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(jìn)行中央空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)單位基本按zui大負(fù)荷并留有一定余量進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際上，一年中系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間zui多只有十幾天，甚至十幾個(gè)小時(shí)，絕大部分時(shí)間負(fù)載率都在70% 以下。傳統(tǒng)運(yùn)行模式下的中央空調(diào)系統(tǒng)，雖然冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，但是與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵等設(shè)備卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。
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(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)及控制策略對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)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(dá)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(gè)不斷進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換以及熱交換的過程。其理想運(yùn)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(jī)，在蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，被吸熱降溫后( 7℃)被送到終端盤管風(fēng)機(jī)或空調(diào)風(fēng)機(jī)，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(jī)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(jī)，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(jī)，形成循環(huán)。在這個(gè)過程里，冷凍泵、冷卻泵得到動(dòng)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(jī)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(jì)窗，采用環(huán)保節(jié)能型建筑材料等。
2)制冷主機(jī)的節(jié)能運(yùn)行: 主機(jī)能耗占總能耗60%以上，因此主機(jī)的節(jié)能運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)建筑不同場(chǎng)所的空調(diào)負(fù)荷及運(yùn)行模式進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查分析，合理確定空調(diào)主機(jī)的功率、數(shù)量及相關(guān)參數(shù)。在運(yùn)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(jī)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，使空調(diào)主機(jī)在其*的特性曲線范圍內(nèi)運(yùn)行，以提高主機(jī)效率，達(dá)到節(jié)能的目的。
3)水泵的節(jié)能運(yùn)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(yùn)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(yùn)行: 合理設(shè)計(jì)，可采用變頻調(diào)節(jié)。
5)先進(jìn)的智能控制技術(shù)及的運(yùn)行管理: 采用先進(jìn)的控制策略，動(dòng)態(tài)調(diào)整主機(jī)及水泵的運(yùn)行模式。加強(qiáng)對(duì)空調(diào)操作人員的培訓(xùn)，定期對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，以保證機(jī)組的正常運(yùn)行和設(shè)備的使用效率。
3、監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)
中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)是一套集工藝設(shè)備、自動(dòng)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(jī)組的*運(yùn)行控制，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組的工作狀態(tài)監(jiān)控、能耗分析、報(bào)表打印、運(yùn)行模式自動(dòng)尋優(yōu)等功能。該系統(tǒng)能方便管理人員及時(shí)了解空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及能耗趨勢(shì)，為降低運(yùn)行成本和維護(hù)成本提供強(qiáng)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(jí)控制方式，即管理級(jí)、過程控制級(jí)、設(shè)備控制級(jí)。各級(jí)功能劃分明確，可以相互獨(dú)立運(yùn)行，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。
管理級(jí)和過程控制級(jí)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)共用，由設(shè)備控制級(jí)對(duì)其開放數(shù)據(jù)接口( OPC 或TCP /IP 等) ，其任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)計(jì)劃管理和運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，包括空調(diào)系統(tǒng)(年度) 運(yùn)行成本和維護(hù)成本報(bào)表，能耗分項(xiàng)分時(shí)報(bào)表，運(yùn)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(shí)施或預(yù)留接口。
設(shè)備控制級(jí)為中央空調(diào)機(jī)組設(shè)備監(jiān)控層，主要完成空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化控制，空調(diào)主機(jī)及水泵等的自動(dòng)尋優(yōu)控制等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3設(shè)備控制級(jí)監(jiān)控示意圖
由圖3可知，設(shè)備控制級(jí)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(yùn)行所需的工藝參數(shù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過一定的控制算法計(jì)算出優(yōu)化后的控制量，驅(qū)動(dòng)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(dá)到節(jié)能的目的。
該系統(tǒng)采用模塊化集成設(shè)計(jì)，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(jī)、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(duì)象，并設(shè)置其屬性，有*的通用性和可擴(kuò)展性。
2)節(jié)能控制: 采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷凍水(熱水)和冷卻水變流量運(yùn)行控制，使系統(tǒng)始終處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài); 通過對(duì)冷凍水(熱水) 各個(gè)環(huán)路負(fù)荷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)分配和控制各個(gè)環(huán)路的冷凍水(熱水) 流量，使各個(gè)環(huán)路實(shí)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(dú)立工作，也可以同時(shí)工作，可實(shí)現(xiàn)不同中央空調(diào)系統(tǒng)使用的需求。
4)控制模式: 手動(dòng)模式(包括就地手動(dòng)和遠(yuǎn)程HMI手動(dòng)) 和自動(dòng)模式。在自動(dòng)控制模式下設(shè)有三種模式可供選擇。
(1) 時(shí)序控制，監(jiān)控系統(tǒng)按照用戶預(yù)設(shè)的時(shí)間表對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停控制和優(yōu)化運(yùn)行模式。
(2) 主機(jī)聯(lián)動(dòng)，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(jī)的聯(lián)動(dòng)控制和優(yōu)化運(yùn)行，此模式自動(dòng)連鎖控制冷凍泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)和閥門等設(shè)備。
(3) 主機(jī)群控，在多臺(tái)空調(diào)主機(jī)和水泵并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)主機(jī)聯(lián)動(dòng)模式的功能外，還會(huì)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷自動(dòng)實(shí)現(xiàn)主機(jī)、水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的優(yōu)化控制，使主機(jī)、水泵在率狀態(tài)下運(yùn)行。
5)HMI(人機(jī)監(jiān)控畫面) 在Windows 系統(tǒng)電腦上運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)，包括冷凍(卻) 水溫度、流量、壓力; 主機(jī)及水泵的運(yùn)行、停止、故障等信號(hào); 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)及自動(dòng)控制的參數(shù)設(shè)定和控制操作。
6)計(jì)量及能耗統(tǒng)計(jì): 實(shí)現(xiàn)各機(jī)組的用電量分項(xiàng)計(jì)量，供熱量、供冷量、補(bǔ)水量等計(jì)量，可在HMI操作界面上打印分時(shí)段和實(shí)時(shí)能耗分析報(bào)表(曲線) ，各種參數(shù)的歷史趨勢(shì)曲線。
7)故障報(bào)警及連鎖: 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)操作連鎖(防止誤操作) ，輕故障聲光報(bào)警，重故障連鎖停機(jī)，并對(duì)故障信息進(jìn)行記錄; 同時(shí)也能實(shí)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(jì)時(shí)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(diǎn)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(hào)和輸入輸出模塊的配置。完成硬件配置后，下一步是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，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(jì)，Step7 完成PLC 控制程序設(shè)計(jì)，zui后聯(lián)動(dòng)調(diào)試，優(yōu)化系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。