冷机群控系统控制策略

陈奇 张云中

北京市第三建筑建筑工程有限公司 北京市 100044

摘要：我国能源紧缺、能耗高，尤其空调能耗巨大，为了提高中央空调（冷机）的运行效率，方便操作、使用，提高空调能耗比，冷机群控系统越来越得到用户的重视和应用，不同的空调冷水系统对应有不同的群控策略，冷机群控作为独立的控制系统我们非常有必要做仔细的研究，从制冷原理和冷机工作原理以及围绕冷机运行的各个机电设备工作原理出发，从而实现对整个暖通空调系统冷源的全面自动控制、能源管理及分析系统，控制对象包括冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、过渡季板换、补水系统和各种相应的阀门等设备。

本文介绍了一次泵变流量空调水系统冷机群控系统设计方案，从中可以了解到建筑物中空调冷水系统配置了哪些机电设备，水路系统是怎么构建工作的。

论文介绍了冷机群控的定义、作用、特点、功能和控制对象。详细分析了各类受控对象启动顺序，得出了针对不同受控设备科学的控制策略从而分析受控对象最佳的的节能手段。

并且对冷机群控系统调试做出基本分析，使冷机群控系统达到最佳运行效果。

关键词：冷机群控，能耗比，节能

引言

随着经济的快速发展与人民生活水平的不断提高，城市建设中现代化建筑的不断增多与新型建筑的蓬勃发展，使国家对能源有巨大的需求。但我国目前能源储存有限、能源利用率较低，这就迫使我们要把节能问题提到一个重要的位置上来。空调系统的出现为人们创造了舒适的空调环境，空调应用日益广泛，节能降耗成为空调系统设计的关键。

另外，目前我国大多数建筑的空调系统仍采用人工操作、维护、记录的方式进行监测、控制和管理。随着计算机技术、信息技术和自控技术的高速发展， 以及它们在暖通空调领域的广泛应用，利用自动化控制系统代替传统的仪器、仪表能够更有效的对空调系统进行科学、精确控制，在保证舒适性的同时提高空调系统的运行性能，节省运行能耗，以及降低运行管理费用和降低管理人员的劳动强度。

冷机群控系统的研究与设计对空调系统节能具有重要意义。

1. 冷机群控系统的概念

1、冷机群控系统定义

依据建筑物的空调负荷需求，自动调节优化控制多台冷水机组及相关外围设备的运行^[1]。系统采集和控制各类输入输出信号，自动控制多台冷水机组的加卸载，同时也连锁控制相关的冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等设备。冷机群控系统中的监控计算机为管理者提供图形化的操作界面，在操作界面上可监视这些设备的各种重要参数，并通过对设备运行状态的了解，可设定或修改各类运行参数，如设定冷机运行时间表、修改冷机的出水温度控制值等。

2、冷机群控系统的目的

（1）提高空调系统的运行效率，节能；

（2）提高用户的居住空气舒适度；

（3）自动控制、节省人力，提高工作效率；

（4）保护设备、延长使用寿命。

3、冷机群控系统主要特点和功能

（1）根据室外温度或时间表，自动投入或停止冷机群控的功能；

（2）在运行时间内，以合理的机组运行台数匹配用户负荷，实现节能、高效运行；

（3）平衡各机组的运行时间，延长机组寿命；

（4）具有对指定的运行机组开关相关冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及电动蝶阀的功能；

（5）显示冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及电动蝶阀等和冷水机组的运行状态和主要参数；

（6）通过控制器对冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等实现连锁控制，并可根据突发事件自动启停备用设备；

（7）方便不同级别操作人员管理，自动记录与打印数据，图形化监控界面形象生动；

2. 国家会议中心二期项目冷机群控系统设计

1、项目概况

国家会议中心二期位于北京市朝阳区奥林匹克中心区 B25、B26 地块，建筑总面积约 41.6 万平米，建设主要用于会议和展览，展览部分位于 B25 地块首层和地下二层，会议部分位于 B26 地块首层和 B25、B26 地块二层，高端会议部分位于 B25、B26 地块三层，其它地下一层、地下二层为配套功能用房。

空调水系统为一次泵变流量系统。

2、冷机群控系统监控内容

冷源群控系统是对整个暖通空调系统冷源的全面自动控制、能源管理及分析系统，控制对象包括冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、过渡季板换、补水系统和各种相应的阀门等设备。

冷源群控系统监控设备清单见下表：

3、冷机群控系统架构

冷源群控系统设备包括工作站、显示器、打印机、网络交换机、网络控制器、DDC控制器及各种传感器组成，实现整个冷源系统的自动控制功能，同时通过BACNET/IP通讯协议与大楼BMS控制系统连接，BS系统可通过BACNET开放通讯协议直接与冷源群控系统的控制网络进行数据交换，收集制冷站的数据资料，达到控制中央制冷站的目的。冷源群控系统网络架构如图1-1。

图2－1 冷源群控系统网络架构图

3. 冷机群控系统控制策略

1. 工作模式切换

当空调系统有制冷需求时，群控系统根据室外湿球温度切换冷机供冷/免费制冷工作模式：

（1）若有空调需求，当室外温度低于 7 度（可修改）持续 2 小时（可修改）时， 启动免费制冷模式，空调冷源主要由板式换热器系统提供，大冷机系统备用；

（2）若有空调需求，当室外温度高于 7 度（可修改）或免费制冷系统不可用时，开启冷机制冷模式；

2. 冷机供冷工作模式

此工况下，8 台冷水机组作为空调系统冷源供应大楼冷冻水，热泵机组作为备用冷源。

3. 冷水机组系统控制策略

1. 投入运行设备对应关系

上述同类设备按上述对应关系互为备用，当在用设备发生故障或给出开启信号30S没有正常启动时，及时启用备用设备，停止在用设备。

冷水机组的运行编号和运行台数分别依据均衡运行策略和自动加卸载策略而定，冷却塔运行台数也是根据冷却水供水温度与设定值偏差而定。

（2）顺序启动

当任何一台制冷机组需投入使用时，启动顺序如下：

冷却塔进出水蝶阀开启→阀门开到位→冷却塔风机投入使用→制冷机组冷却水电动蝶阀开启→制冷机组冷冻水电动蝶开启→阀门开到位→冷却水泵开启→延时10S→冷冻水泵开启→延时120S→制冷机组开启。

（3）顺序停止

当任何一台制冷机组需停止使用时，停止顺序如下：

制冷机组停止→延时120S→冷却水泵停止→冷却塔风机停止→延时600S→ 冷冻水泵停止→延时30S→制冷机组冷却水电动蝶阀关闭→制冷机组冷冻水电动蝶阀关闭→冷却塔进出水蝶阀关闭。

（4）均衡运行时间

每次加减机组时，包括制冷机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔均遵循以下原则：增加启动的设备为运行时间最短，减少的设备为运行时间最长；

（5）冷却水系统控制

A.冷却水泵投入台数控制：

根据制冷机组启停台数确定冷却水泵投入运行台数，制冷机组与冷却水泵对应关系遵照前表，同类冷却水泵互为备用；

当感应到任意冷却水泵出现故障报警（包括跳闸故障、控制失效）时，根据最小运行时间选择同类备用冷却水泵自动投入使用，关闭故障冷却泵；

B.冷却塔控制：

任一冷机启动时先启动1套冷却塔，保持冷却塔运行台数不低于冷机运行台数，当监测冷却水供水温度高于设定值+1 度持续5分钟（可调整）时，增加1套冷却塔投入使用；冷却塔台数> 冷机台数情况下，当监测冷却水供水温度低于设定值‐1度持续5分钟时，减少一台冷却塔运行，但保持冷却塔运行台数不低于制冷机运行台数；

C.冷却水旁通阀控制：

当只有冷却塔风扇均停止时，根据冷却水最低水温设定值（18度，可修改） 与冷却水供水温度实测值比较自动调节冷却水旁通阀，以维持冷机冷却水进水温度不低于最低值；

（6）冷冻水系统控制

A.冷冻水泵投入台数控制：

板式换热器与冷冻水泵对应关系遵照前表，同类冷冻水泵互为备用；

当感应到任意冷冻水泵出现故障报警（包括跳闸故障、控制失效）时，根据最小运行时间选择同类备用冷冻水泵自动投入使用，关闭故障冷冻泵；

B.冷冻水泵变频控制：

冷冻水泵变频控制由冷站供回水压差和冷站压差设定值比较，通过CPO10运算结果，在保证冷冻水泵高效运行的情况下，调节冷冻泵频率和台数，以稳定供回水压差，冷冻水泵设置最低频率35HZ（可调整）和最高频率50HZ（可调整）限制。

C.冷冻水旁通阀控制：

当只有一台冷冻水泵投入使用并在最低频率运行时，根据冷冻水工会是压差 设定值与实测值比较自动调节供回水旁通阀，以维持冷冻水系统的压差稳定^[2]；

4. 免费板换供冷工作模式

此工况由板式换热器系统作为系统主要供冷冷源，板换换热器启用时，配套冷却泵、冷冻泵、冷却塔对应关系参见前表；

（1）顺序启动

当板换机组需投入使用时，启动顺序如下：

冷却塔进出水蝶阀开启→阀门开到位→冷却塔风机投入使用→板式换热器冷却水电动蝶阀开启→板式换热器冷冻水电动蝶开启→阀门开到位→冷却水泵开启→延时10S→冷冻水泵开启。

（2）顺序停止

当板式换热系统需停止使用时，停止顺序如下：

冷却水泵停止→冷却塔风机停止→延时300S→冷冻水泵停止→延时30S→板式换热器冷却水电动蝶阀关闭→板式换热器冷冻水电动蝶阀关闭→冷却塔进出水蝶阀关闭。

（3）均衡运行时间

每次启停时，冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔均遵循以下原则：增加启动的设备为运行时间最短，减少的设备为运行时间最长；

5. 群控系统优化运行控制逻辑

（1）空调系统流程如下：

图3－1 空调系统流程图

2. 控制核心：为保证空调末端的高效运行，制冷系统需要保证冷冻水供水温度、冷冻水供回水温差、冷冻水供回水压差满足空调末端的需求；

3. 控制要素：而控制节能的最终目标是机房所有设备的总能效最高，因此要综合考虑四个方面：

A.冷机

B.冷冻水泵

C.冷却水泵

D.冷却塔

真正是否节能的评价指标就是机房能效

机房能效=

其中，制冷机组的能耗占比最大，所有整个制冷系统节能策略优先考虑保证制冷机组的能效最高；基于此，本冷站群控系统节能优化措施如下：

1. 负荷匹配，根据负荷自动匹配冷机运行台数和运行类型，保证冷机在高效区运行；

2. 冷却水温度重设；

3. 冷冻水温度重设；

4. 冷机群控系统的调试

1、冷机群控系统调试步骤

（1）检查控制器箱是否安装到位。

（2）检查这些控制器至受控设备的信号电缆是否接线正确。电缆走向，桥架线槽安装是否合理、符合规范。

（3）测试连接到每个控制器的所有设备信号是否正确。采取如：短接电缆、模拟 4~20V/0~10V 信号通过控制电缆来动作一下受控设备，看看受控设备能否正常运行、动作。

（4）检查控制器之间连接的通讯网络电缆是否安装、连接正确。

（5）为每个控制器下载已设计好的程序，检测控制器读到的受控设备信号是否正确，控制器发给受控设备的测试强制命令是否有效。

（6）以上步骤全部完成且正确的话就可以进行整个系统的联动调试了。联动调试是检验整个冷机群控系统是否按照设计要求全自动投入运行，全部受控设备是否依据程序运行正常。

（7）联动调试正常完毕后，分析整个群控系统是否达到设计目的：使冷机运行可靠，高自动化率，设备运行节能。

五、结 论

冷机群控系统的核心是对冷水机组群的合理、优化加卸载控制，采用正确的控制策略将帮助有效的达到这个目的。本文详细分析了冷机制冷、调节的工作原理，得出了降低冷机运行能耗的三种控制策略。其中包括了冷水机组群科学的加卸载判断逻辑，这种控制策略已在许多项目中得到了运用，经受了考验，起到了保护设备，提高工作效率，节能降耗的作用，获得了用户的认同。

其次，通过对冷机外围辅助机电设备的深入研究，了解了如何正确的配置相关自控设备（如：电动阀门等），分析指出了当前常见的一些不合理的连锁逻辑，给出了对这些外围设备的合理的连锁启停逻辑。

参考文献

[1]荣剑文. 冷机群控系统设计. 上海交通大学工程硕士学位论文. 2008.2.

[2]荣剑文. 冷水机组群空策略的讨论. 智能建筑. 2006(3).

附 录

国家会议中心二期项目冷源系统自控原理图。

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