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(shí)現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上住宅小區(qū)集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)及其基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(guó)家，其比例有的已達(dá)到40%。我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，近年來(lái)建筑能耗所占的比重也越來(lái)越大，業(yè)已占到全國(guó)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(guó)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(kāi)采、運(yùn)輸、使用過(guò)程中都會(huì)對(duì)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(hù)環(huán)境的雙重目的。住宅小區(qū)集中供冷是指通過(guò)小區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)向用戶輸配供應(yīng)冷源機(jī)房生產(chǎn)的冷水，以滿足用戶空氣調(diào)節(jié)的

2、需要。由于集中供冷的規(guī)模效應(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(guó)各地和資金、美化城市形象等方面具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)效益和社會(huì)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(shì)。由于住宅小區(qū)的集中供冷系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化管理必須引進(jìn)系統(tǒng)工程的概念，不能僅僅只從技術(shù)或經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)其進(jìn)行考慮，而應(yīng)該全面考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人文等多方面因素?；谝陨线@種理念，我們經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)途徑。該系統(tǒng)充分利用控制、計(jì)量、廢熱利用等多種手段，對(duì)住宅小區(qū)集中供

3、冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造、使用等過(guò)程進(jìn)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(gè)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(jì)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(dòng)計(jì)費(fèi)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(gè)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(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其最優(yōu)性受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等多個(gè)方面的制約，因此，僅僅只從某個(gè)方面進(jìn)行分析，肯定不能得出一個(gè)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

4、國(guó)數(shù)學(xué)家T.L.Sady教授在20世紀(jì)70年代提出的層次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP）對(duì)住宅不區(qū)的集中供冷冷源進(jìn)行決策。層次分析法是一種把數(shù)據(jù)、專(zhuān)家意見(jiàn)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(gè)復(fù)雜的問(wèn)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(duì)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(diǎn)，如系統(tǒng)對(duì)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(guò)程。22 住宅小區(qū)集中供冷最優(yōu)設(shè)計(jì)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)

5、設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)模擬分析的方法，以整個(gè)集中供冷為其優(yōu)化對(duì)象。它首先對(duì)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(jìn)行預(yù)測(cè)，然后采用壽命周期費(fèi)用（Life Cycle Cost，簡(jiǎn)稱(chēng)LCC）分析法對(duì)整個(gè)集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(duì)環(huán)境的要求也越來(lái)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(jiàn)。集中供冷系統(tǒng)的冷卻塔通常會(huì)發(fā)出較大的噪聲，且其形象與周?chē)h(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(lái)代替冷卻塔對(duì)循環(huán)冷卻水

6、進(jìn)行冷卻的方案（圖1和圖2）。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(yùn)行噪聲等目的，從而使得集中供冷系統(tǒng)對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)精心的設(shè)計(jì)、完善的運(yùn)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(gè)部分：冷源、冷卻水系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)和末端用戶。由于受計(jì)算機(jī)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(gè)部分的控制都是各自為政，沒(méi)有考慮集中

7、集中供冷中各個(gè)部分之間的相互影響，每個(gè)部分都有著自己獨(dú)立的控制方案，而不是從系統(tǒng)的整體出發(fā)，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的最優(yōu)控制方案。另外，其每個(gè)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(yàn)建立的數(shù)學(xué)模型上，而沒(méi)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(gè)集中供冷系統(tǒng)（除開(kāi)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(duì)各個(gè)部分進(jìn)行控制，而是充分考慮到各個(gè)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(jì)算機(jī)通信技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)合起來(lái)，而且還利用人工智能新技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程進(jìn)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(gè)系統(tǒng)真正在最

8、節(jié)能最高效的狀況下運(yùn)行。25 住宅小區(qū)集中供冷自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)5在我國(guó)，由于各方面的原因，現(xiàn)有的對(duì)集中供冷的收費(fèi)仍采用傳統(tǒng)的按面積收費(fèi)的方法，該方法存在著許多的弊端，造成了能源的大量浪費(fèi)。由于集中供冷計(jì)費(fèi)能夠?qū)⒂脩舻淖陨砝媾c其能量的消耗結(jié)合起來(lái)，這勢(shì)必會(huì)增加用戶的節(jié)能意識(shí)，推動(dòng)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(jìn)行分戶計(jì)費(fèi)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有集中供冷收費(fèi)方法進(jìn)行詳細(xì)地分析后，我們提出了一個(gè)基于公平的集中供冷計(jì)費(fèi)方法，該方法充分考慮到各用戶圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同和用戶之間熱傳遞所帶來(lái)的影響，因此可以大幅減少在計(jì)費(fèi)中出現(xiàn)的一些糾紛，增加計(jì)費(fèi)的公平性。在

9、此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)集中供冷計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)各用戶消耗的冷量進(jìn)行計(jì)量，并可根據(jù)積壓用戶的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其消耗的冷量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用住宅小區(qū)集中供冷自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)后，可以促進(jìn)用戶更加主動(dòng)地節(jié)約能源，從根本上杜絕集中供冷能源的人為浪費(fèi)。3 集中供冷優(yōu)化管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)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(lái)集成集中供冷系統(tǒng)內(nèi)的各類(lèi)子系統(tǒng)：集中供冷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、集中供冷自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)以及其他控制或管理子系統(tǒng)。LonWorks現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(hù)性和擴(kuò)充性。在L

10、onWorks現(xiàn)場(chǎng)總線中，由于采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-網(wǎng)絡(luò)變量，各類(lèi)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(fèi)用。建立在LonWorks現(xiàn)場(chǎng)上的LonTalk是一種開(kāi)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(wú)主站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)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(guò)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，維修人員可在千里之外對(duì)其進(jìn)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

11、們采用密套接字協(xié)議層（Security Socket Layer，簡(jiǎn)稱(chēng)SSL）技術(shù)來(lái)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(huì)被偷聽(tīng)、篡改和偽造。協(xié)作管理環(huán)境（Cooperation Management Enviroment,簡(jiǎn)稱(chēng)CME）軟件功能模塊包括電子白板、基于Web的訪問(wèn)工具、多媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、文本信息交流工具和傳輸工具，通過(guò)這些工具，監(jiān)控人員即使在千里之外，也會(huì)覺(jué)得自己跟被管理的設(shè)備近在咫尺。4 應(yīng)用實(shí)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(duì)深圳市某住宅小區(qū)的集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。該住宅小區(qū)位于深圳市區(qū)，預(yù)計(jì)住戶總數(shù)將達(dá)到31240

12、戶。根據(jù)該小區(qū)的規(guī)劃，我們擬設(shè)立三個(gè)集中供冷系統(tǒng)對(duì)小區(qū)進(jìn)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(jì)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)?、燃油、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(duì)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(jī)和吸收式制冷機(jī)（包括直燃吸收式制冷機(jī)和蒸汽型吸收式制冷機(jī)）。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(fèi)）、運(yùn)行費(fèi)用（與當(dāng)?shù)氐碾?/p>

13、價(jià)、燃油價(jià)、天然氣價(jià)等密切相關(guān)）、工作可靠性、對(duì)環(huán)境的影響等幾個(gè)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(jià)、天然氣價(jià)等密切相關(guān)）、工作可靠性、對(duì)環(huán)境影響等幾個(gè)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(jī)具有最佳的經(jīng)濟(jì)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(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)維持冷水機(jī)組的供水溫度不變而提高回水溫度時(shí)，可以提高整個(gè)集中供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算確定，該小區(qū)集中供冷系統(tǒng)的最佳供回水溫差為T(mén)=89。（3）為了進(jìn)一步美化該住宅小區(qū)的環(huán)境，

14、我們?cè)O(shè)計(jì)了利用人工瀑布或噴泉代替冷卻塔對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)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(jī)，這樣就形成一個(gè)降低水溫用的冷卻構(gòu)筑物。其中，風(fēng)機(jī)用來(lái)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(zhǎng)兩者的接觸時(shí)間，從而加強(qiáng)水與空氣的熱濕交換。水的冷卻過(guò)程主要是在淋水填料中進(jìn)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(jī)功率及開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、冷卻水泵功率及開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、冷凍水泵功率及開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、機(jī)組的能耗量（燃料量或耗電量）等參數(shù)后，在中央

15、控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)用人工智能方法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，以求出整個(gè)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(diǎn)，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(chǎng)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(duì)各個(gè)分散二級(jí)泵的控制采用開(kāi)度法進(jìn)行控制，即根據(jù)各自系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)控制閥的開(kāi)度來(lái)對(duì)變速水泵進(jìn)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(méi)有一個(gè)處于全開(kāi)時(shí)，且此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有的負(fù)荷都得到滿足時(shí)，則水泵慢慢降低速度；當(dāng)本系統(tǒng)內(nèi)有負(fù)荷沒(méi)有得到滿足，且此時(shí)該末端設(shè)備的控制閥處于全開(kāi)時(shí)，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(gè)或多個(gè)處于全開(kāi)時(shí)，且此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)民有的負(fù)荷都得到滿足時(shí)，則水泵速度維持不變。（6）集中供冷自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)：計(jì)費(fèi)管理主機(jī)、區(qū)域管理器和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器。計(jì)費(fèi)內(nèi)部采用RS-485通訊總線。計(jì)費(fèi)管理主機(jī)總共可管理32臺(tái)區(qū)域管理器，每臺(tái)區(qū)域管理器可以連接255個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器，而每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器可對(duì)4位住戶進(jìn)行管理，即一個(gè)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)總共可對(duì)30000多個(gè)用戶進(jìn)行管理?？紤]到具體的安裝條件和小區(qū)建設(shè)規(guī)劃，每個(gè)集中供冷