【摘要】：某火車站站房通過增設中央空調集中控制系統，并對冷凍、冷卻水泵進行變頻控制，實現空調主機和水系統統一指揮，有機聯動，使中央空調系統在不同負荷下、不同工況條件下，都能以最佳效率運行，最終達到方便管理、節能降耗的目的。
　　【關鍵詞】：空調系統，集中控制，變頻，節能改造
　　1. 引言
　　自從上世紀70年發生能源危機以后，能源和環境問題日益尖銳，城市化的飛速發展和人民生活水平的提高，建筑能耗在總能耗中所占的比例越來越大，在發達國家已達到40%，建筑能耗主要包括建筑物在采暖、通風、空調、照明、電器和熱水供應等需求方面的能耗,用于暖通空調的能耗又占建筑能耗的30%～50%,在發達國家已達到65%，且在逐年上升。由此可見，建筑節能工作的重點應是暖通空調的節能。
　　根據暖通空調行業的研究成果，現有空調系統的能耗是驚人的，但如果采取相應的控制技術和節能技術，使現有空調系統節能20%-50%，是完全可能的。因此，暖通空調系統節能的意義非常重大。
　　2. 項目概況
　　該火車站位于南方某城市。本文主要介紹在原有設備基礎上對該火車站站房空調進行節能改造方案。該站房設有集中式空調系統，冷源為3臺額定制冷量550RT的水冷離心式制冷機，空調區域主要為候車大廳，人流量大。
　　3. 中央空調系統存在問題及解決方案
　　3.1存在問題
　　通過對火車站空調系統現場設備及運行情況的了解，該空調系統未做變頻控制和集中控制，系統運行時存在以下問題：
　　1) 制冷主機因輔機設備無法及時自動調節，造成主機的能效比COP值無法始終保持在一個較高或最佳水平；
　　2) 制冷主機臺數增減完全依靠操作員人工調節，受人員操作經驗影響，不能實現實時負荷跟隨自動調整、增減設備；
　　3) 冷凍水流量不能根據車站負荷的變化而自動調節，始終在高流量下運行，具有較大的節能空間；
　　4) 冷卻水流量不能根據冷凝壓力和主機負荷的變化而調節，始終在高流量下運行，具有較大的節能空間；
　　5) 暖通空調系統制冷主機、冷凍水泵、冷卻水泵等設備運行時無法遠程控制，在設備報警、跳停時無法第一時間準確的反饋給管理人員，系統的安全性較低，控制操作方式落后。
　　3.2解決方案
　　通過以上分析，在現有的中央空調基礎上增設一套由廈門立思科技有限公司自主研發的威琺能效管理控制系統及其相應配套設備，對中央空調系統進行計算機自動控制，實現智能運行、高效節能，高效管理：
　　1) 使冷凍、冷卻水流量跟隨系統負荷自動調節，提升系統COP；
　　2) 根據系統運行負荷和水溫，實現設備群控，自動增減主機和切換主機，實現機房少人甚至無人值守，提升運行效率；
　　3) 冷凍水泵根據末端空調負荷，實時監測最不利環路，變流量調節，按需供應；
　　4) 根據運行工況實時電量最優解，根據濕球溫度，主機冷凝溫度實時調整，通過變流量調節，按需供應冷卻水；
　　5) 通過增設冷卻風機變風量智能控制箱，使冷卻塔風機風量跟隨室外氣象參數和主機負荷自動調節設備啟停；
　　6) 將制冷機房和現場空調箱工況有機結合起來，監測現場最不利環路點工況（壓差和水閥開度），進而調節流量。
　　4. 節能原理說明
　　4.1節能空間來源
　　中央空調系統的設計通常按建筑物所在地的極端氣候條件來計算其最大冷負荷，并由此確定空調主機的裝機容量及其效應冷凍水泵和冷卻水泵容量。實際上，中央空調系統每年只有極短時間出現最大冷負荷的情況，在絕大部分時間里都是處在部分負荷（遠小于其額定容量）條件下運行的，這無疑造成了大量的能源白白浪費。而且，空調系統的各種水泵、風機等機電設備長期處在額定狀態下高速運行，其機械磨損較嚴重，這將導致設備故障率增加和使用壽命縮短。
　　4.2節能依據
　　變頻調速節能的理論依據：
　　根據水泵流量Q、壓力P、轉速n和功率N間的關系：
　　流量Q與轉速n成正比的關系：
　　壓力P與轉速n2成正比的關系：
　　功率N與轉速n3成正比的關系：
　　則有：
　　由上式可以看出，如果減少水泵流量（降低水泵轉速），可以大幅度（成立方指數關系）降低水泵電機功率消耗，實現有效節能。
　　4.3威琺節能原理
　　立思威琺能效管理控制系統從系統工程學的理念出發，不僅對中央空調各部分進行全面控制，而且通過系統集成技術將各個控制子系統在物理上、邏輯上和功能上互連在一起，并在一個計算機平臺上進行集中控制和統一管理，實現它們之間的信息綜合、資源共享，從而實現中央空調全系統的精細化管理和高效節能運行。
　　威琺能效管理控制系統的核心是人工神經網絡控制器及其控制軟件，該系統是根據對人腦的宏觀結構功能模擬與對人腦的控制、決策行為的邏輯推理而設計的一種控制器。它采用多層神經網絡對中央空調能耗進行預測，并作為專家系統的一部分，求得幾組數據作為初始教導模式，經現場實際訓練后形成一套快速尋優的人工神經網絡控制策略。控制系統為三層神經網絡模式，識別對象為冷凍水進出水溫、冷卻水進出水溫、冷凍水系統壓差、末端空調工藝參數。它能在線實時學習，自動獲取知識，并能不斷地提高和完善其控制性能，是近年來發展起來的新型控制技術，尤其適合于中央空調這樣復雜的、非線性的和時變性的控制。
　　5. 項目方案
　　5.1設計方案
　　控制系統由中心管理層、全局控制層、區域控制層以及傳感器/執行層4部分組成，整個體系結構是一個典型的集散控制系統。
　　1) 中心管理層負責系統的智能管理和遠程操作控制等，并完成和其它控制系統的數據整合通訊；
　　2) 全局控制層負責系統節能優化算法、運行策略和能效優化管理等；
　　3) 區域控制層負責工藝參數的采集和傳輸，并執行全局控制層所發出的節能優化控制指令等；
　　4) 傳感器/執行層負責感測暖通空調系統中各種工藝參數（如溫度、壓力、流量、壓差、大氣參數、功耗等等），并執行區域控制層指令，調節系統各相關運行參數；
　　5.2設備綜合智能監控系統說明
　　1) 冷水機組智能控制系統
　　系統監測冷凍水回路供水流量、冷凍水供回水總管溫度、主機冷凍水供回水溫度及分集水器間的壓差，根據監測到的參數計算商業中心各區域的空調負荷，對冷凍機組進行群控。監測冷水機組運行狀態、故障報警、控制冷水機組啟/停。機組啟動后通過彩色圖形顯示不同的狀態和報警，顯示每個參數的值，調整冷凍水及冷卻水流量以達到最佳的運行工況。機組的每一點都有列表匯報，趨勢顯示圖，報警顯示。當機組發生故障時，自動報警。根據程序或日程安排開關冷水機組。累積冷水機組運行時間，使每臺機組運行時間基本相等，延長機組使用壽命。
　　2) 冷凍/卻水智能控制系統
　　冷凍水系統：
　　冷凍水系統的供、回水總管間增設水流壓力傳感器；冷凍水泵供、回水總管上分別安裝有水溫傳感器；主機冷凍水出口管上安裝有水溫傳感器。每只水溫傳感器及水流壓差傳感器經傳輸導線與智能控制柜連接。
　　智能控制器依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，計算出負荷需用制冷量及最佳溫度、溫差、壓差和流量值，并與檢測到的實際參數作比較，根據其偏差值控制冷凍水泵的轉速，改變其流量使冷凍水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量趨于智能控制器給定的最優值。
　　當冷凍水泵控制柜起動后，智能控制器向對應變頻器發出控制指令，軟起動冷凍水泵[從0Hz升至設定低限頻率值約10秒，冷凍水泵的低限頻率由現場調試確定]，水泵起動頻率升至設定低限頻率后，按智能控制器輸出的控制參數運行，使系統在保證末端空調用戶的舒適度需求的同時，可實現最大限度的節能。
　　機組運行時，如果冷凍水出口溫度、流量或供回水壓差出現異常時，系統送出報警信號并采取相應的保護措施，保證空調主機的安全正常運行。
　　系統設置壓差旁通控制，保持系統流量和壓力的穩定。在總供水管和總回水管上設置壓力傳感器，通過計算供回水之間的壓差，將壓差與設定值進行比較，自動調節旁通閥，使壓差保持在設定的范圍內。
　　冷卻水系統：
　　冷卻水進、出水總管上分別安裝有水溫傳感器；在各冷水機組冷卻水出水管上安裝有水溫傳感器。每只水溫傳感器經傳輸導線與現場智能控制柜連接。
　　當電機控制柜起動后，起動完畢信號送至智能控制器，由智能控制器向對應變頻器發出指令，軟起動冷卻水泵（從0Hz升至設定低限頻率值約10秒）。冷卻水泵起動后，按智能控制器輸出的控制參數值，調節各冷卻水泵變頻器的輸出頻率，控制冷卻水泵的轉速，動態調節冷卻水的流量，使冷卻水的進、出口溫度逼近智能控制器給定的最優值，從而保證空調主機隨時處于最佳熱轉換效率狀態下運行。實現系統在最佳工況下節能運行。
　　智能控制器設定了冷卻水泵的最低運行頻率（設定低限頻率值為略大于中央空調主機冷卻水容許最低流量時對應的水泵運行頻率），故確保了中央空調主機冷卻水的安全運行。
　　機組運行時如果冷卻水出口溫度超過高限溫度，系統送出報警信號并采取相應的保護措施，保證空調主機的安全正常運行。
　　3) 冷卻風機智能控制系統
　　在冷卻水供回水總管上安裝有水溫傳感器和環境溫濕度傳感器。每只水溫傳感器經傳輸導線與現場智能控制箱連接。
　　監測冷卻塔風機運行狀態、故障狀態，手自動狀態。在冷卻水供回水管路上設置溫度傳感器，根據冷卻水供回水溫度控制冷卻塔運行臺數。當供水水溫低于設定值時減少冷卻塔運行臺數，反之則增加運行臺數，以降低能耗。
　　4) 系統的群控措施
　　開冷水機組流程:按時間假日程序或根據空調負荷決定開啟一臺冷水機組，根據每臺冷水機組的運行時間選出運行時間最短的冷水機組，確認這臺冷水機組的冷卻水電動蝶閥和冷凍水電動蝶閥開啟后，啟動冷卻水泵，確認冷卻水泵開啟后，啟動冷凍水泵，確認冷凍水泵開啟后，再開啟冷水機組，再啟動冷卻風機。
　　關冷凍機流程:按時間假日程序或根據空調負荷決定關閉一臺冷水機組→根據每臺冷凍機的運行時間選出運行時間最長的→關閉這臺冷水機組→確認關機以后，關閉冷凍水泵→確認冷凍水泵停機后→等冷凍機停機后5分鐘后，停冷卻水泵、冷卻風機。
　　開冷卻塔流程:根據冷卻水入水溫度，如果溫度高于設定值決定開啟冷卻塔→根據每臺冷卻塔的運行時間選出運行時間最短的→開啟冷卻塔風機。
　　關冷卻塔流程:根據冷卻水入水溫度，如果溫度低于設定值決定關閉冷卻塔→根據每臺冷卻塔的運行時間選出運行時間最長的→關閉冷卻塔風機。
　　冷水機組臺數控制：冷水機組的控制是由其自身的控制系統完成的，BA的控制其實是通過對冷熱負荷的計算，根據用戶端的負荷情況向其控制系統提交啟停控制要求，同時監測其動作反饋，與常規意義上的控制有所區別。系統主要根據供水管的流量及集水器、分水器的溫差，計算負荷，對冷水機組進行群控。
　　6. 空調系統改造后節能效果
　　6.1節能測試方法
　　該空調系統節能改造后，每月選取相鄰的2天，對中央空調系統的制冷機、水泵、冷卻風機，采用改造前后的兩種運行方式進行節能量對比測試，測試期間，設備的運行臺數、運行時間應相同，相鄰2天的制冷機負荷情況大致相同。
　　傳統工況耗電量：傳統運行工況（運行頻率為50Hz）下，系統運行24小時，記錄此段時間上述設備的合計用電量Etradition。
　　節能工況耗電量：節能運行工況下，系統運行24小時，記錄此期間的上述設備的合計用電量Esave。
　　空調系統節能改造后的月平均節電率：αsave=（Etradition-Esave）/Etraditionx100%
　　6.2節能效果
　　現場數據表明，該火車站進行節能改造后節能效果顯著。改造前，冷水機組冷凍供回水溫差僅為4.0℃，低于國家節能標準（GB50189-2005《公共建筑節能設計標準》）規定的5℃；節能改造后，冷水機組供冷凍回水溫差為5.5℃。表1為2011年5月底到2011年10月中旬節能量測試數據，年節電量為42.4萬KWH，月平均節電率為20.2%，年電費節省29.7萬元（當地電價為0.7元/KWH）。
　　表1該車站空調系統節能改造后節能效果
　　時間 電耗（KWH） 節電量（KWH） 月平均節電率%
　　2011年5月 110176 23534 21.4
　　2011年6月 330528 67525 20.4
　　2011年7月 555012 110206 19.9
　　2011年8月 560359 109853 19.6
　　2011年9月 347088 66212 19.1
　　2011年10月 215936 45367 21.0
　　6.3經濟性分析
　　該工程采用一次性投資方式，由甲方（某火車站）出資一次性買斷。根據現場實測數據，2011年月平均節能率為20.2%，年電費節省達29.7萬元，2年后，業主就能夠收回此次投資成本，投資回收周期短。
　　7. 結語
　　威琺系統投入使用前，暖通空調制冷系統管理大部分是手動模式，自動化水平不高，有時還會有意外失誤。
　　引入立思威琺系統后，將專家的先進管理經驗、管理模式與智能控制技術相結合，實現智能運行、高效節能，高效管理，降低管理人員的工作強度，提高管理效率；規范了中央空調系統的操作流程，杜絕人為因素所造成的管理失誤，系統運行更加安全、穩定；贏得了可觀的投資回報。實測數據顯示，該空調系統節能改造后月平均節能率達20.2%，年電費節省達29.7萬元（電價：0.7元/KWH），且能在設備投入使用2年后收回投資成本，取得了良好的節能減排效果與經濟效益。
　　立思威琺能效管理系統對于改造項目和新建項目，都能實現空調系統的科學管理。
　　參考文獻：
　　【1】 《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003
　　【2】 《公共建筑節能設計標準》中國建筑工業出版社2005
　　【3】 路永華.暖通空調系統節能探討U.應用能源技術2005（5）
　　【4】 楊昌智.我國建筑節能的現狀及途徑U.大眾用電2005（10）
　　【5】 張筱虹.空調節能研究與探索（J）.南京.中國高新技術企業，2010.
　　【6】 陸耀慶主編.《實用供熱空調設計手冊》中國建筑工業出版社