濠信節(jié)能科技（上海）有限公司（益浩科技國內(nèi)子公司）周利靖徐萍

UPPC超高效冷凍機房節(jié)能控制系統(tǒng)

濠信節(jié)能科技（上海）有限公司（益浩科技國內(nèi)子公司）周利靖徐萍

0　引言

近年來，隨著電力成本的逐年增長，企業(yè)對建筑運行成本控制的要求也越來越高。這為節(jié)能減排新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了前所未有的市場機遇。越來越多的建筑物管理者和設(shè)計者正改變思路，考慮如何通過改造現(xiàn)有系統(tǒng)提高管理水平和將先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計理念應(yīng)用到項目中來降低運行成本。中央空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗中占比例最大的設(shè)備系統(tǒng)，對其控制系統(tǒng)采取節(jié)能設(shè)計和改造，是提高整個建筑物能效最直接有效的方法之一，這為以中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)為核心技術(shù)的益浩科技有限公司(“益浩科技”)創(chuàng)造了極佳的市場機遇。

濠信節(jié)能科技（上海）有限公司自主研發(fā)的UPPC?(Ultra Performance Plant Controller)超高效冷凍機房節(jié)能控制系統(tǒng)，通過專利尋優(yōu)識別算法對冷凍機房中各設(shè)備進(jìn)行實時、主動尋優(yōu)控制，以機房中各設(shè)備的基本特性為基礎(chǔ)，以實時制冷負(fù)荷為控制依據(jù)，將整個冷凍機房保持在整體能耗最低點、整體效率最高化的運行模式。UPPC?中央空調(diào)冷凍機房節(jié)能控制系統(tǒng)，適用于大型商業(yè)、辦公樓宇、酒店等公共建筑項目，以及工業(yè)領(lǐng)域中的各種類型的建筑中，通過UPPC?超高效系統(tǒng)的控制，中央空調(diào)冷凍機房的運行效率比傳統(tǒng)冷凍機房大幅提高，可大幅度降低能耗，取得良好的經(jīng)濟效益。

1　UPPC?介紹及系統(tǒng)組成

UPPC?是一個適用于各類冷凍機房的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)（包括一次水、二次水系統(tǒng)，定頻、變頻冷凍機等），以整體能耗最低、整體效率最高為目標(biāo)，以機房中各設(shè)備的基本特性為基礎(chǔ)，以實時制冷負(fù)荷為控制依據(jù)，通過專利尋優(yōu)識別算法對冷凍機房中各設(shè)備進(jìn)行實時、主動尋優(yōu)控制。

UPPC?技術(shù)突破了傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能的觀念，以中央計算機和工業(yè)可編程控制器（PLC）為硬件核心、以UPPC?尋優(yōu)算法為軟件核心、以傳感器為監(jiān)測、以變頻控制為手段的群控系統(tǒng)解決方案，大幅提高了節(jié)能效率。UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)實時負(fù)荷跟蹤冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及水力系統(tǒng)的運行曲線，對每臺設(shè)備采用主動式控制和整個機房設(shè)備進(jìn)行集成尋優(yōu)控制，從而實現(xiàn)整個冷凍機房綜合能耗最低的目標(biāo)。

UPPC?控制系統(tǒng)為兩層構(gòu)架，上位機為工業(yè)控制計算機，負(fù)責(zé)整體尋優(yōu)算法的控制、控制策略的實現(xiàn)、整個機房運行狀態(tài)的監(jiān)視。下位機為工業(yè)級可編程控制器PLC，實際控制各相關(guān)設(shè)備的運行（見圖1）。

（1）中央計算機

中央控制站以工業(yè)級控制計算機為硬件基礎(chǔ)，安裝有UPPC?核心尋優(yōu)控制軟件。作用相當(dāng)于“大腦”，對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并制定優(yōu)化控制程序(判定各主要系統(tǒng)裝置的最佳流量及溫度設(shè)定),然后對冷凍機房設(shè)備和設(shè)定進(jìn)行中央控制，并將計算結(jié)果傳遞給各設(shè)備控制子站作為執(zhí)行的依據(jù)。另外，中央控制站的軟件界面承擔(dān)了機房日常運行管理的工作。

圖1 UPPC系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）UPPC?尋優(yōu)控制軟件

中央計算機的軟件核心部分是通過數(shù)學(xué)建模、程序優(yōu)化構(gòu)建而成的尋優(yōu)計算模塊。軟件的主要任務(wù)為：1. 定時從下位機采集所需的傳感器數(shù)據(jù)；2.將獲取到的數(shù)據(jù)投入尋優(yōu)計算之中，得到一組最為合理、最為節(jié)能的機房設(shè)備控制策略，并將該策略傳送至對應(yīng)的可編程控制器PLC中，讓可編程控制器PLC控制具體設(shè)備的運行狀態(tài)。

（3）設(shè)備智能控制子站

每個UPPC?系統(tǒng)具有數(shù)量不同的一系列設(shè)備控制子站。每個子站以工業(yè)級別的PLC控制器為基礎(chǔ)，執(zhí)行中央控制站對子站發(fā)出的指令，對冷水機組、冷凍水泵組、冷卻水泵組、冷卻塔組及相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)實施控制，調(diào)節(jié)設(shè)備的負(fù)荷以及控制流體流量、溫度，以維持最佳流量及溫度，并達(dá)到整體系統(tǒng)最高能效，以最低能耗運作。同時，各控制子站通過相關(guān)傳感器采集系統(tǒng)運行參數(shù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送至中央控制站參與優(yōu)化程序計算。各個設(shè)備控制子站以InterBus通訊總線相聯(lián)進(jìn)行通訊。

（4）傳感器、執(zhí)行機構(gòu)

控制系統(tǒng)中所涉及的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)一般包括：冷水機組蒸發(fā)器進(jìn)口電動截止閥；冷卻塔進(jìn)出水管電動截止閥；冷凍水供回水溫度傳感器；冷凍水流量傳感器；冷凍水供回水管壓差傳感器；室外溫濕度傳感器；冷水機組冷凝器進(jìn)口電動截止閥；冷凍水旁通管電動調(diào)節(jié)閥；冷卻水供回水溫度傳感器；冷卻水流量傳感器；三相交流功率變送器；變頻控制器等；

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵的流量和揚程是按照建筑物最大設(shè)計負(fù)荷選定的，且留有余量，由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，實際空調(diào)負(fù)荷在絕大部分時間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計負(fù)荷低。一般冷凍水設(shè)計溫差在5～7℃，冷卻水的設(shè)計溫差在4～5℃。在水系統(tǒng)流量一定的情況下，全年絕大部分運行時間溫差僅為1～3℃，即在低溫差、大流量的情況下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。采用變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，從而可以減少水系統(tǒng)在低負(fù)荷運行工況下的輸送能耗。

（5）UPPC?超高效能效算法

對于相同的系統(tǒng)制冷負(fù)荷要求，冷凍機房系統(tǒng)可以有不同的滿足方法。其既可以采用較大的冷凍水供水溫差及較小的冷凍水流量(此時冷水機組的能耗較高，但冷凍水泵的能耗較低)，也可以采用較小的冷凍水供水溫差和較大的冷凍水流量(此時冷水機組的能耗較低，但冷凍水泵的能耗較高)。同樣，對于相同的冷水機組出力要求，可以選擇較高的冷卻水流量使冷水機組工作在較低的冷凝壓力下而使能耗較低；或者相反，采用較低的冷卻水流量使冷水機組能耗較高而冷卻水泵能耗較低的工作方式。當(dāng)多臺冷水機組并聯(lián)運行時，將有更多的選擇可能。相同的制冷負(fù)荷要求可以用較多臺數(shù)的冷水機組同時工作，而每臺工作在較低負(fù)荷下來滿足負(fù)荷需求，也可以用較少臺數(shù)的冷水機組同時工作，而每臺冷水機組工作在接近滿負(fù)荷狀態(tài)來滿足。冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔之間也可以不按照負(fù)荷需求“一一對應(yīng)”的方式進(jìn)行工作。

UPPC?系統(tǒng)的控制原理是對冷凍機房內(nèi)的全部設(shè)備，包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔以及水力管網(wǎng)，建立性能模型，并應(yīng)用計算機聯(lián)合計算求解出冷凍機房的最低總能耗，然后進(jìn)行尋優(yōu)控制來找出各設(shè)備實現(xiàn)機房最低能耗的運行工況，并對其進(jìn)行主動式控制而非傳統(tǒng)的被動式反饋控制。UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)能夠充分利用冷水機組在部分負(fù)荷下的高效率優(yōu)勢（對離心式和螺桿式冷水機組其最高效率點往往并非在100%負(fù)荷時，而是在某個部分負(fù)荷工況下），根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的實時負(fù)荷需求，運行不同的臺數(shù)組合。同時，主動控制水泵和冷卻塔，使系統(tǒng)的綜合效率趨于最佳，即冷凍機房能耗最低。

在具體的控制策略中，首先根據(jù)冷凍機房內(nèi)各設(shè)備的特性建立各自的能耗數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立整個冷凍機房的能量平衡及能耗數(shù)學(xué)模型。在系統(tǒng)運行時，控制計算機以一定的時間間隔測量制冷負(fù)荷的實時值，并據(jù)此進(jìn)行各能耗數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合求解和尋優(yōu)計算，找出能夠滿足此制冷負(fù)荷、且整個冷凍機房總能耗最低（即整體效率最高）的工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，控制計算機確定各受控變量的設(shè)定值并將之傳送到對應(yīng)的可編程控制器PLC中，再由可編程控制器PLC控制各臺設(shè)備的運行狀態(tài)，使得整個冷凍機房運行在效率最高的狀態(tài)下。尋優(yōu)算法中所涉及到的數(shù)學(xué)模型有：冷水機組能耗模型、冷卻水泵能耗模型、冷凍水泵能耗模型、冷卻塔性能模型以及管網(wǎng)水力模型。

2　UPPC?和傳統(tǒng)冷凍機房群控的區(qū)別

目前市場上存在著各種類型的冷凍機房節(jié)能自控產(chǎn)品，絕大多數(shù)的此類產(chǎn)品都可歸類為不具備節(jié)能優(yōu)化的傳統(tǒng)機房群控系統(tǒng)。此類系統(tǒng)和UPPC?系統(tǒng)最大的差別在于前者沒有整體的節(jié)能控制軟件，即傳統(tǒng)機房群控系統(tǒng)主要以包含啟?；騊ID控制為簡易控制邏輯的直接數(shù)字式控制器(DDC)和變頻器為主要軟件和硬件，對水泵進(jìn)行變頻控制，對冷卻塔和冷水機組進(jìn)行啟?？刂啤鹘y(tǒng)的機房控制一般為若干組設(shè)備配備一個控制器，控制器配備原廠商編寫的PID或啟?？刂七壿?，對該組設(shè)備進(jìn)行單獨的閉環(huán)控制。上位計算機只能接受DDC上傳的數(shù)據(jù)，而沒有反向?qū)DC發(fā)出控制指令的功能。這樣的控制策略沒有考慮各設(shè)備組之間的關(guān)聯(lián)影響，沒有考慮冷凍機能耗和冷卻水泵、冷卻塔能耗以及冷凍機能耗和冷凍水泵能耗之間的權(quán)衡判斷。這正是因為其沒有一個核心的尋優(yōu)控制計算軟件，或者形象地說：缺乏一個“大腦”。而UPPC?優(yōu)化控制正是具備了作為“大腦”的尋優(yōu)控制算法軟件。這一軟件是以機房整體能耗最小為控制目標(biāo)，對機房設(shè)備的運行變量進(jìn)行尋優(yōu)計算，并將尋優(yōu)的結(jié)果發(fā)給PLC，作為PLC進(jìn)一步控制設(shè)備的控制變量。因此，對UPPC?控制系統(tǒng)而言，其上層的中央計算機和PLC之間的信號是雙向的，既接收來自PLC的信號，也同時向PLC發(fā)出控制指令。表1總結(jié)了UPPC?相對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的獨特性和先進(jìn)性。

3　項目案例

案例A: 中環(huán)廣場

上海中環(huán)廣場位于上海市中心優(yōu)越地段，總建筑面積54,000m2。廣場基座四層為高級購物商場及地下停車場，上面有38層的甲級現(xiàn)代化商業(yè)大廈，寫字樓總建筑面積43,000 m2。本工程冷凍機房總制冷量為2000RT，原有水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)，且為冷凍水泵、冷卻水泵等部分安裝了變頻調(diào)速裝置。利用原有冷凍機房控制設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上整合了UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機房內(nèi)所有設(shè)備的一鍵開關(guān)機和對整個冷凍機房的監(jiān)控和管理。通過利用UPPC?節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化算法，該項目冷凍機房年能耗可比原有運行方式節(jié)省約20%～25%。

表1　UDPC與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)之性能比較

案例B: 華虹NEC

華虹NEC電子有限公司總廠和一廠，建筑面積8萬m2，是具有世界一流技術(shù)水平的集成電路制造企業(yè)。本工程共有5臺1150RT的離心式冷水機組和3組2250RT的串聯(lián)離心式冷水機組，原水系統(tǒng)為二次泵變流量系統(tǒng)，冷機、冷卻泵及冷卻塔為一一對應(yīng)的組合方式。采用UPPC?優(yōu)化控制系統(tǒng)對上海華虹NEC廠房進(jìn)行改造后，不僅實現(xiàn)了串聯(lián)冷機中間溫度設(shè)置點實時優(yōu)化，而且實現(xiàn)了冷凍機房整體上的優(yōu)化控制，預(yù)計采用UPPC?改造后全年可節(jié)電443萬kWh，每年節(jié)省電費達(dá)310萬元。