住宅小區(qū)集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)及其基于網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

1、住宅小區(qū)集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)及其基于網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相當(dāng)大的比例，在一些發(fā)達(dá)國家，其比例有的已達(dá)到40%。我國作為一個發(fā)展中國家，近年來建筑能耗所占的比重也越來越大，業(yè)已占到全國總能耗的20%左右，這其中更有85%的是用于建筑的采暖和空調(diào)1。由于我國用于發(fā)電的一次能源在多為原煤（原煤發(fā)電約占總量的75%左右），而原煤屬于不清潔能源，其在開采、運輸、使用過程中都會對環(huán)境造成極大的污染。因此，做好建筑能耗的優(yōu)化管理就可達(dá)到節(jié)約能源和保護環(huán)境的雙重目的。住宅小區(qū)集中供冷是指通過小區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)向用戶輸配供應(yīng)冷源機房生產(chǎn)的冷水，以滿足用戶空氣調(diào)節(jié)的需要。由于集中供冷的規(guī)模效

2、應(yīng)，使得它在防止大氣污染、提高能源利用率、有效利用空間、全國各地和資金、美化城市形象等方面具有十分突出的優(yōu)點，非常符合綠色建筑、健康住宅的健康、舒適、節(jié)能、環(huán)保的要求，因而有著重大的經(jīng)濟效益和社會效益，是現(xiàn)代化住宅小區(qū)建筑空調(diào)發(fā)展的必然趨勢。由于住宅小區(qū)的集中供冷系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此對其進行優(yōu)化管理必須引進系統(tǒng)工程的概念，不能僅僅只從技術(shù)或經(jīng)濟的角度對其進行考慮，而應(yīng)該全面考慮技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、人文等多方面因素?；谝陨线@種理念，我們經(jīng)過大量的工作后，提出了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)框架及其實現(xiàn)途徑。該系統(tǒng)充分利用控制、計量、廢熱利用等多種手段，對住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的設(shè)計、建造、使用等

3、過程進行全程優(yōu)化管理。 2 集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)本文提出的住宅小區(qū)集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)包括以下幾個部分：住宅小區(qū)集中供冷冷源決策系統(tǒng)、住宅小區(qū)集中供冷最優(yōu)設(shè)計系統(tǒng)、集中供冷系統(tǒng)與人工景觀相結(jié)合的技術(shù)、住宅小區(qū)集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和住宅小區(qū)集中供冷自動計費系統(tǒng)。21 住宅小區(qū)集中供冷冷源決策系統(tǒng)2傳統(tǒng)的集中供冷冷源決策往往只注重某個方面因素的分析，而不涉及復(fù)雜因素的相互影響。由于住宅小區(qū)集中供冷是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其最優(yōu)性受到技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、文化等多個方面的制約，因此，僅僅只從某個方面進行分析，肯定不能得出一個滿意的結(jié)果。本文提出的住宅小區(qū)集中供冷冷源決策系統(tǒng)采用美國數(shù)學(xué)家T.L.Sady教

4、授在20世紀(jì)70年代提出的層次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP）對住宅不區(qū)的集中供冷冷源進行決策。層次分析法是一種把數(shù)據(jù)、專家意見和分析人員的判斷有效結(jié)合的方法，是一種定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。它把一個復(fù)雜的問題分解成各組成因素，然后用兩兩比較的方法確定決策方案中各因素的相對重要性。由于住宅小區(qū)集中供冷冷源決策中具有諸多因素不能明確化的特點，如系統(tǒng)對環(huán)境的影響以及系統(tǒng)的可靠性等，因此，層次分析法能很好地應(yīng)用于集中供冷系統(tǒng)的冷源決策過程。22 住宅小區(qū)集中供冷最優(yōu)設(shè)計系統(tǒng)3冷源形式確定后，利用住宅小區(qū)集中供冷最優(yōu)設(shè)計系統(tǒng)可以對系統(tǒng)進行設(shè)計

5、。該系統(tǒng)采用計算機模擬分析的方法，以整個集中供冷為其優(yōu)化對象。它首先對住宅小區(qū)集中供冷的全年能耗按變基準(zhǔn)溫度度日法進行預(yù)測，然后采用壽命周期費用（Life Cycle Cost，簡稱LCC）分析法對整個集中供冷系統(tǒng)進行經(jīng)濟分析，從而得出冷源以及冷水輸配系統(tǒng)的最佳配置、冷水的最優(yōu)供回水溫差等。23 集中供冷系統(tǒng)與人工景觀相結(jié)合的技術(shù)3隨著人們生活水平的提高，人們對環(huán)境的要求也越來越高，在一些住宅小區(qū)中，噴泉和人造瀑布等人工景觀隨處可見。集中供冷系統(tǒng)的冷卻塔通常會發(fā)出較大的噪聲，且其形象與周圍環(huán)境也極不協(xié)調(diào)。因此，我們特提出了一種利用噴泉或人造瀑布來代替冷卻塔對循環(huán)冷卻水進行冷卻的方案（圖1和圖2

6、）。采用這種方案后，可以達(dá)到美化環(huán)境、改善小區(qū)微氣候，減少冷卻塔的投資和消除冷卻塔的運行噪聲等目的，從而使得集中供冷系統(tǒng)對小區(qū)環(huán)境的影響降到最小。圖1噴泉冷卻方式 圖2 人工瀑布冷卻方式通過對該方案的熱力分析和其它相關(guān)技術(shù)的研究表明，經(jīng)過精心的設(shè)計、完善的運行管理、巧妙的布局，將循環(huán)冷卻水應(yīng)用于小區(qū)水景工程中是完全可行的。24 住宅小區(qū)集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)4集中供冷系統(tǒng)可以分為四個部分：冷源、冷卻水系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)和末端用戶。由于受計算機技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)等科學(xué)的限制，傳統(tǒng)的集中供冷系統(tǒng)一般采用和設(shè)備單體控制的方法，即系統(tǒng)中每個部分的控制都是各自為政，沒有考慮集中集中供冷中各個部分之間的相

7、互影響，每個部分都有著自己獨立的控制方案，而不是從系統(tǒng)的整體出發(fā)，沒有一個統(tǒng)一的最優(yōu)控制方案。另外，其每個部分的控制方案都是一成不變的，都是建立在一些憑經(jīng)驗建立的數(shù)學(xué)模型上，而沒有考慮到具體系統(tǒng)的不同。與傳統(tǒng)的控制方案不同，集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把整個集中供冷系統(tǒng)（除開末端用戶部分）作為自己的優(yōu)化控制目標(biāo)，不再只是孤立地對各個部分進行控制，而是充分考慮到各個部分之間的相互影響。在集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，它不僅利用最新的計算機通信技術(shù)把整個系統(tǒng)有機的聯(lián)合起來，而且還利用人工智能新技術(shù)對整個系統(tǒng)的控制過程進行最優(yōu)化的處理，最后，它利用節(jié)能效果極佳的變頻技術(shù)使整個系統(tǒng)真正在最節(jié)能最高效的狀況下運行。2

8、5 住宅小區(qū)集中供冷自動計費系統(tǒng)5在我國，由于各方面的原因，現(xiàn)有的對集中供冷的收費仍采用傳統(tǒng)的按面積收費的方法，該方法存在著許多的弊端，造成了能源的大量浪費。由于集中供冷計費能夠?qū)⒂脩舻淖陨砝媾c其能量的消耗結(jié)合起來，這勢必會增加用戶的節(jié)能意識，推動節(jié)能工作的良性向前發(fā)展，并使得用戶的生活水平環(huán)境不斷地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小區(qū)中必須進行分戶計費。通過對現(xiàn)有集中供冷收費方法進行詳細(xì)地分析后，我們提出了一個基于公平的集中供冷計費方法，該方法充分考慮到各用戶圍護結(jié)構(gòu)的不同和用戶之間熱傳遞所帶來的影響，因此可以大幅減少在計費中出現(xiàn)的一些糾紛，增加計費的公平性。在此基礎(chǔ)上開發(fā)集中供冷計費系

9、統(tǒng)可以自動對各用戶消耗的冷量進行計量，并可根據(jù)積壓用戶的圍護結(jié)構(gòu)對其消耗的冷量進行自動調(diào)節(jié)。采用住宅小區(qū)集中供冷自動計費系統(tǒng)后，可以促進用戶更加主動地節(jié)約能源，從根本上杜絕集中供冷能源的人為浪費。3 集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通過對住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)和各種通信技術(shù)的綜合分析，集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)采用LonTalk作為自己的通信協(xié)議來集成集中供冷系統(tǒng)內(nèi)的各類子系統(tǒng)：集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、集中供冷自動計費系統(tǒng)以及其他控制或管理子系統(tǒng)。LonWorks現(xiàn)場總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變，可根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點采用不同的網(wǎng)絡(luò)連接方式，具有高度的可靠性、較好的可維護性和擴充性。在LonWorks現(xiàn)場總線中，

10、由于采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-網(wǎng)絡(luò)變量，各類設(shè)備采集的數(shù)據(jù)可以共享，因此能節(jié)約大量的設(shè)備費用。建立在LonWorks現(xiàn)場上的LonTalk是一種開放性通信協(xié)議，遵守協(xié)議的設(shè)備和系統(tǒng)可以直接互連，組成無主站點對點的分布式網(wǎng)絡(luò)。由于LonTalk通信協(xié)議已被子世界上3000多家著名企業(yè)采用，使得其已成為事實上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)可能通過Internet與外界聯(lián)系，這使得決策人員、操作人員和管理人員可以集中供冷系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，維修人員可在千里之外對其進行處理，因而能節(jié)省大量的人力和物力。（圖3）圖3 集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)在集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)中，我們采用密套接字協(xié)議層（Se

11、curity Socket Layer，簡稱SSL）技術(shù)來保證系統(tǒng)的安全性，允許客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序之間的通信不會被偷聽、篡改和偽造。協(xié)作管理環(huán)境（Cooperation Management Enviroment,簡稱CME）軟件功能模塊包括電子白板、基于Web的訪問工具、多媒體數(shù)據(jù)存儲、文本信息交流工具和傳輸工具，通過這些工具，監(jiān)控人員即使在千里之外，也會覺得自己跟被管理的設(shè)備近在咫尺。4 應(yīng)用實例應(yīng)深圳市某單位的要求，我們利用本文提出的住宅小區(qū)集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)對深圳市某住宅小區(qū)的集中供冷系統(tǒng)進行了方案設(shè)計。該住宅小區(qū)位于深圳市區(qū)，預(yù)計住戶總數(shù)將達(dá)到31240戶。根據(jù)該小區(qū)的規(guī)劃，我們

12、擬設(shè)立三個集中供冷系統(tǒng)對小區(qū)進行供冷，其中，系統(tǒng)A共有住戶13337戶，系統(tǒng)B共有住戶8691戶，系統(tǒng)C共有住戶9212戶。 以下是我們?yōu)樵撔^(qū)設(shè)計的集中供冷系統(tǒng)部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分為電力方式、熱力方式和混合方式。其中熱力方式包括燃?xì)狻⑷加?、燃煤、外部供汽四種情況，混合方式指電力與熱力兼有的方式。與以上三種能耗方式對應(yīng)，集中供冷系統(tǒng)常用的冷源設(shè)備主要是離心式（或螺桿式）制冷機和吸收式制冷機（包括直燃吸收式制冷機和蒸汽型吸收式制冷機）。根據(jù)本文提出的集中供冷冷源決策系統(tǒng)和深圳當(dāng)?shù)氐哪茉凑?，考慮到設(shè)備的初投資（包括增容費）、運行費用（與當(dāng)?shù)氐碾妰r、燃油價、天然氣價等密切

13、相關(guān)）、工作可靠性、對環(huán)境的影響等幾個方面的因素后認(rèn)為：在該小區(qū)的集中供冷系統(tǒng)中采用燃油價、天然氣價等密切相關(guān)）、工作可靠性、對環(huán)境影響等幾個方面的因素后認(rèn)為：在該小區(qū)的集中供冷系統(tǒng)中采用燃?xì)庑椭比紮C具有最佳的經(jīng)濟和環(huán)境效益。（2）由地該住宅小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的供冷范圍比較大，這就使得冷水輸送系統(tǒng)的消耗的能量非常大，而且室外管網(wǎng)的初投資和管網(wǎng)的冷損失也隨著增大。通過對整個系統(tǒng)的優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)維持冷水機組的供水溫度不變而提高回水溫度時，可以提高整個集中供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性。經(jīng)過詳細(xì)計算確定，該小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的最佳供回水溫差為T=89。（3）為了進一步美化該住宅小區(qū)的環(huán)境，我們設(shè)計了利用人工瀑布或噴

14、泉代替冷卻塔對循環(huán)冷卻水進行冷卻的方案。具體方案為：在噴泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安裝有風(fēng)機，這樣就形成一個降低水溫用的冷卻構(gòu)筑物。其中，風(fēng)機用來加大通風(fēng)量，而淋水填料可以將水滴變成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水與空氣的接觸面積和延長兩者的接觸時間，從而加強水與空氣的熱濕交換。水的冷卻過程主要是在淋水填料中進行。（4）小區(qū)集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分別采集集中供冷系統(tǒng)中的冷卻水流量、冷凍水流量、冷卻水入口溫度、冷凍水出口溫度、冷卻水塔風(fēng)機功率及開啟臺數(shù)、冷卻水泵功率及開啟臺數(shù)、冷凍水泵功率及開啟臺數(shù)、機組的能耗量（燃料量或耗電量）等參數(shù)后，在中央控制計算機上運用人工智能方

15、法對這些參數(shù)進行優(yōu)化組合，以求出整個集中供冷系統(tǒng)在當(dāng)前負(fù)荷下的最優(yōu)狀態(tài)設(shè)定點，然后將優(yōu)化后的系統(tǒng)控制變量再傳送到系統(tǒng)中各設(shè)備的現(xiàn)場執(zhí)行器，從而達(dá)到最大限度地節(jié)約能耗的目的。（5）集中供冷冷水輸送系統(tǒng)采用二次泵分散的變流量系統(tǒng)，對各個分散二級泵的控制采用開度法進行控制，即根據(jù)各自系統(tǒng)內(nèi)各個控制閥的開度來對變速水泵進行控制。具體步驟如下：當(dāng)本系統(tǒng)中所有末端設(shè)備的控制閥沒有一個處于全開時，且此時系統(tǒng)內(nèi)所有的負(fù)荷都得到滿足時，則水泵慢慢降低速度；當(dāng)本系統(tǒng)內(nèi)有負(fù)荷沒有得到滿足，且此時該末端設(shè)備的控制閥處于全開時，則慢慢加大水泵的轉(zhuǎn)速；當(dāng)本系統(tǒng)中末端設(shè)備的所有控制閥有一個或多個處于全開時，且此時系統(tǒng)內(nèi)民有的負(fù)荷都得到滿足時，則水泵速度維持不變。（6）集中供冷自動計費系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu)：計費管理主機、區(qū)域管理器和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器。計費內(nèi)部采用RS-485通訊總線。計費管理主機總共可管理32臺區(qū)域管理器，每臺區(qū)域管理器可以連接255個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器，而每個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器可對4位住戶進行管理，即一個計費系統(tǒng)總共可對30000多個用戶進行管理。考慮到具體的安裝條件和小區(qū)建設(shè)規(guī)劃