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中央空调节能改造方案

北京硕人时代科技有限公司 2009-05-12 00:00:00

一、前言
中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一,电能的消耗非常大,约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计,而实际上在一年中,满负载下运行最多只有十多天,甚至十多个小时,几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载,而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载,几乎长期在100%负载下运行,造成了能量的极大浪费,也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。

二、项目概况
该建筑为办公楼,使用面积11万平方米,半圆形、分为A、B、C三个区其中A、B两区在南向的弧形面,C区在北面,冬夏区分别区最不利房间。
本建筑设计未变流量系统,末端有浮点阀,集分水器之间有压差传感变送器和电动旁通阀,循环水和冷却水管路都有电动阀门和水流开关,小冷却塔也有电动阀。
在控制系统设计和硬件选型中,我们考虑到操作员的方便和大容量采集数据和灵活通讯、编程方便等综合问题选用了硕人STEC2000一体化可编程控制器,该控制器是基于实时嵌入式LINUX操作系统和32位高速CPU,高度集成控制、远程采集、故障上传、存储和人机界面功能,具有强大通讯能力的多功能通用控制器。

三、控制器简介
STEC2000嵌入式控制器主要由两部分组成:主控制器、彩色液晶显示操作终端。其中主控制器在调试完毕投入运行后,禁止运行人员进行任何操作,出现故障时必须由我公司技术人员或经过我公司培训的系统维护人员进行故障排除。换热站或换热机组的运行人员对STEC2000控制器的所有操作只能通过液晶显示操作终端进行。其主要功能是对热网各运行参数(温度、压力、流量等)进行实时监控及采集,并根据气象环境和负荷的变化按预先设定的控制策略对网中的泵和调节阀进行自动调节,来实现换热机组或热力站的完全自动控制,同时通过VPDN、PSTN、ADSL等多种通讯方式与监控中心进行通讯。
STEC2000控制器以嵌入式技术为基础,采用Motorola 32位高速CPU和嵌入式实时LINUX操作系统,集现场采集、显示操作、控制、通讯为一体,可广泛应用于市政(热力、自来水、煤气等)、楼宇自动化(空调、安防等)等领域。STEC2000控制器采用模块化体系结构,根据控制规模选配相应的I/O模块,可以组建几个点到上百个点的现场控制设备,主要技术性能如下:
 32位CPU,主频66M,嵌入式实时LINUX操作系统
 8M FLASH 内存,16M 外存DOC,512K EEPROM
 一个10M以太网接口(RJ45),支持DDN、ADSL连接
 一个嵌入式MODEM接口,可接电话线
 一个RS232/485接口,可接GPRS通讯模块
 支持彩色液晶和键盘的复合接口
 8路16位分辨率差分模拟量输入模块
 4路16位分辨率模拟量输出模块
 12路数字量输入模块,含3路16位计数器输入
 8路继电器输出模块
 I/O模块隔离电压2500V
STEC2000控制器基本控制功能如下:
采集功能
STEC2000控制器采集温度、压力、热量等一次仪表参数并进行坏数过滤。本控制器支持按用户定义的方式将采集的电流电压数据变换为相应物理量。数据扫描周期可以在0.05-2秒之间进行设定。
存储功能
物理量数据每隔一段时间如1分钟(存储时间间隔可组态设定)保存一次,掉电后不会丢失。具有不小于8M的存储空间,可以保存长达一个采暖季的运行参数。
显示功能
STEC2000控制器支持一个5寸的彩色液晶屏。用户可以其对显示画面和参数进行自由组态,并根据运行需要完成参数的设定。
通讯功能
STEC2000控制器内置Socket Server, 标准串口(9针)、RJ45以太网接口、RJ11电话接口等硬件设施。控制器支持TCP/IP、ModBus、PPP等协议,Soket连接,232/484通讯,以太网通讯,电话拨号通讯及无线通讯连接(GSM、GPRS等)。
自检功能
STEC2000控制器上电后,自动检查主板、外围设备和I/O设备是否正常,如有异常给出报警。
控制功能
STEC2000控制器支持PID控制、逻辑控制、模糊控制等多种控制方式,可通过简单的组态进行选择。控制器还支持用户以脚本语言方式进行二次开发。
控制扫描周期小于200ms(可定义扫描周期)。
故障报警
发生报警事件时,STEC2000控制器会通过相应的通讯方式向上位机报警直至收到上位机的确认信息,报警内容包括:故障发生时间、故障内容、故障参数值(或状态)等信息。同时会在液晶的报警信息栏显示此故障信息,当多个报警存在时,报警信息会滚动显示。
人机交互
用户可以通过STEC2000控制器的键盘进行人机交互:选择控制方式,设定参数值,取消报警等。
Web访问
STEC2000控制器内置Web Server对控制器运行状态进行网页发布,用户可从任何地方通过电话线或以太网等方式登陆浏浏览网页以了解控制器运行情况。本功能受用户密码保护。
远程配置
STEC2000控制器支持远程配置更新和程序控制。例如,用户可以通过电话、以太网等方式与控制器建立连接,然后就如同本地一样对控制器进行组态。本功能受用户密码保护。
灵活配置
1个CPU主控模块最多可以支持8个扩展模块。用户可以根据所要采集数据的类型自由配置I/O模块。
完善的组态功能
STEC2000控制器提供Windows操作平台下运行的可视化图形组态环境以支持数据、控制程序、显示操作、报警、通讯管理、数据存储等各种功能的组态。
时钟功能
STEC2000控制器内置日历和时钟,且不会受系统停电影响。

四、控制方案
由于该系统中数据点多,单台控制器数据点容量不足,选用三台控制器并联运行,分别编号为STEC2000_1、STEC2000_2、STEC2000_3。在控制网络中,通过工业以太网直接进行通讯。STEC2000_1和STEC2000_2负责采集现场数据包括18路阀位状态(模拟信号),通过485转接控制器主机。并负责把采集到数据转换成0-100%之间变化的数字物理量信号。STEC2000_3是一个控制主站,带有彩色液晶显示屏,液晶屏合理设计和友好人机界面给操作带来了很大方便,用户可通过液晶面板设定每路的控制方式、输出上下限、制冷制热模式、节能模式的启用与禁止等一系列控制功能。针对本系统主要控制功能如下:
在中央空调系统设计中,冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计系数。因此,实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。
在该项目中受控设备包含:空调主机4台,冷媒水循环泵4台(2用2备90KW和55KW),冷却水循环泵4台(2用2备110KW和55KW)、热水循环泵9台(4用5备18.5KW)。
主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔分别并联,开哪台主机或水泵对水系统循环无影响。
1、 主机:使用季开始使用小主机,负荷增大到一定程度后用大主机,负荷最大时用一大一小两台。一台大主机使用超过200小时后停止使用,启动备用主机。
2、 冷冻泵:平时使用一台90KW和一台55KW,最热天使用两台90KW。
STEC2000控制器通过温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存,并计算出温差值;然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率,以控制电机转速,调节出水的流量,控制热交换的速度;温差大,说明室内温度高系统负荷大,应提高冷冻泵的转速,加快冷冻水的循环速度和流量,加快热交换的速度;反之温差小,则说明室内温度低,系统负荷小,可降低冷冻泵的转速,减缓冷冻水的循环速度和流量,减缓热交换的速度以节约电能。



3、 冷却泵:平时使用一台110KW和一台55KW,最热天使用两台110KW。
由于冷冻机组运行时,其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温,再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大,说明冷冻机负荷大,需冷却水带走的热量大,应提高冷却泵的转速,加大冷却水的循环量;温差小,则说明,冷冻机负荷小,需带走的热量小,可降低冷却泵的转速,减小冷却水的循环量,以节约电能。
4、 热水泵:共三组每组三台,平时以1+1+2的形式使用四台。
5、 冷却塔:四个塔,三大一小共7台风机。使用其中两台大的。
根据冷却水的温度,由温度传感器传送信号至STEC2000控制器,由STEC2000控制器经计算后对冷却塔风机依次开启,以28℃为基数,温度每上升2℃,开启散热风机,每下降2℃,延时5分钟后停止风机,以达到节能效果。
6、 控制流程:
开机:开启冷水及冷却水泵,由STEC2000控制器控制冷水及冷却水泵的启停,由冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号,开启制冷机,由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量,同时STEC2000控制器控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数。
停机:关闭制冷机,冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十分钟后自动关闭。
保护:由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护,压力偏低时自动开启补水泵补水。
集中控制时需兼顾A、B、C三个区的舒适性问题,如有必须可加电动阀调节各区的供水量分配。
根据事先排定的工作及节假日时间表,定时启停冷水机组及相关设备。完成冷却水循环泵、冷却水塔风机、冷冻水循环泵、电动蝶阀、冷水机组的顺序连锁启动及冷水机组、电动蝶阀、冷水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔风机的顺序连锁停机。
夏季根据建筑实际所需冷负荷,监测冷水总供回水温度及回水流量,由冷水总供水流

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