某火车站暖通空调系统节能改造

　　【摘要】：某火车站站房通过增设中央空调集中控制系统，并对冷冻、冷却水泵进行变频控制，实现空调主机和水系统统一指挥，有机联动，使中央空调系统在不同负荷下、不同工况条件下，都能以最佳效率运行，最终达到方便管理、节能降耗的目的。
　　【关键词】：空调系统，集中控制，变频，节能改造
　　1. 引言
　　自从上世纪70年发生能源危机以后，能源和环境问题日益尖锐，城市化的飞速发展和人民生活水平的提高，建筑能耗在总能耗中所占的比例越来越大，在发达国家已达到40%，建筑能耗主要包括建筑物在采暖、通风、空调、照明、电器和热水供应等需求方面的能耗,用于暖通空调的能耗又占建筑能耗的30%～50%,在发达国家已达到65%，且在逐年上升。由此可见，建筑节能工作的重点应是暖通空调的节能。
　　根据暖通空调行业的研究成果，现有空调系统的能耗是惊人的，但如果采取相应的控制技术和节能技术，使现有空调系统节能20%-50%，是完全可能的。因此，暖通空调系统节能的意义非常重大。
　　2. 项目概况
　　该火车站位于南方某城市。本文主要介绍在原有设备基础上对该火车站站房空调进行节能改造方案。该站房设有集中式空调系统，冷源为3台额定制冷量550RT的水冷离心式制冷机，空调区域主要为候车大厅，人流量大。
　　3. 中央空调系统存在问题及解决方案
　　3.1存在问题
　　通过对火车站空调系统现场设备及运行情况的了解，该空调系统未做变频控制和集中控制，系统运行时存在以下问题：
　　1) 制冷主机因辅机设备无法及时自动调节，造成主机的能效比COP值无法始终保持在一个较高或最佳水平；
　　2) 制冷主机台数增减完全依靠操作员人工调节，受人员操作经验影响，不能实现实时负荷跟随自动调整、增减设备；
　　3) 冷冻水流量不能根据车站负荷的变化而自动调节，始终在高流量下运行，具有较大的节能空间；
　　4) 冷却水流量不能根据冷凝压力和主机负荷的变化而调节，始终在高流量下运行，具有较大的节能空间；
　　5) 暖通空调系统制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵等设备运行时无法远程控制，在设备报警、跳停时无法第一时间准确的反馈给管理人员，系统的安全性较低，控制操作方式落后。
　　3.2解决方案
　　通过以上分析，在现有的中央空调基础上增设一套由厦门立思科技有限公司自主研发的威珐能效管理控制系统及其相应配套设备，对中央空调系统进行计算机自动控制，实现智能运行、高效节能，高效管理：
　　1) 使冷冻、冷却水流量跟随系统负荷自动调节，提升系统COP；
　　2) 根据系统运行负荷和水温，实现设备群控，自动增减主机和切换主机，实现机房少人甚至无人值守，提升运行效率；
　　3) 冷冻水泵根据末端空调负荷，实时监测最不利环路，变流量调节，按需供应；
　　4) 根据运行工况实时电量最优解，根据湿球温度，主机冷凝温度实时调整，通过变流量调节，按需供应冷却水；
　　5) 通过增设冷却风机变风量智能控制箱，使冷却塔风机风量跟随室外气象参数和主机负荷自动调节设备启停；
　　6) 将制冷机房和现场空调箱工况有机结合起来，监测现场最不利环路点工况（压差和水阀开度），进而调节流量。
　　4. 节能原理说明
　　4.1节能空间来源
　　中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷，并由此确定空调主机的装机容量及其效应冷冻水泵和冷却水泵容量。实际上，中央空调系统每年只有极短时间出现最大冷负荷的情况，在绝大部分时间里都是处在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的，这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且，空调系统的各种水泵、风机等机电设备长期处在额定状态下高速运行，其机械磨损较严重，这将导致设备故障率增加和使用寿命缩短。
　　4.2节能依据
　　变频调速节能的理论依据：
　　根据水泵流量Q、压力P、转速n和功率N间的关系：
　　流量Q与转速n成正比的关系：
　　压力P与转速n2成正比的关系：
　　功率N与转速n3成正比的关系：
　　则有：
　　由上式可以看出，如果减少水泵流量（降低水泵转速），可以大幅度（成立方指数关系）降低水泵电机功率消耗，实现有效节能。
　　4.3威珐节能原理
　　立思威珐能效管理控制系统从系统工程学的理念出发，不仅对中央空调各部分进行全面控制，而且通过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一起，并在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理，实现它们之间的信息综合、资源共享，从而实现中央空调全系统的精细化管理和高效节能运行。
　　威珐能效管理控制系统的核心是人工神经网络控制器及其控制软件，该系统是根据对人脑的宏观结构功能模拟与对人脑的控制、决策行为的逻辑推理而设计的一种控制器。它采用多层神经网络对中央空调能耗进行预测，并作为专家系统的一部分，求得几组数据作为初始教导模式，经现场实际训练后形成一套快速寻优的人工神经网络控制策略。控制系统为三层神经网络模式，识别对象为冷冻水进出水温、冷却水进出水温、冷冻水系统压差、末端空调工艺参数。它能在线实时学习，自动获取知识，并能不断地提高和完善其控制性能，是近年来发展起来的新型控制技术，尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性的控制。
　　5. 项目方案
　　5.1设计方案
　　控制系统由中心管理层、全局控制层、区域控制层以及传感器/执行层4部分组成，整个体系结构是一个典型的集散控制系统。
　　1) 中心管理层负责系统的智能管理和远程操作控制等，并完成和其它控制系统的数据整合通讯；
　　2) 全局控制层负责系统节能优化算法、运行策略和能效优化管理等；
　　3) 区域控制层负责工艺参数的采集和传输，并执行全局控制层所发出的节能优化控制指令等；
　　4) 传感器/执行层负责感测暖通空调系统中各种工艺参数（如温度、压力、流量、压差、大气参数、功耗等等），并执行区域控制层指令，调节系统各相关运行参数；
　　5.2设备综合智能监控系统说明
　　1) 冷水机组智能控制系统
　　系统监测冷冻水回路供水流量、冷冻水供回水总管温度、主机冷冻水供回水温度及分集水器间的压差，根据监测到的参数计算商业中心各区域的空调负荷，对冷冻机组进行群控。监测冷水机组运行状态、故障报警、控制冷水机组启/停。机组启动后通过彩色图形显示不同的状态和报警，显示每个参数的值，调整冷冻水及冷却水流量以达到最佳的运行工况。机组的每一点都有列表汇报，趋势显示图，报警显示。当机组发生故障时，自动报警。根据程序或日程安排开关冷水机组。累积冷水机组运行时间，使每台机组运行时间基本相等，延长机组使用寿命。
　　2) 冷冻/却水智能控制系统
　　冷冻水系统：
　　冷冻水系统的供、回水总管间增设水流压力传感器；冷冻水泵供、回水总管上分别安装有水温传感器；主机冷冻水出口管上安装有水温传感器。每只水温传感器及水流压差传感器经传输导线与智能控制柜连接。
　　智能控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出负荷需用制冷量及最佳温度、温差、压差和流量值，并与检测到的实际参数作比较，根据其偏差值控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量趋于智能控制器给定的最优值。
　　当冷冻水泵控制柜起动后，智能控制器向对应变频器发出控制指令，软起动冷冻水泵[从0Hz升至设定低限频率值约10秒，冷冻水泵的低限频率由现场调试确定]，水泵起动频率升至设定低限频率后，按智能控制器输出的控制参数运行，使系统在保证末端空调用户的舒适度需求的同时，可实现最大限度的节能。
　　机组运行时，如果冷冻水出口温度、流量或供回水压差出现异常时，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。
　　系统设置压差旁通控制，保持系统流量和压力的稳定。在总供水管和总回水管上设置压力传感器，通过计算供回水之间的压差，将压差与设定值进行比较，自动调节旁通阀，使压差保持在设定的范围内。
　　冷却水系统：
　　冷却水进、出水总管上分别安装有水温传感器；在各冷水机组冷却水出水管上安装有水温传感器。每只水温传感器经传输导线与现场智能控制柜连接。
　　当电机控制柜起动后，起动完毕信号送至智能控制器，由智能控制器向对应变频器发出指令，软起动冷却水泵（从0Hz升至设定低限频率值约10秒）。冷却水泵起动后，按智能控制器输出的控制参数值，调节各冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出口温度逼近智能控制器给定的最优值，从而保证空调主机随时处于最佳热转换效率状态下运行。实现系统在最佳工况下节能运行。
　　智能控制器设定了冷却水泵的最低运行频率（设定低限频率值为略大于中央空调主机冷却水容许最低流量时对应的水泵运行频率），故确保了中央空调主机冷却水的安全运行。
　　机组运行时如果冷却水出口温度超过高限温度，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。
　　3) 冷却风机智能控制系统
　　在冷却水供回水总管上安装有水温传感器和环境温湿度传感器。每只水温传感器经传输导线与现场智能控制箱连接。
　　监测冷却塔风机运行状态、故障状态，手自动状态。在冷却水供回水管路上设置温度传感器，根据冷却水供回水温度控制冷却塔运行台数。当供水水温低于设定值时减少冷却塔运行台数，反之则增加运行台数，以降低能耗。
　　4) 系统的群控措施
　　开冷水机组流程:按时间假日程序或根据空调负荷决定开启一台冷水机组，根据每台冷水机组的运行时间选出运行时间最短的冷水机组，确认这台冷水机组的冷却水电动蝶阀和冷冻水电动蝶阀开启后，启动冷却水泵，确认冷却水泵开启后，启动冷冻水泵，确认冷冻水泵开启后，再开启冷水机组，再启动冷却风机。
　　关冷冻机流程:按时间假日程序或根据空调负荷决定关闭一台冷水机组→根据每台冷冻机的运行时间选出运行时间最长的→关闭这台冷水机组→确认关机以后，关闭冷冻水泵→确认冷冻水泵停机后→等冷冻机停机后5分钟后，停冷却水泵、冷却风机。
　　开冷却塔流程:根据冷却水入水温度，如果温度高于设定值决定开启冷却塔→根据每台冷却塔的运行时间选出运行时间最短的→开启冷却塔风机。
　　关冷却塔流程:根据冷却水入水温度，如果温度低于设定值决定关闭冷却塔→根据每台冷却塔的运行时间选出运行时间最长的→关闭冷却塔风机。
　　冷水机组台数控制：冷水机组的控制是由其自身的控制系统完成的，BA的控制其实是通过对冷热负荷的计算，根据用户端的负荷情况向其控制系统提交启停控制要求，同时监测其动作反馈，与常规意义上的控制有所区别。系统主要根据供水管的流量及集水器、分水器的温差，计算负荷，对冷水机组进行群控。
　　6. 空调系统改造后节能效果
　　6.1节能测试方法
　　该空调系统节能改造后，每月选取相邻的2天，对中央空调系统的制冷机、水泵、冷却风机，采用改造前后的两种运行方式进行节能量对比测试，测试期间，设备的运行台数、运行时间应相同，相邻2天的制冷机负荷情况大致相同。
　　传统工况耗电量：传统运行工况（运行频率为50Hz）下，系统运行24小时，记录此段时间上述设备的合计用电量Etradition。
　　节能工况耗电量：节能运行工况下，系统运行24小时，记录此期间的上述设备的合计用电量Esave。
　　空调系统节能改造后的月平均节电率：αsave=（Etradition-Esave）/Etraditionx100%
　　6.2节能效果
　　现场数据表明，该火车站进行节能改造后节能效果显著。改造前，冷水机组冷冻供回水温差仅为4.0℃，低于国家节能标准（GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》）规定的5℃；节能改造后，冷水机组供冷冻回水温差为5.5℃。表1为2011年5月底到2011年10月中旬节能量测试数据，年节电量为42.4万KWH，月平均节电率为20.2%，年电费节省29.7万元（当地电价为0.7元/KWH）。
　　表1该车站空调系统节能改造后节能效果
　　时间 电耗（KWH） 节电量（KWH） 月平均节电率%
　　2011年5月 110176 23534 21.4
　　2011年6月 330528 67525 20.4
　　2011年7月 555012 110206 19.9
　　2011年8月 560359 109853 19.6
　　2011年9月 347088 66212 19.1
　　2011年10月 215936 45367 21.0
　　6.3经济性分析
　　该工程采用一次性投资方式，由甲方（某火车站）出资一次性买断。根据现场实测数据，2011年月平均节能率为20.2%，年电费节省达29.7万元，2年后，业主就能够收回此次投资成本，投资回收周期短。
　　7. 结语
　　威珐系统投入使用前，暖通空调制冷系统管理大部分是手动模式，自动化水平不高，有时还会有意外失误。
　　引入立思威珐系统后，将专家的先进管理经验、管理模式与智能控制技术相结合，实现智能运行、高效节能，高效管理，降低管理人员的工作强度，提高管理效率；规范了中央空调系统的操作流程，杜绝人为因素所造成的管理失误，系统运行更加安全、稳定；赢得了可观的投资回报。实测数据显示，该空调系统节能改造后月平均节能率达20.2%，年电费节省达29.7万元（电价：0.7元/KWH），且能在设备投入使用2年后收回投资成本，取得了良好的节能减排效果与经济效益。
　　立思威珐能效管理系统对于改造项目和新建项目，都能实现空调系统的科学管理。
　　参考文献：
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