的能耗数学模型，随之建立整个能源站的能效寻优计算的数学模型。

在运行时，控制计算机以定量时间步长测量制冷（热）负荷的实时值以及其他参数（温度、压力、室外工况、流量等），并据此进行各能耗数学模型的联合求解，从多种参数运行组合方式中找出能够满足此制冷（热）负荷的，且整个能源站总能耗最低即整体效率最高的工作状态。

2.2 能源站与末端系统的联动寻优控制策略

能源站供给的唯一目标就是满足末端系统的需求。寻优系统对于末端设备是以监测为主，辅助少量控制手段。通过采集空调末端系统和全楼分项计量系统的实时数据，开展需求分析预测，最终联动能源站实现全局寻优控制。在项目执行中，系统首先会设定一些基础限定项，用于控制空调末端系统的无效率行为。然后，寻优系统需要建立末端系统需求量的预测数学模型，分析采集的空调末端系统和全楼分项计量系统的实时数据，结合末端系统风水比和供冷量关系曲线，提取有效因子。

寻优系统将根据空调系统末端需求量的预测结果，计算最优化的供给方案，预先按 105% 需求量给末端系统供给冷（热）量，以保证末端使用的舒适性、时效性和全系统能耗的高效性。寻优系统的目标是提升能效而不是降低舒适度，不限制需求是末端侧控制的基本原则。

2.3 寻优系统的校核、采信与调整的简介

经过大量的调研工作发现，许多原建造时配置了自动化控制系统的建筑经过 3～5 a 的运行，有不少建筑开始放弃自动化控制转而实行人工管理。通过对部分系统开展测试，发现大量老系统存在监测传感器数据不准、系统采集数据误差较大等情况。系统根据不准确的数据开展计算，制定控制策略并执行，这就是大量建筑物转用人工管理的原因。

(1) 校核：寻优系统所有采集数据必须是双重及以上的采集源。常规方案：建立两套独立的硬件监测系统，且同一系统环节需选择不同的监测位置。两套硬件监测系统使用独立的通信设备，且同时读取具备通信条件的主设备内置监测数据。寻优系统将采集到 2～3 个数据进行对比，根据数据一致性规则校核数据之间的准确度，并判断出有效数据、无效数据和异常数据。

(2) 采信：寻优系统会主动计算、归纳、对比和分析异常数据的情况，并识别“伪异常数据”。将“伪异常数据”进行软件校准，并归入有效数据使用。例如：冷冻水回水温度 A 1 点为 12℃、A 2 点为 15 ℃、A 3（冷机读数）为 13 ℃，由于历史数据分析结果表明，冷冻水回水温度 A 1=A 2=A 3－1 K。此时系统可以迅速采信 A 1 点的数据，并仍然使用 A 3－1 K 开展校核，并对 A 2 识别为故障。

(3) 调整：寻优系统的最终目标是提升空调系统能耗效率，寻优系统在每次给出执行策略后会记录所有执行器设定的参数和监测设备反馈的能耗效率及末端使用情况，并将数据再次导入至系统中开展自学习计算。系统可能会提出进一步优化的执行策略，用于下次类似工况时执行。经过长时间的运行后，系统将会不停地对比分析已执行策略的效果，从而降低对现场传感器精度的绝对依赖，并实现自学习优化的策略升级。

3 案 例

3.1 项目概况

上海市某商业项目总建筑面积为 3.7 万 m2，建筑共 5 层，地上 3 层，地下 2 层。夏季空调冷负荷为 5 150 kW，冬季空调热负荷为 3 746 kW。空调系统设备情况详见表 1。

表1 上海市某商业项目空调系统设备清单

3.2 硬件系统建设

首先通过现场实地调研，准备了本项目需要加装的监测设备和执行设备，主要包括：必要的温度、压力和流量传感器等能源站监测设备，以及主要耗能设备的智能监测仪表。利用这些设备实现各类数据的实时采集，结合寻优系统的数据模型和主要设备性能模型参数，一同进行联合求解。寻优系统主要监测与执行设备情况详见表 2。

表2 寻优系统主要监测与执行设备清单

3.3 全局寻优系统的应用效果

3.3.1 寻优系统在能源站的应用效果

寻优系统根据本项目的有效因子和各因子的影响参数建立能源站能耗效率优化的数据模型，通过一段时间的运行、拟合、寻优的策略调整，对能源站实现了 3 个方便的能效提升。

(1) 冷却塔能效提升。寻优系统通过建立冷却塔能耗模型对冷却塔进行开启台数的控制。冷却塔能耗模型基于冷却塔的热湿交换原理，计算出冷却塔在不同进水温度、冷却水流量、室外湿球温度等不同工况下既能满足排热量需求，又能配合实现机房整体能效比最高的冷却塔运行台数。确定台数后系统向冷却塔风机发出启/停信号，并向冷却塔进水管上的电动截止阀发出开/关信号以实现控制。经过电耗监测数据对比，有效提升冷却塔能效 6.2%，预计全年节能量为 6 300 kWh。

(2) 冷机能效提升。通过传感器提供的运行参数，寻优系统中的冷水机组能耗模型可以精确计算出冷水机组在不同的运行工况，也就是不同冷水机组冷冻水进出水温、冷却水进出水温、冷冻水流量、冷机负荷率之下的能效 COP，从而得到各种系统工况下冷水机组的能耗。寻优系统基于优化程序的能耗计算结果执行冷水机组的台数控制、加减机策略和冷冻水供水温度的重置两项功能。冷水机组台数控制（在满足不同的冷负荷需求的前提下），以机房整体能效比最高为控制目标，在不同运行组合中寻优而确定冷水机组运行的台数，并进行加减机判断。冷冻水供回水温度的重置在不同室外干球温度条件下优化选择对应区间内的冷冻水供水温度，所选温度即能对应最低的冷冻机房整体能耗。这不仅进一步为降低机房能耗提供机会，也同时确保了不同室外条件下的除湿要求。经过电耗监测数据对比，有效提升冷机能效 9.5%，预计全年节能量为 198 500 kWh。

(3) 冷冻水泵和冷却水泵能效提升。空调负荷总是随室外气象参数以及室内负荷的变化而变化，在系统供回水温差一定的情况下，系统水流量是可变化的。由于空调负荷不断在变化，如果水泵频率不当，会造成大流量小温差现象，导致能源浪费，所以降低冷冻水泵和冷却水泵能耗的根本原则是调节运行参数使冷冻水流量和空调负荷相匹配，使冷却水流量和室外湿球温度相匹配。

寻优系统运行时根据安装在冷冻水管的输入压差信号对冷冻水泵进行变频调速。冷冻水泵压差输入信号对应的是，全局优化控制系统中的冷冻水泵能耗模型在计算了冷冻水泵不同的冷冻水流量、扬程和运行频率等运行工况下的能耗后，从不断计算的结果中找出能耗最低的最优工作点。根据该工作点以压差控制的方式来进行冷冻水泵变频调速，达到重置需求流量的目的。同样，冷却水泵的台数和运行频率控制也是基于流量优化及温度控制来执行的，以全局优化控制系统中的冷却水泵能耗模型算得的机房整体能效比最高为控制目标来运行的。经过电耗监测数据对比，有效提升水泵能效 12%，预计全年节能量为 85 700 kWh。

3.3.2 寻优系统在空调末端系统的应用效果

对末端设备的运行优化主要是通过对末端的空气处理机组和组合式新风处理机组实现实时监控，并通过对大于 11 kW 的风机实施变频、对新风机的新风量控制，利用全局的风水联动，进一步减少风侧和水侧的能耗来实现的，综合实现用能平衡，确保系统始终处于最高效率点。经过电耗监测数据对比，有效提升水泵能效 3%～5%，预计全年节能量为 9 000～15 000 kWh。

3.3.3 寻优系统全局联动预测计算的应用效果

结合全楼分项计量系统的监测数据，通过对商铺厨房用气量、厨房用水量、末端系统送风量、电梯运行、实时室外温度等数据的实时监测和历史数据模型分析，寻优系统建立了一个适用于本项目的末端需求预测模型。通过模型的计算与预测，事前制定供能策略。

结合末端需求预测模型提供的数据，寻优系统对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔能耗模型算法开展内部建模仿真计算和外部运行参数反馈修正；通过各种控制、优化措施协调中央空调各设备联合运行在一个整体能效最高的状态；在积累一定量的运行数据后还能实现预测全年商场在不同时段的冷热负荷，从而作出预判以达到进一步降低系统整体能耗的目标。

4 结 语

中央空调系统较为复杂，其非线性程度高、时滞大、耦合大，系统的性能受到很多因素的影响，欲对其进行有效地自动控制并降低能耗并不容易。对自控系统改进，通常是针对某个设备进行调整，但是整体效果不佳，因此，本文提出了中央空调全局能效寻优控制系统，以实际项目为例，对该系统的工作原理及控制策略进行了详细阐述。案例项目通过使用寻优系统初步实现了每年 30 万 KWh 电耗的节省，且对于整个中央空调系统实现了全智能化的管理，极大地降低人员投入、提升了管理效率，为现有空调自控系统的改进完善提供较好的参考价值，对中央空调系统实现全局节能有很好的样本作用。