空调冷站系统优化控制方法研究

空调冷站系统优化控制方法研究

李爽

(开利空调冷冻研发管理(上海)有限公司，上海201206)

摘要：本文以提高空调冷站系统运行能效为目的，分析和总结当前冷站系统优化控制方法的难点和不足，提出基于冷站系统各设备运行特性曲线和建筑热负荷特点来动态地优化系统设定值，并以系统设定值来控制冷站相关设备的优化控制方法。以某冷站为例分析优化控制策略应用前后系统的节能量，研究结果表明：通过应用优化控制策略，冷站系统全年节省运行能耗17%，冷站系统综合能效(含冷机、冷冻泵、冷却泵和冷却塔)提高18%，冷站系统能效明显提高。

关键词：冷站系统；优化控制；设定值；系统能效；冷机

中图分类号：TU831.6

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 05-0477-04

Abstract：In order to improve the operation efficiency of chiller plant, this paper analyzes and summarizes current difficulty and shortage of chiller plant control, and proposes the method of system set points dynamic optimization based on characteristic curves of chiller plant main equipment and characteristic of building load, and main equipment of chiller plant are controlled by optimized system set points. Taking one chiller plant as example,energy saving of before and after retrofit by optimized control logic application is analyzed.The study result showed that: annual energy saving achieved 17%, and comprehensive energy efficiency (including chillers, chilled water pumps, condenser water pumps and cooling towers) increased by 18%. It can be obtained that energy efficiency of chiller plant is improved obviously by optimized control logic application.

收稿日期2015-01-21修订稿日期2015-03-16

作者简介：李爽(1981～),女，博士，工程师，研究方向为空调冷站系统优化控制。

Research on Optimized Control Method for Chiller Plant SystemLI Shuang

(Carrier Air-conditioning & Refrigeration R&D Management (Shanghai) CO.,LTD.,Shanghai 210206,China)

Key words：chiller plant system; optimized control; set point; system efficiency; chiller

0引言

随着建筑节能目标的提高，越来越多的人们开始研究建筑空调系统的节能改造方案，对于大型公共建筑，冷站系统(冷机、冷却泵、冷冻泵及冷却塔等)的运行能耗约占整个暖通空调系统运行能耗的60%[1]，因此，冷站系统的优化运行对于实现建筑节能目标起到非常重要的作用。对于既有建筑的冷站系统，仅需要增加少部分控制设备投资，或对于自控硬件设备配备较完善的冷站，无需增加费用即可通过优化控制策略的应用来优化系统运行状况，节约运行费用。对于新建建筑的冷站系统，更应在前期设计上结合项目需要考虑优化控制策略的应用，使得冷站系统从投入运行就具有较好的运行能效，避免二次改造的投入。

目前，冷站系统优化控制方法多种多样，很多设备厂家也在研发集成变频控制和优化设定点的功能，但很多控制功能在现场应用时难以合理衔接，甚至有些很好的设备优化控制功能无处应用。本文基于工程实践总结目前冷站系统优化控制存在的问题如下:

(1)冷站控制系统相关的控制参数常年不变

有数据统计，空调系统全年在50%负荷以下运行的时间超过70%[2]。长时间处于部分负荷工况，使得冷站系统具有较大的节能潜力，特别是对于应用变频设备(变频泵、变频风扇等)的冷站系统，应充分发挥耗电设备在部分负荷时的节能潜力，这就要求系统控制策略能动态地反应建筑负荷的变化规律，而不是保持相关控制参数常年不变。如不管建筑类型和供水温度要求常年保持冷冻出水温度7℃不变[3]，以及水系统末端压差设定值常年保持不变[4]。

(2)逐个优化单个设备运行能效

冷站各设备优化控制衔接不上，单体设备能效高、控制先进，但冷站系统整体没有实现较优的运行表现[5]，究其原因没有从系统层面提出高效运行的解决方案以及没有充分给予先进设备发挥能力的机会，而仅局限于设备个体的控制，使得实际运行中这个设备运行能效提高，那个设备运行能效降低， 冷站综合能效表现不佳。

(3)优化模型复杂、计算工作量过大

目前，基于冷站各设备运行特性来全局寻优[6]和模糊控制方法[7]较为先进，也受到行业人士的更多关注和推崇，但由于建筑负荷动态变化和用户需求的多样性使得全局优化计算工作量过大[8]，且计算模型有待验证，同时对自控系统配置要求更高，初投资增加，维护工作量加大。

综上所述，高效的设备不等于高效的系统，冷站系统优化控制应立足于系统高度，优化计算模型既不能太过复杂，也不能过于简化，应基于建筑负荷特性和系统设计特点合理简化优化计算方法，在保证节能效果的前提下降低系统配置要求和减少计算工作量，便于维护。

1冷站系统优化控制策略

如何使得高效设备充分发挥其能力，将冷站群控的繁琐优化控制模型逐步简化、层层解耦，从而节省了需进行复杂计算配置的相关软件和硬件资源。

首先应从系统层面出发，结合建筑负荷特性和系统设计特点确定冷站系统层面的几个重要设定点(冷水出水温度、冷却回水温度、末端用户压差)，而不同的设定点为冷站相关设备提供明确的控制方向，冷站的相关设备接受系统层面的设定值并作为自身“努力”的方向。如冷冻水出水设定值决定着冷机的负载并为冷机的加卸载提供方向，冷却水回水温度设定值为冷却塔风扇的控制指明方向，末端用户压差设定值为水泵变频控制指明方向。如确定上述系统级别设定点的变化趋势，那么冷站相关设备自身的控制方向和规律则明确。

1.1　冷冻水出水温度设定值

通过重置冷冻出水温度设定值可实现冷冻水出水温度的调节，冷冻出水温度设定值的大小决定着冷机的负载，同一建筑负荷下，设定值越高，冷机的负载减小，冷机电耗越低，如图1所示，因此，部分负荷时应合理提高冷冻出水温度设定值有利于节约冷机的运行能耗。

此外，冷冻水出水温度设定值还关系着多台冷机的加卸载控制。本文总结两种冷机特性曲线，如图2所示，冷机1的能效COP随着负载增加而增加，当多台冷机(本文以4台为例)同时运行时应尽量使得开启的冷机接近满负荷运行。如当前冷冻出水温度持续某时间段高于设定值，且当前运行冷机接近满载时，需增加1台机。对于能效随着负载率增加的冷机而言，可采用冷冻出水温度及其设定值来进行加卸载控制，如图3(a)所示。如图2所示，冷机2的能效COP最大值点处于部分负荷60%附近，与冷机1不同，对于同一建筑负荷，开启3台冷机60%负载运行，还是开启2台冷机90%运行呢？单从冷机能耗角度出发，显然，开启3台冷机60%负载的能耗要低于开启2台冷机90%负载的能耗，但还需综合考虑到多开1台冷机将增加的外围设备能耗，所以多台该种冷机的加卸载控制不宜采用冷冻出水温度来控制，如多开1台冷机节约的能耗大于其外围设备增加的能耗，可按照如图3(b)所示的方法来控制冷机的加卸载。

图1　冷冻出水温度优化对冷机COP的影响

图2　单台冷机运行特性曲线

1.2　冷却水回水温度设定值

目前，冷却水回水温度设定值的给定方法有几种，如图4所示，常年为某固定值或常年保持冷却水进出水温差恒定不变，显然该两种方法不能充分发挥冷却塔能力。应随着负荷和季节的变化来重置冷却水回水温度设定值，为冷却塔风扇变频控制指明方向。特别当处于过渡季时，适当提高冷却塔风扇转速可降低冷却水进水温度，从而降低冷机能耗，有数据表明：冷却水进水温度降低1℃，冷机能效增加2%~3%[9]。冷却水进水温度设定值的大小应结合冷却塔在不同室外气象参数条件下的性能曲线，通过特性曲线可得出某室外气象参数条件下冷却水进水温度的最优值，如图4中优化回水温度，该种方法可充分发挥冷却塔的能力。

图5分析了应用三种冷却水进水温度控制方法时冷机和冷却塔的总能耗。尽管部分负荷时提高风扇转速来降低冷却水回水温度增加了风扇能耗，但此方法带来的冷机节能效果更明显，冷机和冷却塔总体能耗最低。

图3　多台冷机加卸载运行特性曲线

图4　冷却回水温度调节

1.3　末端用户压差设定值

对于变流量水系统来说，定压差控制是目前通用的做法，即给定某恒定的压差设定值，变频泵基于该压差设定值来调节自身频率。定压差控制使得部分负荷时过多的压降浪费在调节设备上，因此，当供冷需求明显减少时，降低压差设定值可带来更多的节能量。

基于末端供冷需求实时重置压差设定值，并联的多台冷冻泵将以该设定值为方向，应用PID方法来调节自身频率。如图6所示，如S1为设计工况时管路特性曲线，S2和S3均为部分负荷时管路特性曲线，n1、n2、n3为水泵频率特性曲线，当处于部分负荷S2时，压差设定值较设计工况可降低20%，与传统的定压差控制相比，水泵频率更低，节省了浪费在调节设备上的压降，从而进一步节约水泵能耗。

图5　冷却回水温度调节与冷却塔和冷机总能耗关系

图6　水泵优化控制示意图

2案例分析

2.1　项目介绍

下文以上海地区某建筑冷站系统为例，本项目空调面积55000 m2，地下2层含洗浴、娱乐、车库及设备用房等，地上16层含酒店、办公、娱乐、多功能厅等，冷站系统的主要设备如表1所示。

表1冷站主要设备

序号设备规格数量备注1离心式冷水机2278kW(650RT),N=450kW,COP=5.14-2冷冻泵440m3/h,36m,70kW5四用一备3冷却泵550m3/h,30m,70kW5四用一备4冷却塔550m3/h,7.5×2kW5四用一备

2.2　节能量分析

本项目改造前仅冷冻泵采用定压差控制，改造过程主要应用了冷冻水出水温度优化控制、水泵变压差控制、冷却塔风扇变频控制。基于本项目全年的负荷特性曲线，并结合冷机、水泵和冷却塔的特性曲线，计算得出优化控制逻辑应用前后冷站全年的节能量，如表2所示。冷机节能量较小主要取决于冷机自身的运行能效，外围设备(冷冻泵、冷却泵和冷却塔)节能量较大。由图7所示，改造前后外围设备运行能耗所占比例明显减小，如需要进一步节能，可在此基础上提高冷机自身的运行能效，如通过冷机的变频改造，但冷机变频改造的投入费用较高，需结合具体需要和长期运行能耗来综合决定。本项目改造后，冷站全年节省运行能耗17%，冷站综合能效(kW/Ton,含冷机、冷冻泵、冷却泵和冷却塔)提高18%。

表2改造前后冷站主要设备年运行能耗

主要设备冷机/MW·h冷冻泵/MW·h冷却泵/MW·h冷却塔/MW·h总计/MW·h冷站综合能效/kW·Ton-1改造前2014.9422.9422.9181.13041.91.1改造后1966.2248.7194.7117.02526.60.9节能量2.4%41.2%54.0%35.4%16.9%18.2%

图7　控制系统节能改造前后耗电比例

参考冷站系统综合能效评价标准[10]：当系统综合能效大于1.0 kW/Ton时，冷站系统处于需要改进阶段；当系统综合能效处于0.85 kW/Ton和1.0 kW/Ton之间时，冷站系统处于合理阶段。本项目改造前系统综合能效为1.08 kW/Ton，改造后系统综合能效为0.9 kW/Ton，系统综合能效由需要改进阶段提高至合理阶段。综上所述，对于空调冷站系统，通过应用合理的优化控制逻辑可获得较大的节能量。

3结论

本文以空调冷站系统为研究对象，总结现有冷站系统控制方法的难点和不足，给出适用的解决方法。基于冷站主要能耗设备的运行曲线特性和建筑负荷特性给出冷站系统相关设定点，各能耗设备基于该设定点来优化运行。以某冷站系统为例，通过优化控制逻辑的应用，冷站系统全年节省运行能耗达17%，冷站综合能效(kW/Ton,含冷机、冷冻泵、冷却泵和冷却塔)提高18%。可见，通过优化控制逻辑的应用使得冷站系统能效明显提高，同时提升冷站设备的综合管理水平，降低运行成本，实现节能减排。如条件允许，除了优化控制逻辑应用外，还可对冷站的核心设备冷机进行变频改造，从而进一步降低冷站系统能耗。

参考文献

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