冷源群控系統(tǒng)的節(jié)能再調(diào)試

張志強(qiáng)

(北京江森自控有限公司, 北京 100062)

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冷源群控系統(tǒng)的節(jié)能再調(diào)試

張志強(qiáng)

(北京江森自控有限公司, 北京 100062)

介紹了冷源群控節(jié)能再調(diào)試的意義,引入了冷凍站的能效指標(biāo)即機(jī)房性能系數(shù)(COP),提出了以冷機(jī)效率為原則的加減機(jī)策略,重點(diǎn)分析了冷機(jī)在不同工況下的部分負(fù)荷效率特性。提出的冷源群控系統(tǒng)節(jié)能再調(diào)試的基本步驟,對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

冷源群控系統(tǒng); 機(jī)房性能系數(shù)(COP); 部分負(fù)荷; 效率曲線

張志強(qiáng)(1982—),男,高級(jí)工程師,從事智能建筑與節(jié)能控制工作。

0 引 言

近年來,空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)試已引起越來越廣泛的關(guān)注,冷凍站作為空調(diào)系統(tǒng)的能源輸出中心,其節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果影響顯著。通常,暖通空調(diào)(Heating Ventilation Air Conditioning,HVAC)占整個(gè)建筑能耗的百分比近50%,而冷源設(shè)備又占HVAC系統(tǒng)能耗的35%左右,所以對(duì)冷源群控系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能再調(diào)試將會(huì)有比較明顯的節(jié)能效果。實(shí)際上,絕大多數(shù)建筑的冷源系統(tǒng)都長時(shí)間工作在部分負(fù)荷工況下,可采取優(yōu)化控制策略，增加必要的變頻設(shè)備,提高制冷制熱系統(tǒng)的能效,不但能緩解空調(diào)用電的壓力,也可帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-2]。

1 衡量冷站效率的指標(biāo)

機(jī)房性能系數(shù)(Coefficient of Performance,COP)是一個(gè)綜合性能指標(biāo),是冷站系統(tǒng)的輸出的冷量與其用電量的比值,因此可以客觀地反映系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行的能效水平。

機(jī)房COP能夠達(dá)到5.0～7.0,屬于非常優(yōu)秀的節(jié)能運(yùn)行水平,只有對(duì)冷凍站的整個(gè)生命周期(包括設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行管理)考慮最大程度的節(jié)能方法和策略才能達(dá)到。目前,絕大多數(shù)機(jī)房COP為2.9～3.5。因此,在常規(guī)的冷站系統(tǒng)上進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化再調(diào)試工作很有必要,有很大的節(jié)能潛力[3-5]。

2 節(jié)能再調(diào)試應(yīng)考慮的重點(diǎn)和原則

(1) 需測(cè)量數(shù)據(jù)。真正的節(jié)能調(diào)試需要準(zhǔn)確的能耗實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù),如果沒有每個(gè)設(shè)備的準(zhǔn)確能耗數(shù)據(jù),就不可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的能耗,也很難將系統(tǒng)保持在高效運(yùn)行狀態(tài)。

(2) 除了單體設(shè)備的節(jié)能,更應(yīng)考慮系統(tǒng)性能優(yōu)化。冷凍站的主要耗能設(shè)備是冷機(jī)、水泵及冷卻塔,在設(shè)備選型時(shí)傾向于選擇高效節(jié)能的設(shè)備,如變頻設(shè)備、高效冷卻塔。所有高效性能的設(shè)備放在一起運(yùn)行時(shí),并不一定能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)高效節(jié)能的效果。原因主要有以下兩方面:① 整個(gè)行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展,設(shè)備廠商都已經(jīng)將各自生產(chǎn)的設(shè)備趨近于效率最優(yōu)的理論極限,單個(gè)設(shè)備將很難再有大幅的效率提升;② 傳統(tǒng)控制方式把冷凍站視為系列單體設(shè)備的組合,一般只考慮邏輯上的啟停順序,導(dǎo)致設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況無法達(dá)到其最佳狀態(tài),體現(xiàn)不出應(yīng)有的節(jié)能效果。

基于以上原因,應(yīng)從系統(tǒng)、整體的角度來設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)房群控系統(tǒng),特別要考慮冷機(jī)的部分負(fù)荷特性、建筑能耗的使用特點(diǎn)等,以達(dá)到持續(xù)、高效的節(jié)能效果。

(3) 節(jié)能再調(diào)試應(yīng)是自動(dòng)、動(dòng)態(tài)、持續(xù)性的過程,以達(dá)到效率最優(yōu)化。如果冷站的運(yùn)行控制并沒有考慮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),則效率最優(yōu)化值得商榷。

良好的節(jié)能再調(diào)試方案將持續(xù)驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行條件和制冷需求,并實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行工況,以保證最優(yōu)效率。

3 冷源群控系統(tǒng)的節(jié)能再調(diào)試步驟

3.1 收集數(shù)據(jù)

在現(xiàn)場(chǎng)查看之前,建議首先收集以下數(shù)據(jù)。

(1) 機(jī)電圖紙。可以通過查閱最新版的機(jī)電圖紙來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的準(zhǔn)確性。

(2) BA系統(tǒng)的趨勢(shì)數(shù)據(jù)。趨勢(shì)數(shù)據(jù)最好是以固定的采樣時(shí)間間隔,每隔15 min、30 min或60 min采集一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),并且至少有連續(xù)4周的夏季數(shù)據(jù)和連續(xù)4周的冬季數(shù)據(jù),以便于分析和捕捉負(fù)荷變化情況和天氣條件。最好能有全年的歷史數(shù)據(jù),建議采集以下檢測(cè)數(shù)據(jù)及其趨勢(shì)數(shù)據(jù)來計(jì)算能耗及節(jié)能量:冷凍水供回水溫度,冷卻水供回水溫度,所有已安裝流量計(jì)的冷凍水流量,總的實(shí)際冷負(fù)荷,室外溫/濕度,冷機(jī)、水泵、冷卻塔的運(yùn)行狀態(tài),水泵、冷卻塔的變頻數(shù)據(jù)(如適用),冷站的總用電量、每月的分時(shí)負(fù)荷表,冷站的分時(shí)能耗。

如果無法得到以上歷史數(shù)據(jù),就需要通過現(xiàn)場(chǎng)勘查的方式去收集數(shù)據(jù),查看現(xiàn)場(chǎng)儀表及溫度計(jì)、流量計(jì),向冷站操作人員了解日常操作習(xí)慣及存在問題。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)查看系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集是非常必要的,這對(duì)后續(xù)分析系統(tǒng)運(yùn)行情況、性能以及工作范圍安排都有幫助?，F(xiàn)場(chǎng)查看的主要內(nèi)容:收集銘牌數(shù)據(jù),復(fù)核機(jī)電圖紙,復(fù)核控制系統(tǒng)和目前運(yùn)行情況,向物業(yè)操作人員了解系統(tǒng),采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),復(fù)核趨勢(shì)數(shù)據(jù)。

一般現(xiàn)場(chǎng)查看需要1～2 d,視項(xiàng)目規(guī)模大小,也有可能需要1周的時(shí)間,主要看系統(tǒng)的復(fù)雜度及圖紙的完備性。

3.3 分析運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過專家分析及技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用高級(jí)建模技術(shù)來分析收集到的數(shù)據(jù)。這個(gè)過程一般需要1～2周完成,可以利用綜合的數(shù)據(jù)表單以及對(duì)比實(shí)際的能耗數(shù)據(jù)來完成冷站的建模,并進(jìn)一步預(yù)測(cè)節(jié)能情況。

分析或評(píng)估系統(tǒng)效率時(shí),需參考以下原則。

(1) 盡量使系統(tǒng)運(yùn)行在設(shè)計(jì)冷凍水溫度。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷凍水溫度為9 ℃時(shí),如果日常運(yùn)行在7 ℃,會(huì)減小節(jié)能空間。

(2) 不要給冷機(jī)過大或過小的流量。因?yàn)檫^大的流量會(huì)降低水泵的效率,而過小的流量將降低冷機(jī)的效率。

(3) 利用周圍環(huán)境。改善冷卻塔安裝位置的環(huán)境,達(dá)到更低的冷卻水溫度,使機(jī)組的運(yùn)行效率更高。

3.4 確定節(jié)能再調(diào)試方案及控制策略

數(shù)據(jù)分析完成后,可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況提供基于能耗、成本節(jié)約預(yù)估的數(shù)據(jù)報(bào)告以及部分機(jī)電設(shè)備升級(jí)改造建議,為后續(xù)冷凍站群控的設(shè)計(jì)和策略分析提供最基礎(chǔ)的信息。

一般根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況,可通過以下方式改善目前系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷。

(1) 升級(jí)系統(tǒng)配置。

(2) 視實(shí)際情況給冷機(jī)、水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)增加變頻器。

(3) 增加自動(dòng)化手段,避免人工操作。

(4) 重新評(píng)估和改進(jìn)運(yùn)行策略。

(5) 替換使用年限過長,接近使用壽命的設(shè)備。

由于冷機(jī)能耗占整個(gè)冷凍站能耗的60%左右,因此重點(diǎn)討論節(jié)能再調(diào)試方案中冷機(jī)臺(tái)數(shù)的控制策略。加減機(jī)策略從冷機(jī)效率的角度出發(fā),結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行工況,配合相應(yīng)的水泵和冷塔控制,可以最大程度地發(fā)揮冷機(jī)的效率,有效提高冷凍站的機(jī)房COP。

機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇需滿足末端冷負(fù)荷的需求,可以根據(jù)冷凍水供、回水溫差和流量計(jì)算來確定。

在滿足當(dāng)前需求冷負(fù)荷的條件下,選擇最優(yōu)效率的組合。效率可基于機(jī)組的容量、COP、運(yùn)行時(shí)間、啟停次數(shù)等進(jìn)行綜合判斷。

在DDC程序中對(duì)各個(gè)設(shè)備的效率曲線進(jìn)行建模時(shí),可以對(duì)效率曲線做近似處理,以避免過度加重DDC處理負(fù)荷。

3.4.1 冷機(jī)效率曲線

(1) 定頻冷機(jī)。常規(guī)定頻冷機(jī)的效率曲線如圖1所示,其中實(shí)線表示實(shí)際冷機(jī)效率曲線,虛線表示DDC程序中近似的冷機(jī)效率曲線(梯形)。

圖1 常規(guī)冷機(jī)的效率曲線

(2) 變頻冷機(jī)。變頻冷機(jī)的效率曲線如圖2所示。

圖2 變頻冷機(jī)的效率曲線

群控程序選擇機(jī)組的基本原則是盡量使冷機(jī)或冷機(jī)的組合運(yùn)行在最高的效率段(水平線)。

由圖1、圖2可知,變頻冷機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)具有更高的效率,而定頻冷機(jī)在高負(fù)荷時(shí)效率更高。

3.4.2 冷機(jī)效率曲線的偏移特性

冷機(jī)的額定制冷量是基于設(shè)計(jì)的冷機(jī)冷卻水進(jìn)水溫度和冷凍水出水溫度來確定的,這兩者的差值一般稱為壓頭值。冷機(jī)效率曲線的偏移如圖3所示。

圖3 冷機(jī)效率曲線的偏移

由圖3可見,隨著冷機(jī)壓頭值的不同,冷機(jī)的特性曲線會(huì)發(fā)生偏移,最高負(fù)荷段會(huì)向左上方向偏移,影響冷機(jī)的制冷量輸出。因此,在考慮進(jìn)行加減機(jī)策略判斷時(shí)也需考慮冷機(jī)的這一特性。

3.4.3 冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的控制策略

與機(jī)組加減機(jī)策略類似,對(duì)于水泵、冷卻塔等設(shè)備,也可以在DDC內(nèi)建立效率曲線,然后依據(jù)冷機(jī)的需求流量選擇最優(yōu)的效率組合。

3.5 復(fù)核結(jié)論并實(shí)施

與客戶針對(duì)報(bào)告結(jié)論安排會(huì)議討論,并進(jìn)一步討論技術(shù)細(xì)節(jié)和冷站控制策略,整理形成最終的項(xiàng)目方案,并實(shí)施。

3.6 項(xiàng)目的日常維護(hù)與驗(yàn)證

為保持冷凍站的高效持續(xù)運(yùn)行,其維護(hù)工作需要有預(yù)見性,具備在問題出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。因此,對(duì)于調(diào)試維護(hù)人員,為了確保冷凍站整個(gè)生命周期的高效運(yùn)行,在調(diào)試和維護(hù)過程中需不斷測(cè)量和驗(yàn)證對(duì)比冷凍站的各項(xiàng)實(shí)時(shí)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù),做出合適的調(diào)整和優(yōu)化。

4 結(jié) 語

BA系統(tǒng)對(duì)于冷凍站群控的作用已不僅是順序啟停設(shè)備,以達(dá)到設(shè)定點(diǎn)需求。冷凍站的節(jié)能再調(diào)試也不單是某個(gè)算法、某個(gè)高效設(shè)備的應(yīng)用,其實(shí)這是一個(gè)過程,需要在不斷的調(diào)試運(yùn)行中尋找系統(tǒng)的最優(yōu)工作效率點(diǎn)。

[1] 龍惟定,程大章.智能化大樓的建筑設(shè)備[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 賈晶,楊涌泉,李元旦.冷凍機(jī)的制冷效率與運(yùn)行電費(fèi).全國暖通空調(diào)制冷2004年學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2004.

[3] 楊通清,程大章.基于冷水機(jī)組優(yōu)化控制的節(jié)能控制策略[J].低壓電器,2008(2):37-41.

[4] 施靈.多臺(tái)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制[J].暖通空調(diào),2005,35(5):79-81.

[5] 安秋香,霍小平.BAS系統(tǒng)中冷水機(jī)組群控策略[J].城市建筑智能系統(tǒng),2003(4):31-34.

Re-Commission of Chiller Plant Automation System

ZHANG Zhiqiang

(Beijing Johnson Controls Co., Ltd., Beijing 100062, China)

The re-commission significance of chiller plant automation system was analyzed.The plant coefficient of performance(COP) that is an energy efficiency index,was introduced.The addition and subtraction strategy based on chiller efficiency was proposed.The partial load characteristics of chiller were deeply analyzed in different conditions.The basic steps of energy-saving re-commission of chiller plant automation system were given.

chiller plant automation system; plant coefficient of performance(COP); part load; efficiency curve

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0048-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.011

2016-07-01