K2000暖通智能控制系統(tǒng)之應用21

第11頁共12頁K2000暖通智能控制系統(tǒng)的工程應用一、引言隨著第三次工業(yè)革命給人類物質財富帶來的巨大貢獻，人類同時也面臨這一個更加嚴峻的課題—能源危機日益突出。改善室內環(huán)境的暖通空調能耗占建筑總能耗的30%~50%，個別情況甚至高大70%。因此，暖通空調系統(tǒng)是否高效節(jié)能對建筑的使用者至關重要，它可能影響一個企業(yè)在市場競爭中的地位，可能影響企業(yè)的經(jīng)濟收益，甚至會影響一個企業(yè)能否生存（比如酒店、商場、休閑娛樂場所等）。全體暖通工作者肩負一個重要的使命—如何為客戶設計制造一個性能舒適、能耗相對較低的經(jīng)濟合理暖通空調工程。節(jié)能新技術的研究和采用在現(xiàn)代化的空調建筑中就顯現(xiàn)得非常重要。無數(shù)工作者投入了畢生精力來研究開發(fā)高性能的空調主機、末端設備；采用保暖性能高的新型建筑材料、介質輸送管材；高性能電機；低品位能源回收技術等等。這方面工作代價巨大，且可挖潛力非常有限，而采用合理的控制方式，根據(jù)使用情況降低額外損耗在國內還有很多工作需要做。目前國內外眾多暖通空調耗能設備中，為系統(tǒng)提供冷熱源的制冷機組、鍋爐等設備本身已經(jīng)設置了根據(jù)實際使用量進行控制調節(jié)的裝置，但在空調能耗中占50%~60%的介質輸送動力設備（循環(huán)水泵、風機、冷卻塔）本身則不具備控制調節(jié)的能力。近年來國內不少項目引進了西方基于工業(yè)控制技術的一些產(chǎn)品來實現(xiàn)樓宇設備的集中控制，從一定程度上這些產(chǎn)品也達到了節(jié)能的目的。但由于這些產(chǎn)品的關鍵技術由國外產(chǎn)品制造商控制，其總體使用效果并不理想。一方面由于其產(chǎn)品的制造技術基于工業(yè)控制而產(chǎn)品，應用在暖通空調系統(tǒng)中的針對性不強導致最終達到的節(jié)能效果有限；另一方面由于其運行使用對管理者的專業(yè)技能要求很高，導致眾多的項目在過了設備質量保證期后就形同虛設。K2000暖通智能控制系統(tǒng)正是在這樣的條件下應運而生的。它基于對空調系統(tǒng)動力輸送設備和空調末端設備各種使用條件變化進行節(jié)能控制的思路進行設計的，僅實實在在節(jié)省了大量使用能耗，而且還解決了常規(guī)設計方案中不可避免的系統(tǒng)缺陷。例如：空調區(qū)域之間負荷轉移、部分負荷下系統(tǒng)低溫差運行、氣流組織隨使用季節(jié)變化、變水量調節(jié)水系統(tǒng)阻力失衡、多泵水系統(tǒng)部分運行時過流、設備型號與實際需求差別、設備隨使用年限加長效率降低等一系列問題。二、K2000暖通智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方式的區(qū)別（一）與普通變頻調速器的區(qū)別普通變頻調速器主要用于交流電機的無級調速，只是交流電機無級調速的執(zhí)行機構，不能完成交流電機的無級自動調速；普通變頻調速器不能滿足暖通空調中電機的特殊需要，不能優(yōu)化用于暖通空調中電機的無級調速；普通變頻調速器的功能和資源極其豐富，暖通空調中電機的無級調速只使用普通變頻調速器諸多的功能和資源中的一部分；普通變頻調速器用于暖通空調電機時，必須能夠完成暖通空調目標參數(shù)（溫度、壓力、流量、濕度等）的自動控制(閉環(huán)控制)；普通變頻調速器用于暖通空調電機的自動控制時，必須另外配置許多暖通空調自動控制的硬件和軟件。K2000暖通智能控制系統(tǒng)是在“惠豐”F1500風機水泵專用變頻調速器的基礎上，根據(jù)暖通空調專業(yè)的特殊需要，進行二次開發(fā)，專門用于暖通空調電機的高度智能化的控制系統(tǒng)；將暖通空調電機的變頻、計算、控制一體化；K2000暖通智能控制系統(tǒng)能夠完成暖通空調目標參數(shù)（溫度、壓力、流量、濕度等）的自動控制(閉環(huán)控制)；K2000暖通智能控制系統(tǒng)不改變原有暖通空調、電氣系統(tǒng)和結構。K2000暖通智能控制系統(tǒng)充分利用F1500風機水泵專用變頻調速器內部資源，利用軟件實現(xiàn)硬件的功能，從設計決策上保障了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。K2000暖通智能控制系統(tǒng)充分考慮和體現(xiàn)：1、設計、安裝、調試、使用等人員的各種要求；2、各種不同類型空調機組和水泵的制造和運行特性；3、空調主機、空調水泵、冷卻塔、空調機組等暖通空調主設備的相互連貫和制約特性；4、技術人員、管理者、使用者等的各種權限和“傻瓜”級內涵。普通變頻調速器用于暖通空調電機時：不能有效達到溫度、壓力、流量、濕度等的自動控制；只能淺顯和有限地降低暖通空調中風機水泵能耗，但不能全面降低暖通空調能耗；不能滿足空調主機、空調水泵、冷卻塔、空調機組等暖通空調主設備的特殊需要，有可能會導致暖通空調主設備的損壞；不能有效降低暖通空調管理的人力成本。（二）與基于工業(yè)控制的樓宇自控系統(tǒng)（BAS）的區(qū)別BAS系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)，著眼點為整個集中運行管理、數(shù)據(jù)保存、遠程操控；BAS系統(tǒng)的重點是控制點的操作和反饋，在控制理論上基本上是點對點的控制邏輯，很難實現(xiàn)暖通空調系統(tǒng)中相互制約的控制變量之間的內在聯(lián)系；BAS系統(tǒng)對暖通空調系統(tǒng)中占總能耗50%~60%輸送動力的能耗的節(jié)省考慮得很少，大部分BAS系統(tǒng)中無對循環(huán)水泵和風機的調速控制，即使少部分項目對此采取了一些措施都是簡單利用變頻調速器的內置PID調節(jié)功能實現(xiàn)變速輸出很難達到動力能耗的高效節(jié)??；BAS系統(tǒng)工程涉及到綜合布線；經(jīng)過國內大量實踐證明BAS系統(tǒng)存在如下問題：由于是一個大系統(tǒng)，造價昂貴；不能解決許多中國特有的暖通空調問題（如：噪音）控制過程不直觀，使用者往往對其不了解，控制設備形同虛設；系統(tǒng)設計、安裝、調試、使用和維護過于復雜,所以許多BAS系統(tǒng)“帶病”投入運行，造成后期存在大量問題，如：壽命短、控制失靈等；K2000暖通智能控制系統(tǒng)是一個小系統(tǒng)，著眼點為暖通空調系統(tǒng)局部設備的獨立運行調節(jié)；K2000暖通智能控制系統(tǒng)著重解決暖通空調動力輸送設備的運行工況與室內環(huán)境的動態(tài)變化關系，針對性的發(fā)掘能源浪費的內因，從而在運行控制的過程中發(fā)揮更大的節(jié)能潛力；K2000暖通智能控制系統(tǒng)以每一個控制局部帶動整個大控制系統(tǒng)的良好運行；K2000暖通智能控制系統(tǒng)主要對空調機組采用變風量加變水量結合的控制、對空調水泵采用變流量加壓差旁通閥變水量結合的控制、空調主機采用臺數(shù)控制；K2000暖通智能控制系統(tǒng)從理論和實踐上解決了暖通空調的控制和節(jié)能完美結合的問題；K2000暖通智能控制系統(tǒng)工程不涉及到綜合布線；經(jīng)過國內大量實踐證明K2000暖通智能控制系統(tǒng)解決了BAS系統(tǒng)存在的問題。由于是一個小系統(tǒng)，造價適中；能解決許多中國特有的暖通空調問題（如：噪音）控制過程直觀，使用者不需要對其了解，即能很好使用；系統(tǒng)設計、安裝、調試、使用和維護簡單,壽命長、控制靈活；對輸送動力設備（風機水泵電機）能進行有效的保護。三、K2000暖通智能控制系統(tǒng)的節(jié)能原理（一）空調機組恒溫型根據(jù)中央空調設計要求，空調機組的輸入?yún)?shù)（空調機組電機功率等）及輸出參數(shù)（冷量、風量等）的選擇必須滿足設計工況（最不利工況）的要求。但在實際運行過程中，大部分時間的室內負荷遠遠低于設計工況，從而造成系統(tǒng)設備的各輸出參數(shù)過剩。若不針對以上情況進行調節(jié)一方面造成空調房間溫度失控，另一方面造成系統(tǒng)設備動力設備功耗浪費。K2000空調機組智能恒溫控制系統(tǒng)就是通過對空調房間或空調通風系統(tǒng)回風溫度的監(jiān)控，自動PID調節(jié)電機輸入頻率減少因負荷降低而不必要的空調送風量，從而節(jié)省了減少的風量所需要的循環(huán)動力能耗。資料顯示大多民用中央空調系統(tǒng)年平均負荷只有系統(tǒng)設計負荷指標的50%，當全空氣系統(tǒng)水量恒定的情況下通風量下降至50%時，其全熱輸出下降至70%，但為了保證室內通風氣流組織，通常系統(tǒng)下限風量（頻率）設定為60%，全年平均流量為額定流量的70%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和流體力學原理，在循環(huán)風量為額定風量的70%左右，K2000空調機組智能恒溫控制系統(tǒng)節(jié)能效率達65%。（二）空調機組恒壓型大多數(shù)情況下運用于中央空調全空氣系統(tǒng)中一個空調系統(tǒng)不同使用功能區(qū)域負荷分布差別較大和使用時段不一致的場合。根據(jù)中央空調設計原則，空調機組風機功率必須在理論計算功率的基礎上附加安全系數(shù)；而對于運用與潔凈空調系統(tǒng)的空調機組更是要考慮潔凈設備臟堵嚴重的情況下風機功率仍能滿足送風要求。因此，在實際運行過程中，大部分時間的風機的額定功率對系統(tǒng)總需求過剩。若不針對以上情況進行調節(jié)一方面造成空調房間風量、噪音等指標失控，另一方面造成系統(tǒng)設備動力設備功耗浪費。K2000空調機組智能恒壓變頻控制系統(tǒng)通過對空調通風系統(tǒng)靜壓的監(jiān)控，自動PID調節(jié)電機輸入頻率（系統(tǒng)表象為調節(jié)風機輸出風量），從而達到空調房風量和空調風機節(jié)能的目的。一般中央空調設計原則是風機額定功率必須在理論功率的基礎上附加15%~20%的安全系數(shù)，而潔凈空調系統(tǒng)在潔凈設備臟堵情況下的功率消耗比正常情況下高30%~40%。因此，即使不考慮送風區(qū)域的變化，根據(jù)流體力學原理，K2000空調機組智能恒壓控制系統(tǒng)節(jié)能效率達40%~52%。（三）空調機組恒溫變風變水量型空調機組恒溫變風變水量型的節(jié)能原理與空調機組恒溫型的節(jié)能原理相同，其控制目標均是空調環(huán)境的溫度，只是由于對環(huán)境濕度、通風換氣的特殊要求調節(jié)對象除空調機組的循環(huán)風量外還有循環(huán)水量。空調機組恒溫變風變水量控制系統(tǒng)的空調機組循環(huán)風量和循環(huán)水量實現(xiàn)一體化控制，無須外設其他控制設備，保證其內在的調節(jié)關聯(lián)。（四）空調機組恒壓恒溫恒濕型空調機組恒壓恒溫恒濕型的節(jié)能原理與空調機組恒壓型的節(jié)能原理相同，對空調機組本身動力能耗相關聯(lián)的控制目標均是空調系統(tǒng)風壓，只是由于空調環(huán)境對空調機組控制的多樣性要求調節(jié)對象除空調機組的循環(huán)風量外還有循環(huán)水量、加濕量等。空調機組恒壓恒溫恒濕控制系統(tǒng)的空調機組循環(huán)風量、循環(huán)水量和加濕量實現(xiàn)一體化控制，無須外設其他控制設備，保證其內在的調節(jié)關聯(lián)。（五）空調水泵恒溫差型與中央空調空調機組相同，在工程設計過程中，由于中央空調主機和相應的循環(huán)水泵都必須按照最不利條件來進行選擇。在系統(tǒng)運行的大部分時間內，由于系統(tǒng)所需制冷制熱負荷低于額定值，若水泵不能根據(jù)系統(tǒng)負荷進行調節(jié)就會導致系統(tǒng)供回水溫差降低（實際運行的工程也表明，大多數(shù)情況下分集水器供回水溫差只有2℃左右），一方面溫差太低將降低換熱器的換熱效率；另一方面低溫差大流量的運行會大量浪費水泵能耗。K2000空調水泵智能恒溫差控制系統(tǒng)就是通過對空調系統(tǒng)供回水溫度的自動監(jiān)測，自動PID調節(jié)水泵電機輸入頻率減少因負荷降低而不必要的循環(huán)水量，從而節(jié)省了減少的循環(huán)水量所需要的循環(huán)動力能耗，達到供回水溫差恒定的控制目的。資料顯示大多民用中央空調系統(tǒng)年平均負荷只有系統(tǒng)設計負荷指標的70%，而一般空調機組換熱器水量量下降至50%時，其空調全熱輸出下降為70%，潛熱輸出下降為30%。正常情況下當夏季系統(tǒng)空調負荷下降為70%時，室外空氣含濕量已不太高，對于對濕度要求并不太高的民用中央空調系統(tǒng)，其循環(huán)水流量下降到50%以下并不存在太大的問題。但為了保證空調系統(tǒng)中部分空調機組關閉后不對其他機組產(chǎn)生太大的影響，通常系統(tǒng)下限流量（頻率）設定為70%，年平均流量為系統(tǒng)額定流量的80%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和流體力學原理，在水泵循環(huán)流量為額定流量80%時，K2000空調水泵智能恒溫差控制系統(tǒng)節(jié)能效率為48%。若考慮在工程設計過程中循環(huán)水泵電機功率的安全系數(shù)，則實際節(jié)能效率能達到60%以上。（六）空調水泵恒壓差型空調水泵恒壓差控制系統(tǒng)使用于使用側變流量系統(tǒng)中，末端空調設備設置電動調節(jié)閥。當房間負荷下降時，末端設備空調設備電動閥會關小或則關閉。而中央空調系統(tǒng)設計原則是循環(huán)水泵的輸出功率必須滿足所有末端空調設備電動閥全部完全開啟時的壓力需求，實際使用過程中由于末端空調設備電動閥門開啟數(shù)量和程度的變化導致水系統(tǒng)供回水壓力發(fā)生變化。若水泵不能根據(jù)系統(tǒng)負荷變化自動調節(jié)一方面會導致系統(tǒng)壓差過大使未調節(jié)閥門的末端流量增加，從而產(chǎn)生水力失調；另一方面低溫差大流量的運行會大量浪費水泵能耗。K2000空調水泵智能恒壓差控制系統(tǒng)就是通過對空調系統(tǒng)供回水壓差的自動監(jiān)測，自動PID調節(jié)水泵電機輸入頻率祛除因末端閥門關閉或關小而過剩的循環(huán)流量，從而節(jié)省了減少的循環(huán)水量所需要的循環(huán)動力能耗，達到供回水壓差恒定和末端水力平衡的控制目的。K2000空調水泵智能恒壓差控制系統(tǒng)的節(jié)能效率取決于實際工程中同時使用設備的數(shù)量占總數(shù)量的比例，但廣大工程實踐表明其綜合節(jié)能效率達40%以上。K2000空調水泵智能恒壓差控制系統(tǒng)綜合節(jié)能效率相對于K2000空調水泵智能恒溫差控制系統(tǒng)節(jié)能效率低是原于在使用K2000空調水泵智能恒壓差控制系統(tǒng)控制空調水泵流量的過程中還必須考慮制冷機組的運行安全要求等因素（由于篇幅限制在此不做詳細解釋）。（七）換熱站智能供回水恒溫型換熱站智能供回水恒溫型的節(jié)能原理與空調水泵恒溫差型相同，對循環(huán)水泵本身能耗節(jié)省相關聯(lián)的控制目標均是循環(huán)水供回水溫差，只是由于換熱站智能供回水恒溫控制型運用與換熱站時不僅控制循環(huán)水流量，還必須根據(jù)循環(huán)水出水溫度來控制高溫熱源的消耗量。換熱站智能供回水恒溫控制系統(tǒng)的循環(huán)水泵流量和高溫熱源消耗量實現(xiàn)一體化控制，無須外設其他控制設備，保證其內在的調節(jié)關聯(lián)。（八）換熱站智能供水恒溫供回水恒壓差型換熱站智能供水恒溫供回水恒壓差型的節(jié)能原理與空調水泵恒壓差型相同，對循環(huán)水泵本身能耗節(jié)省相關聯(lián)的控制目標均是循環(huán)水供回水壓差，只是由于換熱站智能供回水恒溫控制型運用與換熱站時不僅控制循環(huán)水流量，還必須根據(jù)循環(huán)水出水溫度來控制高溫熱源的消耗量。換熱站智能供水恒溫供回水恒壓差控制系統(tǒng)的循環(huán)水泵流量和高溫熱源消耗量實現(xiàn)一體化控制，無須外設其他控制設備，保證其內在的調節(jié)關聯(lián)。四、K2000暖通智能控制系統(tǒng)的使用前景建筑名稱A建筑名稱A賓館B賓館C賓館C賓館E賓館空調區(qū)域總面積10000080000330006000037000用電指標kwh/m28671664247冷機26%25%37%36%30%冷凍泵8%11%12%8%12%冷卻泵9%5%8%8%9%*采暖泵5%9%11%5%10%冷卻塔2%1%3%3%0%空調箱38%39%23%35%34%風機盤管12%10%6%5%5%第二步，我們來研究一下典型暖通空調負荷變化情況。一般辦公建筑，運行時間最長的情況在50%設計負荷左右工況，年度平均負荷不足50%；旅館建筑，年均負荷為最大負荷的50%左右，日平均負荷僅有日高峰負荷的60%左右，即年平均使用負荷不足設計工況負荷的40%，并且所有的旅游賓館開房率隨季節(jié)變化差別較大，非旅游高峰期開房率都普遍較低，實際消耗負荷將更低；商場建筑，影響空調負荷的關鍵因素是客流量大小，如圖所示日平均客流量和年均客流量均為設計客流量的80%左右，即人員負荷平均值也僅為設計負荷的65%左右。通過以上典型建筑負荷變化情況分析，空調建筑空調系統(tǒng)大部分時間處于部分負荷狀態(tài)下運行，且年平均負荷低于設計工況很多，對系統(tǒng)輸送設備和空調末端設備等根據(jù)空調負荷變化調節(jié)輸送介質流量而調節(jié)能耗的潛力非常巨大。第三步，我們來研究空調末端設備隨空調負荷變化調節(jié)介質流量的可行性。附圖左是空氣處理設備（AHU）隨風量改變其輸出熱量的變化關系。大家可以看到，當空調機組風量改變時，其全熱變化并不是等比下降，當循環(huán)風量下降至50%時，其熱量輸出為額定值的70%，而當系統(tǒng)負荷下降為50%時，其風量為額定風量的30%。說明隨輸出熱量改變其風量可調節(jié)性能較好，風機電功率節(jié)能潛力較大。附圖右是空氣處理設備（AHU）隨水流量改變其輸出熱量的變化關系。大家可以看到，當空調機組循環(huán)水流量改變時，對其顯熱變化和潛熱變化的影響程度是不一致的，當循環(huán)水流量在80-100%之間變化時，其顯熱量輸出值基本不改變，當顯熱輸出下降為50%時，其水流量僅為額定流量的20%，而潛熱輸出量的變化基本與水流量成正比，下降趨勢非常明顯。可看到對系統(tǒng)濕度要求不太嚴格的情況隨熱量變化調節(jié)循環(huán)水流量的潛力也非常大，但對潛熱負荷比例較高的系統(tǒng)水流量調節(jié)應謹慎。第四步，我們來研究目前全國用電形式和暖通空調在國民電量消耗中的總量情況。到2003年底全國城市既有建筑面積為141億m2，其中住宅面積89億m2，公共建筑和工業(yè)建筑面積52億m2。采暖空調能耗占總建筑能耗的55%，全國各電網(wǎng)空調冷負荷達4500萬kw，相當于2.5個三峽水電站滿負荷出力。隨著空調制冷的日益普及，預計到2010年全國制冷電力高峰負荷將增加一倍以上，即相當于5個三峽水電站滿負荷出力，到2020年全國制冷電力高峰負荷再翻一番，達到10個三峽水電站滿負荷出力。多數(shù)電網(wǎng)負荷連續(xù)創(chuàng)歷史新高，至少10個以上省市不得不限電拉閘，企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟損失，家庭苦不堪言。盡管國家投入大量資金來建設電站和電網(wǎng)，但全國用電緊張的局勢暫時很難得到緩解。下面是北京市近幾年的電力負荷和制冷電力負荷增長狀況。隨著全國電力局勢的緊張，國家相關部委已經(jīng)發(fā)布了眾多的技術規(guī)范了行政令，重點強調暖通空調節(jié)能技術的推廣應用，因此能解決暖通空調系統(tǒng)重要能耗節(jié)約的K2000暖通智能控制系統(tǒng)將大有前途。五、K2000暖通智能控制系統(tǒng)的使用場合總體來講只要有采暖、通風、空氣調節(jié)系統(tǒng)的建筑都是K2000暖通智能控制系統(tǒng)的應用對象。從發(fā)揮巨大經(jīng)濟潛能情況來講公建項目如辦公、商業(yè)、酒店、寫字樓、運動場、休閑娛樂建筑以及工業(yè)建筑是K2000暖通智能控制系統(tǒng)運用的重點。下面從各個系列在暖通建筑中具體環(huán)節(jié)的使用做詳細劃分。（一）空調機組智能恒溫控制系統(tǒng)該系列主要使用與空調使用負荷變化范圍較大的空調系統(tǒng)的變風量機組或分段組合式空調機組。例如：酒店寫字樓大堂、辦公會議室、商場、超級市場、體育場管的等待廳等等。這種場所的空調負荷變化與人員活動量有極大關聯(lián)，而人員的數(shù)量變化是非常頻繁且變化范圍大，人員滯留之間相對較短。使用空調機組智能恒溫控制系統(tǒng)可以在很大范圍內調節(jié)空調送風量，節(jié)能意義明顯。（二）空調機組智能恒壓控制系統(tǒng)該系列主要使用與空調使用區(qū)域變化范圍較大的空調系統(tǒng)的變風量機組或全新風機組以及空調系統(tǒng)對送風量控制要求較高的風機。例如：酒店寫字樓標準層新風、教學實驗樓空調系統(tǒng)、休閑娛樂場所新風、潔凈空調系統(tǒng)、與前列建筑空調系統(tǒng)配套使用的房間排風系統(tǒng)、地下車庫的排風等等。這種場所的風機運行風量與建筑各部位的使用情況變化有極大關聯(lián)，而使用情況變化是非常頻繁且變化范圍大。使用空調機組智能恒壓控制系統(tǒng)可以在保證在用部位空調通風需求的前提下很大范圍內調節(jié)風機風量，節(jié)能意義明顯。（三）空調機組智能恒溫變風變水量控制系統(tǒng)該系列主要使用與空調使用區(qū)域變化范圍較大，空調場所對通風換氣量要求相對較高的空調系統(tǒng)的變風量機組或分段組合式空調機組。例如：展覽館、宴會廳、影院運動場所的觀眾廳、車站機場的等待廳等等。這種場所的風機運行風量與建筑各部位的使用情況變化有極大關聯(lián)，而使用情況變化是非常頻繁且變化范圍大。使用空調機組智能恒壓控制系統(tǒng)可以在保證在用部位空調通風需求的前提下很大范圍內調節(jié)風機風量，節(jié)能意義明顯。（四）空調機組智能恒壓恒溫恒濕控制系統(tǒng)該系列具有強大的控制功能，能同時控制溫度、濕度和風量，主要使用與潔凈場所的變風量機組或分段組合式空調機組。例如：手術室、醫(yī)藥車間、電子廠房、食品車間等場所。這種場所對風機運行風量要求極高，同時也需要精確的溫濕度控制。使用空調機組智能恒壓恒