周愛農(nóng)，張勝強(qiáng)

(重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 400015)

1 前言

江水源集中供冷供熱系統(tǒng)是以江水為低位熱源，由水源熱泵機(jī)組、江水換熱系統(tǒng)、建筑物末端用戶系統(tǒng)組成的制冷、供熱系統(tǒng)，其利用江水能源為冷熱源，為人們提供舒適的工作環(huán)境和生活環(huán)境，同時(shí)也為城市建筑群提供巨大的能源消耗找到一條有效利用清潔能源的途徑。

江水源集中供冷供熱系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其運(yùn)行工況、供冷供熱負(fù)荷受季節(jié)變化、天氣變化、環(huán)境條件、供冷供熱區(qū)域人流量增減等諸多因素的綜合影響，是隨時(shí)變化并始終處于波動(dòng)之中。建筑群年最大負(fù)荷的出現(xiàn)時(shí)間只有幾十小時(shí)，絕大部分時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行在部分負(fù)荷條件下。如果系統(tǒng)的運(yùn)行方式不能根據(jù)負(fù)荷的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，始終在額定容量下運(yùn)行，勢必導(dǎo)致節(jié)能效益的降低，給企業(yè)造成巨額電費(fèi)支出，增加了運(yùn)營成本，降低了競爭優(yōu)勢。

為了有效地降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)冷（熱）媒流量跟隨末端負(fù)荷的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，降低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)造成的能源浪費(fèi)，合理運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、負(fù)荷預(yù)測動(dòng)態(tài)控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集中供冷供熱系統(tǒng)的智能化控制，合理優(yōu)化集中供冷供熱系統(tǒng)的控制策略，保障系統(tǒng)設(shè)備在任何負(fù)荷條件下都能保持高效率（COP）運(yùn)行，對系統(tǒng)節(jié)能降耗具有重要的作用。

2 工程概況

某江水源集中供冷供熱能源站系統(tǒng)為城市CBD一期B區(qū)184萬平方米建筑提供空調(diào)冷熱源。系統(tǒng)采用江水源熱泵系統(tǒng)和蓄冰空調(diào)冷熱源系統(tǒng)組合的混合系統(tǒng)，制冷主機(jī)為熱泵主機(jī)，蓄冰裝置為外融冰蓄冷設(shè)備，冷卻水系統(tǒng)為江水水源系統(tǒng)。供冷供熱區(qū)域管網(wǎng)通過主管進(jìn)行供冷供熱循環(huán)，在每個(gè)CBD功能區(qū)域自身建設(shè)獨(dú)立的供冷供熱循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過相應(yīng)支管和板式換熱器與能源站的循環(huán)主管進(jìn)行冷熱量的交換。

系統(tǒng)空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷100.9MW，由取水站（提供冷卻水）、能源站（制備冷量）、空調(diào)供冷供熱管網(wǎng)（輸送冷量）及末端區(qū)域用戶供冷系統(tǒng)（使用冷量）四個(gè)子系統(tǒng)組成，能源站由三臺(tái)制冷/制熱基載離心式水源熱泵機(jī)組、兩臺(tái)制冷/制熱/制冰三工況離心式冷水機(jī)組、四臺(tái)制冷/制冰雙工況離心式冷水機(jī)組及相應(yīng)的水泵、外融冰蓄冰設(shè)備、熱交換器構(gòu)成（圖1）。

江水源集中供冷供熱系統(tǒng)由四大系統(tǒng)組成（圖2）。系統(tǒng)控制策略按照需求決定響應(yīng)的邏輯順序包括：末端區(qū)域用戶系統(tǒng)的控制策略、管網(wǎng)的控制策略、能源站的控制策略及取水系統(tǒng)的控制策略。

圖2 江水源集中供冷供熱系統(tǒng)組成

3 區(qū)域用戶系統(tǒng)的控制策略

區(qū)域用戶系統(tǒng)是江水源集中供冷供熱系統(tǒng)的末端部分，區(qū)域用戶供冷系統(tǒng)的工況流程如圖3所示。

圖3 區(qū)域用戶供冷系統(tǒng)圖

3.1 區(qū)域空調(diào)負(fù)荷

能源站控制中心需根據(jù)區(qū)域用戶的實(shí)際空調(diào)負(fù)荷并以此為依據(jù)做出整體的負(fù)荷預(yù)測，進(jìn)而確定合理的能源站運(yùn)行策略。在區(qū)域空調(diào)冷凍水供水溫度得到保證的前提下，空調(diào)負(fù)荷的變化體現(xiàn)在供水流量和冷凍水回水溫度上，在區(qū)域用戶入口處設(shè)置電磁流量計(jì)，供、回水溫度傳感器用作測量區(qū)域用戶實(shí)際空調(diào)負(fù)荷用途。

3.2 區(qū)域用戶系統(tǒng)的控制策略

區(qū)域用戶板換間的控制目標(biāo)參數(shù)是二次冷凍（熱）水供水溫度，通常板換間由區(qū)域業(yè)主自建，二次水冷凍水泵與一次水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由就地設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，在空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化之后，板換間內(nèi)板換一次水出口管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)整閥門開度改變一次側(cè)的流量從而響應(yīng)實(shí)際空調(diào)冷負(fù)荷，維持二次冷熱水供水在設(shè)定溫度，并與用戶協(xié)議約定能源站回水溫度要求值，保證能源的有效交換輸送。

區(qū)域用戶系統(tǒng)一次水的水壓由能源站外網(wǎng)循環(huán)泵提供，區(qū)域用戶供回水壓差是能源站外網(wǎng)循環(huán)泵變頻調(diào)節(jié)的主要依據(jù)之一，在一次供回水管道上設(shè)置壓差傳感器監(jiān)測供回水壓差。每個(gè)板換間均設(shè)一套PLC控制器，相對獨(dú)立完成換熱站的運(yùn)行監(jiān)控功能，并通過系統(tǒng)PROFIBUS總線與能源站大系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享并實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)自控運(yùn)行。

3.3 區(qū)域用戶能量計(jì)費(fèi)

在板換間設(shè)置能量計(jì)費(fèi)儀，接入PLC控制器，實(shí)現(xiàn)冷熱能量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和就地顯示功能。數(shù)據(jù)查詢功能包括瞬時(shí)熱量、月用量查詢和用戶資料查詢，在上位機(jī)上顯示選定某段時(shí)間內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，方便物業(yè)計(jì)量管理。

3.4 各區(qū)域用戶系統(tǒng)的組網(wǎng)

現(xiàn)場總線由基金會(huì)現(xiàn)場總線FF、CAN總 線 、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-link等多種通信協(xié)議與組網(wǎng)方式，通信介質(zhì)一般為雙絞線、光纖，針對項(xiàng)目情況采用Profibus DP通訊網(wǎng)絡(luò)，通信速率1.5Mbps，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，各區(qū)域用戶控制系統(tǒng)采用光環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，任一單點(diǎn)故障不影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 管網(wǎng)的控制策略

在整個(gè)集中供冷供熱的空調(diào)管網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，能源站并聯(lián)運(yùn)行的外網(wǎng)循環(huán)冷凍水泵組的自動(dòng)控制是最為關(guān)鍵的自控內(nèi)容。集中供冷供熱是變流量－變壓頭系統(tǒng)，在變壓系統(tǒng)中，隨著空調(diào)負(fù)荷的下降，所需冷凍水流量減小，揚(yáng)程也降低，由N=ρgQH/1000式可知，其水泵功率的下降受流量Q、揚(yáng)程H的影響，其功率下降程度遠(yuǎn)大于定壓系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的變流量－定壓頭系統(tǒng)能取得更大的節(jié)能效果。

外網(wǎng)循環(huán)水泵的基本控制原理是先對整個(gè)冷凍水管網(wǎng)的各區(qū)域壓差監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過PLC控制網(wǎng)絡(luò)讀取每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置的壓差檢測點(diǎn)的壓差數(shù)據(jù)，然后將實(shí)際壓差與目標(biāo)壓差的數(shù)據(jù)之差進(jìn)行排序，找到一個(gè)當(dāng)前相對最不利（差值的絕對值最大，負(fù)值優(yōu)先）的壓差檢測點(diǎn)，以此最不利點(diǎn)的壓差信號作為控制目標(biāo)參數(shù)，控制的外網(wǎng)循環(huán)水泵變頻。在滿足所有用戶空調(diào)需求的前提下，通過變流量－變壓頭的控制方法，在負(fù)荷下降的時(shí)候減少大功率的外網(wǎng)循環(huán)水泵遠(yuǎn)距離輸送流體時(shí)需要消耗的電功率，使區(qū)域供冷的空調(diào)管網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 能源站的控制策略

在能源站設(shè)置控制系統(tǒng)中心，整個(gè)工程的控制系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)，由中央監(jiān)控電腦、PLC主站、若干現(xiàn)場控制分站、打印顯示設(shè)備及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器構(gòu)成。采用Profibus DP通訊網(wǎng)絡(luò)，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，PLC主站采用冗余設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)整體控制策略采用基于負(fù)荷預(yù)測的動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，通過各區(qū)域用戶空調(diào)負(fù)荷的變化預(yù)測計(jì)算未來時(shí)刻的負(fù)荷，據(jù)此確定冷（熱）水流量，在保證外網(wǎng)最不利用戶資用壓頭工藝要求下變頻調(diào)節(jié)外網(wǎng)循環(huán)泵，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；由供冷（熱）需求量經(jīng)過系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化啟停、PID控制、時(shí)間通道、設(shè)備群控、動(dòng)態(tài)圖形顯示、能耗統(tǒng)計(jì)等。

5.1 負(fù)荷預(yù)測

系統(tǒng)在自動(dòng)控制模式運(yùn)行利用負(fù)荷預(yù)測軟件功能，將預(yù)測出的空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷作為系統(tǒng)優(yōu)化控制的依據(jù)。負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)是實(shí)際空調(diào)負(fù)荷數(shù)據(jù)即區(qū)域能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中積累的負(fù)荷數(shù)據(jù)，隨著實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的增加，實(shí)際數(shù)據(jù)不斷修正預(yù)測數(shù)據(jù)，使預(yù)測數(shù)據(jù)越來越準(zhǔn)確，越來越接近實(shí)際。

負(fù)荷預(yù)測方法：

I、采集原始數(shù)據(jù)；

Ⅱ、數(shù)據(jù)模糊處理；

Ⅲ、負(fù)荷預(yù)測

式中b表示往日影響程度的遞推系數(shù)，φ表示氣候的影響函數(shù)。

5.2 優(yōu)化控制

優(yōu)化控制的目標(biāo)是在滿足負(fù)荷的前提下轉(zhuǎn)移更多的高峰電力到低谷時(shí)段。

優(yōu)化控制根據(jù)負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果及電價(jià)政策對當(dāng)天的制冷負(fù)荷與融冰負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配，制定最優(yōu)的運(yùn)行策略，即不同工況的運(yùn)行時(shí)間表、某一工況下各設(shè)備開、關(guān)狀態(tài)和主要設(shè)備投入數(shù)量。當(dāng)實(shí)際負(fù)荷與預(yù)測負(fù)荷出現(xiàn)偏差時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將控制各電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作以及主機(jī)的卸載與上載，在滿足空調(diào)負(fù)荷的前提下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

優(yōu)化控制的方法：

I、將冰量在供冷期間內(nèi)進(jìn)行分配，并保證滿足供冷期間各時(shí)段負(fù)荷要求、主機(jī)在較高效率范圍內(nèi)運(yùn)行、使冰全部融完。

Ⅱ、根據(jù)主機(jī)分配冷（熱）量及主機(jī)高效率范圍確定制冷機(jī)開啟臺(tái)數(shù)。

Ⅲ、根據(jù)預(yù)測供冷期間負(fù)荷確定總制冰量。

Ⅳ、根據(jù)總制冰量及制冰期間空調(diào)負(fù)荷確定夜間制冰主機(jī)開啟臺(tái)數(shù)，保證主機(jī)制冰在高效率下運(yùn)行。

5.3 管理平臺(tái)

系統(tǒng)控制管理平臺(tái)由監(jiān)控軟件、優(yōu)化控制軟件、負(fù)荷預(yù)測軟件、能源管理軟件、可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)及相關(guān)服務(wù)器與操作站組成。

集成控制管理平臺(tái)軟件是遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行管理的中心，采用三維圖形管理界面，具有通過表格、圖形的趨勢數(shù)據(jù)瀏覽、查閱一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)組合的功能，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)源信息。支持多級密碼保護(hù)和冗余備份。

負(fù)荷預(yù)測優(yōu)化控制軟件輸出24小時(shí)運(yùn)行時(shí)間表及每小時(shí)的運(yùn)行工況等基本運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將時(shí)間表導(dǎo)入，在時(shí)間表的指導(dǎo)下運(yùn)行。在自控系統(tǒng)得到了優(yōu)化控制軟件制定的控制策略之后，自控系統(tǒng)則根據(jù)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)融（制）冰量以及主機(jī)的卸載與加載。當(dāng)預(yù)測表嚴(yán)重偏離實(shí)際需要時(shí)，自控系統(tǒng)可增加或減少開啟各設(shè)備臺(tái)數(shù)。

5.4 運(yùn)行模式與運(yùn)行工況

集中供冷供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)需提供兩種運(yùn)行模式，依靠負(fù)荷預(yù)測優(yōu)化控制的全自動(dòng)運(yùn)行模式及需要管理人員進(jìn)行干預(yù)的自定義運(yùn)行模式。

在系統(tǒng)運(yùn)行初期負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)尚未積累足夠的負(fù)荷數(shù)據(jù)時(shí)以及負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)按照自定義控制模式運(yùn)行。

在系統(tǒng)運(yùn)行取得相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行周期、效率、節(jié)能狀況與外部環(huán)境、江水情況、氣候狀況、用戶末端使用等諸多環(huán)節(jié)總結(jié)研究后也可采用人工干預(yù)的自定義控制模式。

在自定義運(yùn)行模式下，有多種工況可供選擇，包括熱泵機(jī)組聯(lián)合空調(diào)供冷工況、制冰與基載供冷工況、主機(jī)供冷工況、融冰供冷工況、供熱工況。

5.5 運(yùn)行誤差的修正

由于系統(tǒng)無法始終保持按時(shí)間表的參數(shù)運(yùn)行，以及設(shè)備啟停的滯后現(xiàn)象，使得運(yùn)行一段時(shí)間后剩余冰量與控制要求出現(xiàn)偏差，負(fù)荷預(yù)測軟件將自動(dòng)檢測剩余冰量，并與已經(jīng)輸出的運(yùn)行策略中的剩余冰量進(jìn)行比較，重新分配以下供冷時(shí)段內(nèi)每小時(shí)的融冰量，重新生成新的運(yùn)行時(shí)間表及每個(gè)時(shí)段內(nèi)的運(yùn)行工況等基本信息并輸出給自控系統(tǒng)。

5.6 可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù) 《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》及《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測評導(dǎo)則》系統(tǒng)應(yīng)檢測以下參數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至相關(guān)管理部門，并滿足數(shù)據(jù)采集頻率與數(shù)據(jù)上傳頻率的要求（30分鐘/次）。

監(jiān)測不同類型熱泵機(jī)組熱源側(cè)、用戶側(cè)進(jìn)、出口水溫、流量、機(jī)組輸入功率。

監(jiān)測系統(tǒng)熱源側(cè)、用戶側(cè)進(jìn)、出口水溫、流量、系統(tǒng)耗電量。

監(jiān)測室外溫濕度。

6 取水系統(tǒng)的控制策略

取水系統(tǒng)包括取水頭部、自流引水管、取水泵房、斜管沉砂池、二級泵房、加藥系統(tǒng)、輸水管道。

取水系統(tǒng)控制的關(guān)鍵參數(shù)能源站江水排水溫度與一二級取水泵的流量匹配。在能源站排水管設(shè)置溫度傳感器 （變送器），根據(jù)系統(tǒng)機(jī)組負(fù)荷確定江水需用量，確定二級取水泵開啟臺(tái)數(shù)及變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量，保證排水溫度在設(shè)定值，已降低水泵耗能。在清水池設(shè)置液位傳感器（變送器），根據(jù)池內(nèi)水位變化確定一級取水泵開啟臺(tái)數(shù)及變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量，并確保一二級取水泵的流量匹配。

7 儀表的選用

7.1 控制系統(tǒng)的儀表選用

對于集中供冷供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，若被控對象的監(jiān)測輸入?yún)⒘肯鄬φ`差超過5%，控制與調(diào)節(jié)就失去了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。

一般情況下，空調(diào)(自控)系統(tǒng)工程中水管插入式溫度傳感器的測量誤差為±0.5℃，溫度測量的相對誤差1%，符合暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)措施規(guī)定的 “所有與節(jié)能控制有關(guān)的檢測與調(diào)節(jié)儀表，其誤差不應(yīng)低于±1.0%”要求，但其在本系統(tǒng)中供回水溫差的最大誤差達(dá)1.0℃，對于本系統(tǒng)供回水溫為3.5／13℃的冷水系統(tǒng)來說，相對誤差可達(dá)10.5%，顯然無法滿足測量與控制的實(shí)際要求。因此本系統(tǒng)應(yīng)選用高精度的溫度傳感器與變送器，變送器的測量誤差一般為0.1%～0.3%，選用的溫度傳感器應(yīng)達(dá)到測量誤差為± (0．15+0．002|t|)℃（A級鉑電阻），這樣控制系統(tǒng)溫度輸入?yún)⒘肯鄬φ`差可控制在3.5%左右，即使考慮控制系統(tǒng)本身的控制誤差，也能滿足控制系統(tǒng)以溫度為輸入?yún)⒘康谋豢貙ο蟮目刂埔蟆?/p>

在集中供冷供熱系統(tǒng)中常用流量采集儀表有渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等，其精度范圍在0.2～2%，其精度等級均能滿足控制要求。因此系統(tǒng)通常選用電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)作為流量監(jiān)測儀表。

7.2 計(jì)量儀表的選用

按照CJ128-2007熱量表的計(jì)量準(zhǔn)確度分級標(biāo)準(zhǔn)，熱量表按相對誤差限分為三級，根據(jù)本系統(tǒng)區(qū)域用戶使用能力、流量及管徑較大的特點(diǎn)，采用計(jì)量一級表更為恰當(dāng)。一級表相對誤差限由下式定義：

系統(tǒng)選用總體精度等級（0.5+3℃/Δθ）%的冷熱型計(jì)量表，采用分體式安裝，通常能夠滿足一級表要求。

8 結(jié)語

江水源集中供冷供熱控制系統(tǒng)分為全自動(dòng)運(yùn)行模式和自定義運(yùn)行模式，全自動(dòng)運(yùn)行模式采用基于負(fù)荷預(yù)測優(yōu)化控制的控制策略。通過各區(qū)域用戶空調(diào)負(fù)荷的監(jiān)測，在保證區(qū)域用戶壓差使用要求的前提下，變頻調(diào)節(jié)外網(wǎng)循環(huán)泵，根據(jù)預(yù)測負(fù)荷，選擇確定運(yùn)行工況與運(yùn)行時(shí)間表，啟停相關(guān)設(shè)備，保證相關(guān)設(shè)備均運(yùn)行在高效率范圍內(nèi)，降低電力能源消耗與營運(yùn)成本，提高系統(tǒng)營運(yùn)效益。

自定義運(yùn)行模式是在系統(tǒng)運(yùn)行初期以及系統(tǒng)運(yùn)行取得相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)研究后采用的一種人工干預(yù)的模式。

大型江水源集中供冷供熱系統(tǒng)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，其運(yùn)行周期、效率、節(jié)能狀況與外部環(huán)境、江水情況、氣候狀況、用戶末端使用等諸多環(huán)節(jié)有關(guān)，從國內(nèi)部分項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際情況分析，達(dá)到理想狀態(tài)運(yùn)行的還不多，其中有多方面的原因。本文就某系統(tǒng)智能化控制設(shè)計(jì)實(shí)踐得出一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)供同行參考。

(注：本文在寫作過程中得到了源牌科技有限公司的協(xié)助，在此表示感謝。)