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中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

更新時間:2017-09-08      點擊次數(shù):3336

1、概述
*,中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑物*的重要設(shè)施之一,然而它也是能耗大戶,其能耗約占建筑物總能耗的60%以上。目前,進行中央空調(diào)設(shè)計時,設(shè)計單位基本按zui大負(fù)荷并留有一定余量進行設(shè)計,而實際上,一年中系統(tǒng)滿負(fù)荷運行的時間zui多只有十幾天,甚至十幾個小時,絕大部分時間負(fù)載率都在70% 以下。傳統(tǒng)運行模式下的中央空調(diào)系統(tǒng),雖然冷凍主機的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負(fù)載,但是與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵等設(shè)備卻不能自動調(diào)節(jié)負(fù)載,幾乎長期在100%負(fù)載下運行,造成了能量的極大浪費。
由以上分析可知,中央空調(diào)系統(tǒng)還有巨大的節(jié)能空間,急需采用先進的監(jiān)控系統(tǒng)及控制策略對中央空調(diào)系統(tǒng)進行監(jiān)控,開展能耗數(shù)據(jù)分析,減少不必要的能量消耗,以達到節(jié)能的目的。
2、中央空調(diào)工藝流程分析及主要節(jié)能措施
中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程是一個不斷進行能量轉(zhuǎn)換以及熱交換的過程。其理想運行狀態(tài)是: 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中,在冷凍泵的作用下冷凍水流經(jīng)冷凍主機,在蒸發(fā)器進行熱交換,被吸熱降溫后( 7℃)被送到終端盤管風(fēng)機或空調(diào)風(fēng)機,經(jīng)表冷器吸收空調(diào)室內(nèi)空氣的熱量升溫后( 12℃) ,再由冷凍泵送到主機蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中,在冷卻泵的作用下冷卻水流經(jīng)冷凍機,在冷凝器吸熱升溫后( 37℃) 被送到冷卻塔,經(jīng)風(fēng)扇散熱后( 32℃) 再由冷卻泵送到主機,形成循環(huán)。在這個過程里,冷凍泵、冷卻泵得到動能,冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體,不停地循環(huán)在各自的管道系統(tǒng)里,不斷地將室內(nèi)的熱量經(jīng)冷凍機的作用,由冷卻塔排出。其工藝結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖中央空調(diào)的節(jié)能措施主要有:
1)建筑節(jié)能: 主要是合理設(shè)計窗,采用環(huán)保節(jié)能型建筑材料等。
2)制冷主機的節(jié)能運行: 主機能耗占總能耗60%以上,因此主機的節(jié)能運行是整個系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計時,設(shè)計人員應(yīng)對建筑不同場所的空調(diào)負(fù)荷及運行模式進行詳細(xì)的調(diào)查分析,合理確定空調(diào)主機的功率、數(shù)量及相關(guān)參數(shù)。在運行過程中應(yīng)該根據(jù)空調(diào)負(fù)荷合理確定空調(diào)主機啟動臺數(shù),使空調(diào)主機在其*的特性曲線范圍內(nèi)運行,以提高主機效率,達到節(jié)能的目的。
3)水泵的節(jié)能運行: 水泵能耗約占總能耗的10%~30%,主要節(jié)能措施為合理確定水泵的功率和數(shù)量,提高水泵運行效率,應(yīng)采用變頻方式調(diào)節(jié)水量,盡量避免采用閥門調(diào)節(jié)水量。
4)冷卻塔節(jié)能運行: 合理設(shè)計,可采用變頻調(diào)節(jié)。
5)先進的智能控制技術(shù)及的運行管理: 采用先進的控制策略,動態(tài)調(diào)整主機及水泵的運行模式。加強對空調(diào)操作人員的培訓(xùn),定期對設(shè)備和系統(tǒng)進行維護,以保證機組的正常運行和設(shè)備的使用效率。
3、監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及其實現(xiàn)
中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)是一套集工藝設(shè)備、自動化控制和資源管理于一體的系統(tǒng),它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)機組的*運行控制,而且還能夠?qū)崿F(xiàn)機組的工作狀態(tài)監(jiān)控、能耗分析、報表打印、運行模式自動尋優(yōu)等功能。該系統(tǒng)能方便管理人員及時了解空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)及能耗趨勢,為降低運行成本和維護成本提供強有力的技術(shù)依據(jù),保障系統(tǒng)的可靠性和安全性。
監(jiān)控系統(tǒng)采用層次化的三級控制方式,即管理級、過程控制級、設(shè)備控制級。各級功能劃分明確,可以相互獨立運行,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。
管理級和過程控制級與樓宇自動化系統(tǒng)共用,由設(shè)備控制級對其開放數(shù)據(jù)接口( OPC 或TCP /IP 等) ,其任務(wù)主要是實現(xiàn)計劃管理和運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,包括空調(diào)系統(tǒng)(年度) 運行成本和維護成本報表,能耗分項分時報表,運行管理模式設(shè)定等。此部分可以根據(jù)投資和管理模式靈活確定為實施或預(yù)留接口。
設(shè)備控制級為中央空調(diào)機組設(shè)備監(jiān)控層,主要完成空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場儀表設(shè)備以及電氣設(shè)備的控制,包括各種溫度、流量、壓力的自動化控制,空調(diào)主機及水泵等的自動尋優(yōu)控制等,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3設(shè)備控制級監(jiān)控示意圖
由圖3可知,設(shè)備控制級是中央空調(diào)系統(tǒng)的核心層,以PLC系統(tǒng)作為中央空調(diào)系統(tǒng)的主控制器,完成空調(diào)系統(tǒng)運行所需的工藝參數(shù)采集,并對數(shù)據(jù)進行處理,通過一定的控制算法計算出優(yōu)化后的控制量,驅(qū)動相應(yīng)的水泵和控制閥,使系統(tǒng)處于*工作狀態(tài),以提高系統(tǒng)效率,達到節(jié)能的目的。
該系統(tǒng)采用模塊化集成設(shè)計,具有如下核心功能:
1)組態(tài)功能: 系統(tǒng)硬件及控制軟件均能根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備(冷熱源主機、冷凍泵、閥門等) 的配置,以組態(tài)方式靈活添加或修改受控設(shè)備對象,并設(shè)置其屬性,有*的通用性和可擴展性。
2)節(jié)能控制: 采用變頻技術(shù)實現(xiàn)冷凍水(熱水)和冷卻水變流量運行控制,使系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟運行狀態(tài); 通過對冷凍水(熱水) 各個環(huán)路負(fù)荷的實時檢測,動態(tài)分配和控制各個環(huán)路的冷凍水(熱水) 流量,使各個環(huán)路實現(xiàn)冷(熱) 量供需平衡和空調(diào)效果均衡。
3)工作模式: 供冷、供熱和通風(fēng)模式既可以獨立工作,也可以同時工作,可實現(xiàn)不同中央空調(diào)系統(tǒng)使用的需求。
4)控制模式: 手動模式(包括就地手動和遠程HMI手動) 和自動模式。在自動控制模式下設(shè)有三種模式可供選擇。
(1) 時序控制,監(jiān)控系統(tǒng)按照用戶預(yù)設(shè)的時間表對設(shè)備進行啟??刂坪蛢?yōu)化運行模式。
(2) 主機聯(lián)動,監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷完成水系統(tǒng)設(shè)備與冷熱源主機的聯(lián)動控制和優(yōu)化運行,此模式自動連鎖控制冷凍泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機和閥門等設(shè)備。
(3) 主機群控,在多臺空調(diào)主機和水泵并聯(lián)運行的系統(tǒng)中,監(jiān)控系統(tǒng)除實現(xiàn)主機聯(lián)動模式的功能外,還會根據(jù)空調(diào)負(fù)荷自動實現(xiàn)主機、水泵運行臺數(shù)的優(yōu)化控制,使主機、水泵在率狀態(tài)下運行。
5)HMI(人機監(jiān)控畫面) 在Windows 系統(tǒng)電腦上運行,實時監(jiān)控系統(tǒng)運行的各種參數(shù),包括冷凍(卻) 水溫度、流量、壓力; 主機及水泵的運行、停止、故障等信號; 實現(xiàn)遠程手動及自動控制的參數(shù)設(shè)定和控制操作。
6)計量及能耗統(tǒng)計: 實現(xiàn)各機組的用電量分項計量,供熱量、供冷量、補水量等計量,可在HMI操作界面上打印分時段和實時能耗分析報表(曲線) ,各種參數(shù)的歷史趨勢曲線。
7)故障報警及連鎖: 系統(tǒng)可以實現(xiàn)操作連鎖(防止誤操作) ,輕故障聲光報警,重故障連鎖停機,并對故障信息進行記錄; 同時也能實現(xiàn)操作記錄的存檔。
文中所述PLC 系統(tǒng)既可以選用空調(diào)的PLC( 廠家集成了部分控制算法、控制接口等,如Excel800 控制器) ,也可以選用通用PLC( 如西門子公司S7-200 /300 等) 。
為增加系統(tǒng)的靈活性,以選用通用PLC( 西門子公司S7-300) 為例,設(shè)計時首先要分析控制系統(tǒng)的功能需求,包括系統(tǒng)規(guī)模( 數(shù)據(jù)采集、控制點數(shù)及算法的復(fù)雜性)、工藝流程、操作模式、設(shè)備平面布置等,確定PLC 的型號和輸入輸出模塊的配置。完成硬件配置后,下一步是進行軟件設(shè)計,根據(jù)操作任務(wù)書和工藝任務(wù)書,使用WinCC 軟件完成空調(diào)系統(tǒng)HMI 監(jiān)控畫
面設(shè)計,Step7 完成PLC 控制程序設(shè)計,zui后聯(lián)動調(diào)試,優(yōu)化系統(tǒng),使系統(tǒng)達到預(yù)期的設(shè)計要求。

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