Smart2中央空调变流量优化系统

一、中央空调系统节能的必要性及可行性

对于中央空调来说，按照国家标准，系统的最大负载能力是按照气温最高，负荷最大的工作环境来设计的，就系统本身来说，存在着很大的储备空间，而实际上系统又很少在这些极限条件下工作。根据有关资料统计，中央空调设备 97% 的时间是在 70% 负荷以下波动运行，所以实际负荷总不能达到满负荷（即通常所说的“大马拉小车”）；特别是冷气需求量较少的情况下，主机负荷量低，主机耗能严重。目前，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，但冷冻水泵、冷却水泵和盘管风机不能随负荷变化作出相应调节，存在很大浪费。

为了保证有较好的运行状态和较高的运行效率，主机能在一定范围内根据负载的变化合理的加载和卸载，不让与之相配套的冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔风机一直在高负荷状态下运行；提高中央空调冷却水、冷冻水系统运行效率；降低能耗较大且运行时间较长的设备的工作时间，所以，进行中央空调节能变流量运行是必要的和可行的。

二、“Smart2中央空调变流量优化系统”节能原理

将传统的中央空调机组定流量控制系统改为变流量控制系统。将空调主机冷冻水定流量控制的方法,改变成满足空调主机运行根据工况变化的变流量控制系统。所谓变流量就是实时跟踪末端空调系统负荷的变化情况，根据末端冷热量需求的变化实时调整冷热量的供给，实现空调主机供水的变流量控制，达到最佳的节能效果。

第一、冷冻水系统的节能

冷冻水系统采用人工智能优化技术。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至Smart2系统，系统控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷量，以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，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、压差和流量运行在系统控制器给出的最优值，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，都能既保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了系统的能量消耗。

第二、冷却水系统的节能

当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，主机冷凝器的最佳热转换温度也随之变化。系统控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出主机冷凝器的最佳热转换温度（拐点温度）及冷却水最佳出、入口温度，并以此调节冷却水泵的输出频率及冷却塔风机的运行台数，控制冷却水泵转速和冷却塔风机台数，动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的数量，使冷却水的进、出口温度逼近系统控制器给出的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳转换效率状态下运行，始终保持最佳的能效比（即COP值），从而降低了空调主机的能量消耗，同时因冷却水泵和冷却塔风机经常在低于额定负荷下运行，也最大限度地节约了冷却水泵和冷却塔风机的能量消耗。

第三、制冷主机的节能

（1） 自适应启/停智能控制器将最大限度地减少设备的能耗，根据冷冻水温度和过去的冷负荷惯性/反应时间，来自动调节冷水机－泵－冷却塔的启/停时间，来逐个控制冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和冷水机组。

（2） 冷水机排序/选择用户可以选定超前/滞后冷水机，并重新安排其顺序。智能控制器将自动预测冷负荷需求/趋势，并根据过去的能效、负荷需求、冷水机－泵－冷却塔的功率和待命冷水机的情况来自动选择设备的最优组合。用户可以交替地选择最优/同等的冷水机组运行时间。冷冻水和冷却水阀门将根据冷水机的选定情况来开/关。智能控制器系统能够控制冷水机的任何配置。用户可以在某个现场位置启动冷水机组，也可以选择自动启动。任何冷水机得到开机命令却未能启动的，应按指定要求发出报警。控制器得到报警后，启动下一台最适合的机组。

（3） 最优冷水机负荷分配冷水机的能耗是最令人关注的，它由压缩方式、冷媒、制冷量、压缩机规格和换热器规格等因素构成。智能控制器将根据能效和最优设备组合来自动为每台冷水机分配负荷。智能控制器在保持冷冻水的供/回水设定值状态的同时，也将重新设定每台冷水机的冷冻水出口温度，以优化机组的负荷分配。

（4） 冷冻水重设冷水机组将根据下列方法之一（用户可选）来自动重设/调节冷冻水的出口温度

对于单台冷水机或一般供水情况，保持冷冻水的供水温度恒定（例如7℃）；保持冷冻水的回水温度恒定（例如12℃）； 冷水机的冷却水入口温度应降低到与出口温度相差3℃的范围内，以减少扬程，并获得最大限度的节能

（5） 低负荷控制

不允许单台冷水机在低于可选工况点（如30%的负荷）下运行，除非只有单台冷水机用于承担冷负荷。当冷负荷低于25%时，智能控制器将选择冷水机启停控制，以便充分发挥其能效；或根据冷负荷惯性/反应时间和档案数据来选择连续运行。

（6） 断电后自动启动

当发生断电时，所有设备将停机一段时间，这段时间的长短可以选定。然后，设备将依次启停，以最大限度地减少功率的峰值需求。

（7） 备用冷水机的自动启动

当冷水机或辅助设备不能启动，或因紧急故障而停机时，备用冷水机及其相关辅助设备应自动启动。

（8） 故障报警

智能控制器靠正反馈和/或紧急故障电路来识别并确认冷水机、泵和冷却塔风机的故障，同时将显示报警信息。

（9） 降温时间的需求限制

冷水机启动后，在达到满负荷之前，可以在一段可选的时间范围内逐步给机组加载，使其功率达到一个可选的极限值。

（10） 冷却塔控制

冷却塔风机将按照冷水机的运行来自动启停。为了实现能效最优，冷却塔风机的启/停可根据冷水机功率增量来自动选择。

（11） 泵排序和控制

泵先于冷水机启动，并根据冷水机的运行和冷负荷需求来排序。

（12）通过网络协议与冷水机组的数据通讯，读取制冷机组的全部技术参数。

本公司提供的控制方法是：通过网络协议与冷水机组进行通信，读取冷热水机组的全部参数，执行VFP空调节能管理软件进行优化控制。由于具备了对冷热水机组全面的监控功能和通讯能力，被控机组对于Smart2系统来说已经不再是一个黑匣子，在中央工作站可以全面综合地了解多台制冷机组的运行状态及参数，只有充分了解机组的详细参数，才能进行专业的控制。

第四、末端的节能

首先，中央空调末端一般是通过比例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的方式，是以增加进水的阻力来减少流体(冷冻水)在热交换器中的流动速度，这样就以浪费一大部分冷冻水的动能来达到调温，然而浪费的这一部分动能恰恰是中央空调的冷冻泵所给予，冷冻泵电机是要消耗电能，也就是采用比例阀调温浪费了一部分的电能。通过Smart2变流量优化系统则刚好可以节省冷冻泵所消耗的能耗。其次，盘管风机是以电机来驱动的，然而电机长期是以满速运行(即以工频运行)，这样风机的机械转动部分易产生磨损，机械磨损之后增加了风机电机的负载，甚至引起电机故障，减少了电机的使用寿命。

解决方案：

中央空调末端不是通过调节热交换器进水口阀门开度来调温而是通过电子方式来调温，这样节省了一大部分的电能，而且风机电机不是以满速运行，盘管风机电机是根据室内的负荷变化有效调节风机电机的转速，来调节风量达到调温目的，这样既节省了电能，又大大地减少风机的机械转动部分磨损，增加了电机的使用寿命，同时还消除了各个热交换器进水口阀门之间的影响。风机电机采用交流变频调速技术后，实现了零电流、零电压的软启动，消除了电机启动时对电网的冲击，而且还大大地降低电机运行时的噪音。

三、“Smart2变流量优化系统”的构成

将中央空调系统变流量控制节能设备分成下列4部分组成，各自具各自的功能。

1） 智能优化监控系统：主要有工业控制计算机、通信接口组成；主要用于整个中央空调系统的参数设置、优化、协调和远程监控。

2） 智能控制器：主要有PLC，频率监控器；主要用于多泵的按逻辑有序切换控制。

3） 变频控制器：主要用于电机的启动和速度控制。

4） 多点的温度、压力检测：用于空调机组的性能参数及运行工况的实时监测，是空调机组变流量控制不可缺少的要素。

由工控计算机、智能优化监控系统、变频器及传感器等组成，变流量节能控制装置的关键元器件，全部采用国际著名厂商的高可靠性产品，硬件和软件设置了多级电气互锁，确保了系统安全可靠地运行，工作寿命达 10万小时。

四、“变流量节能优化控制”系统的功能

第一、系统功能：

1）参数设置

·设置冷冻（温）水总管供回水压差、温度；

·设置冷却水总管进出水温度；

·状态监测功能

·监测空调主机开 / 停及故障状态；

·监测冷冻（温）水总管供回水压差、温度、流量；

·监测冷却水总管供回水温度；

·监测各泵组、冷却塔风机运行和故障状态；

·监测变频器运行频率，运行和故障状态。

·启动自动/手动运行状态

2） 控制功能

·启动自动/手动运行状态

·空调主机启 / 停及联动控制；

·冷冻（温）水总管供回水压差、温度差控制；

·冷却水总管进出水压力和温度差控制；

·冷却塔风机温度自适应环境条件自动控制；

·上位机多系统集成及参数优化控制。

3） 管理功能

·操作员管理及操作记录；

系统管理员可方便地为各操作员分配操作权限，系统自动记录各操作员所进行的操作行为及相关内容。

4） 故障复位

·空调主机故障复位；

·冷温水系统故障复位；

·冷却水系统故障复位；

·冷却塔风机故障复位。

5）运行模式

·管理员模式：机房操作员可以对各种设备随需要而开启，还可以对一些设定参数的默认值作出修改。

·单机联动模式：可以实现对单台主机系统的联动控制。

·智能模式：可以实现无人值守机房，系统可根据自身的设定自动运行。

6）本、远控功能。

远程控制是通过监控系统进行控制，可以分为管理员模式，单机联动模式，智能模式。本地控制是通过就地控制柜进行控制，可以分为: 手动调频控制，工频旁路控制。

7) 计时计费功能：系统提供主机、冷冻水泵、冷却水泵等设备的能耗记录及实时再现。

8) 曲线数据分析：系统提供冷冻水进出水温度、水泵频率，系统能效曲线等以便对整个空调系统运行情况作全面分析。

9）故障报警记录：各个设备发生故障的时间、内容，分析和查找故障提供帮助。

10)事件记录：对操作的事件内容记录。

第二、为了使系统中主要设备运行安全可靠，具有以下保护功能：

A 冷冻水供水低温保护

当空调主机冷冻水供水温度低于设定的下限值时，一级泵系统的冷冻水泵或二级泵系统的一次冷冻水泵应立即进入低温保护运行模式，快速提高冷冻水供水温度，直至温度值不低于设定的下限值为止，以保障空调主机蒸发器不致因温度过低而结冰冻管

B 冷冻水低流量保护：

当空调主机冷冻水供水流量低于设定的下限值时，一级泵系统的冷冻水泵或二级泵系统的一次冷冻水泵应立即进入低流量保护运行模式，快速增大冷冻水流量，直至流量值不低于设定的下限值为止，以保障空调主机蒸发器的安全

C 冷冻（温）水供回水低压差保护：

当冷冻（温）水供回水压差小于设定的下限值时，系统应自动采取增大冷冻（温）水供回水压差的措施，直至压差值不低于设定的下限值为止，以保障用户空调末端的空调效果。

D 冷冻（温）水供回水高压差保护：

当冷冻（温）水供回水压差大于设定的上限值时，系统应自动采用减小冷冻（温）水供回水压差的措施，直至压差值不高于设定的上限值为止，以保障管路系统的安全。

E 冷却水出水高温保护：

当空调主机冷却水的出水温度高于其设定的上限值时，系统应自动采取措施，降低冷却水的出水温度，直到冷却水出水温度不高于设定的上限值为止，以保障主机安全运行。

F 电源缺相保护：

当输入电源缺相时，系统设备提供电气自动保护。

G 过电压保护：

在被控电动机减速过程中，当再生能量过大，超过了制动电阻的消耗量，使直流环路电压超过规定值时，系统设备提供电气自动保护。

H 过电流保护：

当电流过大，超过容许的范围时，系统设备提供电气自动保护。

I 欠电压保护：

当电源电压异常，低于规定值时，系统设备提供电气自动保护。

J 输出短路保护：

当输出端相间短路时，系统设备提供电气自动保护。

K 接地故障保护：

当输出端单相接地时，系统设备提供电气自动保护。

五、节能效果

空调水系统和风系统节能

“变流量节能优化控制”系统通过对空调负荷的动态跟踪，实时调节空调冷冻水系统流量、实时调节冷却水系统流量、冷却塔风机的风量（台数），使其跟随负荷的变化而同步变化，最大限度地节省了电能的消耗，对空调水系统和风系统节电高达 50%--70%。通过变流量控制器，对空调主机各工质参数实时采集和智能模糊运算，并进行实时动态调整，使空调主机始终保持在最佳工况下运行，从而实现主机节能 10%--30% 。末端系统调节阀的能耗部分通过变流量优化系统而节能，通过对风机电机的交流变频调速技术后，实现了风机40%以上的节能。