中央空調節能改造方案

一、前言
中央空調系統是現代大型建築物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約佔建築物總電能消耗的50%。由於中央空調系統都是按最大負載並增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

二、項目概況
   該建築為辦公樓，使用面積11萬平方米，半圓形、分為A、B、C三個區其中A、B兩區在南向的弧形面，C區在北面，冬夏區分別區最不利房間。
   本建築設計未變流量系統，末端有浮點閥，集分水器之間有壓差感測變送器和電動旁通閥，循環水和冷卻水管路都有電動閥門和水流開關，小冷卻塔也有電動閥。
   在控制系統設計和硬體選型中，我們考慮到操作員的方便和大容量採集數據和靈活通訊、編程方便等綜合問題選用了碩人STEC2000一體化可編程控制器，該控制器是基於實時嵌入式LINUX操作系統和32位高速CPU，高度集成控制、遠程採集、故障上傳、存儲和人機界面功能，具有強大通訊能力的多功能通用控制器。

三、控制器簡介
   STEC2000嵌入式控制器主要由兩部分組成：主控制器、彩色液晶顯示操作終端。其中主控制器在調試完畢投入運行后，禁止運行人員進行任何操作，出現故障時必須由我公司技術人員或經過我公司培訓的系統維護人員進行故障排除。換熱站或換熱機組的運行人員對STEC2000控制器的所有操作只能通過液晶顯示操作終端進行。其主要功能是對熱網各運行參數（溫度、壓力、流量等）進行實時監控及採集，並根據氣象環境和負荷的變化按預先設定的控制策略對網中的泵和調節閥進行自動調節，來實現換熱機組或熱力站的完全自動控制，同時通過VPDN、PSTN、ADSL等多種通訊方式與監控中心進行通訊。
   STEC2000控制器以嵌入式技術為基礎，採用Motorola 32位高速CPU和嵌入式實時LINUX操作系統，集現場採集、顯示操作、控制、通訊為一體，可廣泛應用於市政（熱力、自來水、煤氣等）、樓宇自動化（空調、安防等）等領域。STEC2000控制器採用模塊化體系結構，根據控制規模選配相應的I/O模塊，可以組建幾個點到上百個點的現場控制設備，主要技術性能如下：
 32位CPU，主頻66M，嵌入式實時LINUX操作系統
 8M FLASH 內存，16M 外存DOC，512K EEPROM
 一個10M乙太網介面（RJ45），支持DDN、ADSL連接
 一個嵌入式MODEM介面，可接電話線
 一個RS232/485介面，可接GPRS通訊模塊
 支持彩色液晶和鍵盤的複合介面
 8路16位解析度差分模擬量輸入模塊
 4路16位解析度模擬量輸出模塊
 12路數字量輸入模塊，含3路16位計數器輸入
 8路繼電器輸出模塊
 I/O模塊隔離電壓2500V
STEC2000控制器基本控制功能如下：
採集功能
   STEC2000控制器採集溫度、壓力、熱量等一次儀錶參數並進行壞數過濾。本控制器支持按用戶定義的方式將採集的電流電壓數據變換為相應物理量。數據掃描周期可以在0.05-2秒之間進行設定。
存儲功能
   物理量數據每隔一段時間如1分鐘（存儲時間間隔可組態設定）保存一次，掉電后不會丟失。具有不小於8M的存儲空間，可以保存長達一個採暖季的運行參數。
顯示功能
   STEC2000控制器支持一個5寸的彩色液晶屏。用戶可以其對顯示畫面和參數進行自由組態，並根據運行需要完成參數的設定。
通訊功能
   STEC2000控制器內置Socket Server, 標準串口（9針）、RJ45乙太網介面、RJ11電話介面等硬體設施。控制器支持TCP/IP、ModBus、PPP等協議，Soket連接，232/484通訊，乙太網通訊，電話撥號通訊及無線通訊連接（GSM、GPRS等）。
自檢功能
STEC2000控制器上電后，自動檢查主板、外圍設備和I/O設備是否正常，如有異常給出報警。
控制功能
   STEC2000控制器支持PID控制、邏輯控制、模糊控制等多種控制方式，可通過簡單的組態進行選擇。控制器還支持用戶以腳本語言方式進行二次開發。
控制掃描周期小於200ms（可定義掃描周期）。
故障報警
   發生報警事件時，STEC2000控制器會通過相應的通訊方式向上位機報警直至收到上位機的確認信息，報警內容包括：故障發生時間、故障內容、故障參數值（或狀態）等信息。同時會在液晶的報警信息欄顯示此故障信息，當多個報警存在時，報警信息會滾動顯示。
人機交互
用戶可以通過STEC2000控制器的鍵盤進行人機交互：選擇控制方式，設定參數值，取消報警等。
Web訪問
   STEC2000控制器內置Web Server對控制器運行狀態進行網頁發布，用戶可從任何地方通過電話線或乙太網等方式登陸瀏瀏覽網頁以了解控制器運行情況。本功能受用戶密碼保護。
遠程配置
   STEC2000控制器支持遠程配置更新和程序控制。例如，用戶可以通過電話、乙太網等方式與控制器建立連接，然後就如同本地一樣對控制器進行組態。本功能受用戶密碼保護。
靈活配置
   1個CPU主控模塊最多可以支持8個擴展模塊。用戶可以根據所要採集數據的類型自由配置I/O模塊。
完善的組態功能
   STEC2000控制器提供Windows操作平台下運行的可視化圖形組態環境以支持數據、控制程序、顯示操作、報警、通訊管理、數據存儲等各種功能的組態。
時鐘功能
STEC2000控制器內置日曆和時鐘，且不會受系統停電影響。

四、控制方案
   由於該系統中數據點多，單台控制器數據點容量不足，選用三台控制器並聯運行，分別編號為STEC2000_1、STEC2000_2、STEC2000_3。在控制網路中，通過工業乙太網直接進行通訊。STEC2000_1和STEC2000_2負責採集現場數據包括18路閥位狀態（模擬信號），通過485轉接控制器主機。並負責把採集到數據轉換成0-100%之間變化的數字物理量信號。STEC2000_3是一個控制主站，帶有彩色液晶顯示屏，液晶屏合理設計和友好人機界面給操作帶來了很大方便，用戶可通過液晶面板設定每路的控制方式、輸出上下限、製冷制熱模式、節能模式的啟用與禁止等一系列控制功能。針對本系統主要控制功能如下：
   在中央空調系統設計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統最大負荷再增加10%—20%余量作為設計係數。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環系統以及冷卻塔的能量自動控制是中央空調系統節能改造及自動控制的重要組成部分。
   在該項目中受控設備包含：空調主機4台，冷媒水循環泵4台（2用2備90KW和55KW），冷卻水循環泵4台（2用2備110KW和55KW）、熱水循環泵9台（4用5備18.5KW）。
主機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔分別並聯，開哪台主機或水泵對水系統循環無影響。
1、主機：使用季開始使用小主機，負荷增大到一定程度後用大主機，負荷最大時用一大一小兩台。一台大主機使用超過200小時后停止使用，啟動備用主機。
2、冷凍泵：平時使用一台90KW和一台55KW，最熱天使用兩台90KW。
   STEC2000控制器通過溫度感測器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內存，並計算出溫差值；然後根據冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的頻率，以控制電機轉速，調節出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內溫度高系統負荷大，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內溫度低，系統負荷小，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環速度和流量，減緩熱交換的速度以節約電能。

3、冷卻泵：平時使用一台110KW和一台55KW，最熱天使用兩台110KW。
   由於冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，加大冷卻水的循環量；溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉速，減小冷卻水的循環量，以節約電能。
4、熱水泵：共三組每組三台，平時以1+1+2的形式使用四台。
5、冷卻塔：四個塔，三大一小共7颱風機。使用其中兩台大的。
   根據冷卻水的溫度，由溫度感測器傳送信號至STEC2000控制器，由STEC2000控制器經計算后對冷卻塔風機依次開啟，以28℃為基數，溫度每上升2℃，開啟散熱風機，每下降2℃，延時5分鐘后停止風機，以達到節能效果。
6、控制流程：
開機：開啟冷水及冷卻水泵，由STEC2000控制器控制冷水及冷卻水泵的啟停，由冷水及冷卻水泵的接觸器向制冷機發出聯鎖信號，開啟制冷機，由變頻器、溫度感測器、溫度模塊組成的溫差閉環控制電路對水泵進行調速以控制工作流量，同時STEC2000控制器控制冷卻塔根據溫度感測器信號自動選擇開啟台數。
停機：關閉制冷機，冷水及冷卻水泵以及冷卻塔延時十分鐘后自動關閉。
保護：由壓力感測器控制冷水及冷卻水的缺水保護，壓力偏低時自動開啟補水泵補水。
   集中控制時需兼顧A、B、C三個區的舒適性問題，如有必須可加電動閥調節各區的供水量分配。
根據事先排定的工作及節假日時間表，定時啟停冷水機組及相關設備。完成冷卻水循環泵、冷卻水塔風機、冷凍水循環泵、電動蝶閥、冷水機組的順序連鎖啟動及冷水機組、電動蝶閥、冷水循環泵、冷卻水循環泵、冷卻塔風機的順序連鎖停機。
   夏季根據建築實際所需冷負荷，監測冷水總供回水溫度及回水流量，由冷水總供水流量和供回水溫差，計算實際負荷，自動啟停冷水機、冷凍水循環泵、冷卻水循環泵及相對應的電動蝶閥。自動計算開啟冷水機組的組數並按自動編組的結果確定各組投入和退出運行的順序。該控制形式的特點是將使用側水力工程和建築物空調負荷變化有效結合，在滿足系統投入使用數量長期處於節能工況的前提下保持使用側水力平衡。
   另外自動化群控將按照運行時間均等機制交替啟停機組，使各台機組平均運行時間相等，從而延長了機組設備的使用壽命。
   啟動冷卻塔風機時，測量冷卻水供回水溫度，以冷卻水供水溫度及冷水機的開啟台數來控制冷卻塔風機的啟停的數量。維持冷卻水供水溫度，使冷凍機能在更高效率下運行。自動化群控通過現場的控制器控制冷卻塔風機與進出水電東蝶閥之連鎖啟停，以保證達到最佳節能狀態。
根據冷卻塔出水溫度變化判斷並控制需要冷卻塔風機個數。
根據膨脹水箱的液位，自動啟停自動補水泵
   對於新風機組，測量新風溫度和送風溫度，並根據送風溫度PID調節二通水閥的開度，維持送風溫度為設定值；對於空調機組，測量新風溫度和迴風溫度，並根據迴風溫度PID調節二通水閥的開度，維持迴風溫度為設定值
   控制程序根據室外溫度在設定溫度表中查出調節頻率（溫度表可根據運行經驗自由設定），調節程序根據末端閥位自動與調節頻率進行數學運算，計算出送風調節量，送風量調節值受上限、下限、節能功能等限制，最終送風量調節值被轉換成4-20MA送到變頻設備。系統的18路調節程序都具有獨立性，末端送風閥由獨立室內溫度控制器完成，由於系統送風機具有多樣化，在調節程序設計中有單路調節式和多路疊加調節式。監測冷水總供回水壓力差，調節旁通閥門開度，保證末端水流控制能在壓差穩定情況下正常運行。在冷水機系統停止時，旁通閥自動全關