空调系统HVAC的节能性可测性及可控性是节能控制的必要条件.doc

个人收集整理 勿做商业用途HVAC 的节能性、可测性及可控性是节能控制的必要条件1 前言在公共建筑的全年能耗中，大约有50%60消耗于采暖通风与空调（含冷热源）系统，且其节能潜力很大。建设节约型社会理念，促使采暖、通风与空调（HVAC）节能应用技术发展与实现.由于HVAC工程师与楼控（BA）工程师密切合作，HVAC控制已获得了成功的范例。但是，HVAC工艺设计缺少可测性,可控性和节能性的实例仍然存在，这时,无论在自控系统进行怎样的投资，也无法实现HVAC的节能控制.多年来的的实际工程，使我们有以下几点体会：（1） HVAC的节能性是节能控制的前提条件。（2） HVAC节能设备的运行管理，必须依靠自动控制。（3） HVAC要实现自动控制，必须具备可测性、可控性。2 HVAC节能性是节能控制的前提，自控是节能运行的必然以下简单回顾HVAC节能装置及其控制，说明自身节能性对节能的重要性，而自控是节能运行的必要条件.2.1 高效节能冷、热源系统及其自控的必要性2.1.1 热、冷、电联产（CCHP)CCHP是一种建立在能量的梯级利用概念的基础上，将制冷、供热及发电过程一体化的多联产总能系统。公共建筑节能设计标准中指出“具有热电厂的地区，宜推广利用电厂余热的供热、供冷技术。(1) 优越性新型能源生产、供应系统，其能源利用效率高；用户无污染；可缓解电力供需矛盾；运行费用低，多增加的投资4年内偿还。（2) 必须进行集中监测、控制与管理，如温度、压力、流量的监测与控制(3） 应用实例西安西郊热电厂中间抽汽西安西开发区换热站 蒸汽供吸收式制冷机 如新材料园、开发区创业中心 汽-水换热器热水供小区采暖2.1。2 冰蓄冷冰蓄冷系统是在电力负荷低谷期(夜间）,用机械压缩式制冷机制冰，将冷量以冰的形式贮存起来.在电力负荷高峰期,用融冰将冷量释放出来,实现移峰填谷，以满足空调负荷需要。（1） 优越性减少业主运行费用（低谷电价低)；实现国家电网移峰填谷，平衡电网负荷.（2) 应用条件一般，在设计日蓄冰供冷空调负荷的40%；电力峰谷差价2；使用双工况压缩式制冷机。(3） 应用实例西北电力调度通信楼冷站等工程（西安）。（4） 监测控制由于冰蓄冷系统与常规制冷系统在监控与管理方面不一致，其监控与管理更为复杂。例如，以西北电力为例,23:007：00为主机单制冰（两台主机）应按负荷预测决定制冰量；7：0017:00为主机与融冰联合制冷；应按实际冷负荷自动调节融冰和主机供冷的比例，尽可能地把蓄冰在当日用光。为此,需要控制多达12个电动阀门（电动调节阀和电动蝶阀）、冷机及附属装置（水泵、冷却塔等）按不同工况进行控制。难点：负荷预测小插曲：本大楼位于居民区内，冷却塔（4台）设备在附楼屋顶，夜间蓄冰工况风机噪声扰民严重.如果冷却塔设计在主楼屋顶则噪声影响可大大减轻,可见，规划、设计是一个系统工程，牵扯到方方面面。2.1。3常规冷站及其冷机台数控制负荷随动跟踪节能系统（1) 利用实测冷负荷进行冷机台数控制机械压缩式制冷机冷站占应用少则数十千瓦，多则1、2百千瓦，按负荷需求启动冷机,可达到较好的节能效果。(2） 应用实例属常规应用，很多工程上采用。实例工程说明：需要采用自动控制，控制方面分为两种：闭环自动控制；开环操作指导控制.（3) 蓄热系统及其控制电热锅炉蓄热、太阳能蓄热，故需进行监测与控制。在西北电力调度通信楼应用电锅炉.（4) 空气源、水源、地源热泵节能及其控制利用可再生的自然能源制冷和制热.应用实例：汉阳陵地下保护陈列馆（陕西咸阳）采用地下水源热泵冬季供热，夏季制冷.3口井，夏季从1号井中抽水供冷机冷却水用，然后回灌到2、3号井，作为冬季蓄热用；定期1、2、3号井分别为抽水、回灌井互换使用，井间距50m。井与井间只用一根管连接，井口需要电动蝶阀等设备，按程序开、关,以满足井互换使用要求。为此，必须采用自动控制系统，进行集中远程监控，才能完成系统工作。以上是冷、热装置节能控制。2.2 输送系统节能及其控制的必要性2.2.1 变风量（VAV）输送系统节能控制（1） 应用场合利用负荷测量（反映负荷的风管静压或反映负荷的末端阀门开度)自动控制风机转速达到节能，效果明显。空调系统必须按VAV设计.必须采用自动监测与自动控制技术，才能达到节能运行，取得节能效果.(2) 应用实例西北电力调度通信楼。2。2。2变水量（VWV)节能系统及其控制（1） 应用场合 利用实测负荷控制水泵转速的负荷随动系统。应用在空调制冷系统的冷冻水、冷却水系统及生活给水的定压供水系统上。水泵一般都在数十千瓦，其节能效果也很显著。应用在冷站上，冷机应允许冷冻水、冷却水有一定的变化范围。例如，远大吸收式制冷机冷冻水流量允许在50120；冷却水流量在40140之间变化。最低频率要求：保证供水最不利点资用压头；蒸发器、冷凝器最低水量要求。当冷冻泵保证了蒸发器最低水流量要求时,可取消压差旁通。（2) 应用实例西安开发区创业中心冷站2。3 末端装置节能及其自控的必要性2.3。1 变风量（VAV）末端装置的控制(1) 应用场合采用VAV末端装置（风量调节阀、风机、流量测量及DDC装置等）代替传统的风机盘管装置（FCU)调节室温，利用调节进入房间的风量（一次风）调节室温。优点：总风量按负荷需求变化，可节约风机能量；免去冷盘管漏水和滋生细菌的可能。(2） 应用实例西北电力调度通信楼（3) 工程中遇到的问题VAV末端装置（含DDC）应整体设计组装，不允许现场组装（包括回风过滤网都不能随意更换）。末端DDC的选择要安全可靠（一般末端DDC挂在现场总线上，经区域控制器接到C总线上），在整体出厂前已调试好。噪声控制(特别是串联型带风机型)虽然是HVAC自身的问题，但影响总体效果，应关注。2.3。2低温送风系统及其控制（1） 应用场合空调低温送风可大大减少输送风量，不但风管尺寸可以缩小，且使风机输送功率减小，有利于节能.空调机组在VAV系统中是调节送风温度恒定,其他监控内容同一般空调机组。应注意,送入的一次风（低温)应与回风(室内）混合后送入房间,以避免冷风感。（2) 应用实例西北电力调度通信楼（3） 室外温度补偿控制室外温度随动系统 应用在舒适性空调的空调机组送风系统上,维持室温（或回风温度）恒定.但室温设定值随室外温度变化而按比例变化，达到既舒适又节能的目的。下面是室外温度补偿控制的一例。在夏季室温设定值随室外温度增加而增加，可减少室内外的温差造成人体的不舒适感；当提高1设定值，可节约8%冷量，其节能效果可观。 图1 新风补偿特性例Ks. 夏季补偿比,本例为62.5；Kw。 冬季补偿比，本例为10%；1c。室内初始给定基准值，本例为18；2A。夏季补偿起始点，本例为20；2c为冬季补偿起始值，本例为10将室外温度传感器及室内温度传感器的温度信号输入到DDC,由DDC运算后输出室温设定值，DDC控制空调机盘管上的电动调节的开度,改变冷（热）水量，以恒定室内温度。由此可见，室外温度补偿控制系统，必须依靠自动化系统才能完成节能运行.2.3。3焓差控制（1) 应用场合充分、合理地利用回风能量及新风能量,实现节能控制。应用在空调机组送风系统,由于需根据新、回风焓值比较来控制新风量与回风量的比例，故空调机组的新、回、排风门都应是电动调节风阀。 （2) 控制利用温度和相对湿度可以测出空气的焓值，故需设置新风温、湿度传感器，回风温、湿度传感器,分别测量新、回风的焓值，DDC再进行比较两者焓差，对新、回、排风门进行控制。（3) 夜间净化（利用自然冷源）应用在由空调机组送风的商场、会议室、宴会厅等大空间场合，在夏季夜间室外新风温度低时，室内采用全部送新风运行。一方面用新风置换室内空气，增加卫生条件；一方面使维护结构,室内设施降温，减少次日空调冷负荷.要求新、回、排风门能集中控制，并且一定要有排风装置。此外，还有空调热回收装置的节能应用与控制等。2。4 建筑设备容量正确选择的必要性HVAC容量是根据一年中最不利的气象条件选定的。但是，在实际运行中并不是始终处于最不利的气象条件,这就产生了冗余设计，这种冗余设计是合理的。我们从2005年8月至今对西安市10家宾馆、写字楼的HVAC及自控进行初步调研，发现有过大的不合理冗余设计，对节能有不同的影响。虽然为我们调查的范围不大，不具有代表性，只想将初步调查的结果汇报给大家，仅供参考。在调查的十家中有三家冷机装机容量过大,有的安装两台冷机，在最热的天气也只用一台就够了，冷机单机容量过大，不能进行台数控制,不利节能.这种配置冷却泵、冷冻泵也相应地会存在冗余过大的情况.在十家中有三家冷机容量合理，但冷却泵、冷冻泵容量过大。其中一家宾馆无论开一台冷机还是两台冷机，只开一台冷却泵、冷冻泵就可以了。可见在一台冷机运行时，泵的能耗就显得过大了。在十家中只有四家HVAC采用了自动控制，其中还包括模拟仪表控制系统。有三家采用溴化锂吸收式冷机,其中一家冷却泵采用了变水量控制，取得很好的节能效果。对已建成的系统，当水泵容量过大时，建议在满足冷机对水量要求以及满足最不利末端装置资用压头要求前提下，采用变水量控制，以达节能要求。3 建筑设备的可测性、可控性是实现节能控制的必要条件3.1 冷却水路连接中的问题及改进建设在进行冷机运行台数控制时，同步地对冷却泵和冷却塔台数进行控制，以节约冷却泵、冷却塔风机的电耗. 一般来说，一台冷机对应一台冷却泵，一台冷却塔.还应说明，所谓一台冷却塔，有时是有两个冷却塔组合而成.为了实现冷却塔运行台数的控制，需要在冷却塔进、出水管处设置大孔径、价格昂贵的电动蝶阀，进行通、断控制。 由于水路的不同连接方式，所需的电动蝶阀数量不同，这会影响造价，有的连接方式无法控制，失去可控性。下面举工程事例加以说明。3.1.1冷却塔入水口为环形供水管路 西安某物资管理局冷站为两台冷机、两组冷却塔(1、2),每组冷却塔有由两台冷却塔组合而成，冷却塔监控系统如图2所示，进水为环形供水。为对应冷机运行台数,在进水管上需安装多达8台DN200口径的电动蝶阀，在出水管上需安装2台DN250口径的电动蝶阀，才能完成冷却塔台数控制,加大了监控设备的造价. 图2冷却塔为环形供水时监控系统图 图3 冷却塔并联供水监控系统图 为了减少电动蝶阀的数量，并实现冷却塔台数控制，可按图3所示的管路连接,可有2台DN250的电动蝶阀代替8台DN200的电动蝶阀，可减少约10万余元（按进口电动蝶阀计）,而且简化了控制器的数字输出点（DO）,简化了控制线路，提高了运行的安全性。3。1.2 三台(或多台）冷却塔接水盘连通西安某发展中心大厦冷站采用三台冷却塔对应三台冷机，而三台冷却塔的接水盘是连通的,如图4所示。当停止一台(二台)冷机时，需相应停止一台（或两台）冷却泵，需相应停止一台(或二台）冷却塔(即关闭一台或二台冷却塔的进水电动蝶阀）.但由于各冷却塔接水盘是连通的,故运行的冷却泵的吸水不仅从运行的冷却塔出口吸水，还从关闭的冷却塔吸水，这所谓的“借水现象.由于各个冷却塔补水阀不停地补水，而泵的运行台数又减少,进入接水盘的水流量，大于水泵的水流量，流量失去平衡。这样，经过一段时间，接水盘就会产生溢水现象，这在实际运行中已经出现，系统失去了可控性。为了能正常运行，建议去掉接水盘的连通管，使每个冷却塔都有单独的出水管路，并建议适当加大接水盘的容积，其监控泵程如图5所示，在每个出水管路上安装一个电动蝶阀,就具有了可控性。图4三台冷却塔接水盘连通监控原理图 图5 三台冷却塔监控原理图3.1。3组合式冷却塔各台分别供水西安某科教馆冷站中共有三台冷机、三组冷却塔，每组由两台冷却塔组成，如图6所示。这种方案需对六条水路进行控制，总需12台DN200的电动蝶阀。建议将水路改为图7连接，由三条水路进行控制，总需6台DN250的电动蝶阀，可节约大量资金,便于控制，增加了安全性。图6 三组冷却塔6条水路监控原理图 图7三台冷却塔三条水路原理图3.2 水流开关安装间距及其建议为了检测水泵运行状态,比较好的方法是在管道内安装水流开关。水流开关是一组叶片，安装在水管内。水泵不运行,无水流，叶片下垂;当水泵运行时，有水流流动,在水流动压下，叶片发生倾斜，并带动一个微动开关，发出水流信号。 要求水流开关不能遭水击,且在安装位置的前后，应有5D的均流管道（D安装管径）。一般安在水泵出口处,为了防止水击,应安装在水泵与逆止阀之间，防止叶片被冲击损怀。 在实际工程中，水施图逆止阀与水泵之间的距离很短,无流量开关的安装条件，只好安装在逆止阀之后，对叶片已无保护作用,在实际工程中已发现有将叶片损坏的现象.产生这种现象的原因是由于水施设计与楼控设计脱节，以及水施在先，楼控施工在后造成的.我们建议在工程规划、设计初期，有关工种应多协调,建议水路设计、施工应保证水流开关安装条件。3.3 冷冻水路连接中若干问题及测量系统组建的建议冷机台数控制一般是依据冷站系统中实需冷负荷测量数据进行在线自动控制.有一个问题逐渐引起人们的重视：冷冻水供、回水干管与集水器、分水器之间的连接，对于正确组建冷负荷测量系统至关重要。3.3。1 冷负荷计算及与管路连接的关系（1)冷负荷计算 QCCG(t2-t1) KW （1）式中 QC-实测冷负荷 KW; C-水的比热,4。186KJ/Kg; G-负荷回水流量 Kg/S； t1t2-冷冻供水、回水温度 应特别说明，公式中G应为由负荷来的总回水流量,不应包括压差旁通流量；t2应为负荷总回水温度,不应为回水与旁通水的混合温度.回水流量G用流量变送器(FT）测量,由于流量响应快,时间常数小，是实时测量QC的重要参数。（2）管道连接对测量冷负荷的影响目前，中央空调系统负荷侧水系统多为变流量系统（利用电动两通调节阀调节），而冷源侧是定流量系统(保护冷机蒸发器）.所以在供、回水系统中设有旁通阀,并利用供、回水干管压差信号，通过DDC自动调节旁通阀的开度，巧妙地一方面使供、回水干管压差恒定，使系统压力工况稳定；同时又满足了负荷侧变水量、冷源测定水量的要求。 由于压差旁通管路有的连接在集水器与分水器之间，有的连接在供、回水干管之间；以及由负荷来的回水管有的是多管、有的是单管连接在集水管上.上述不同连接方式对于测量公式中的流量G及T2都是不同的影响，下面举几个工程实例加以说明。3。3。2压差旁通连接在集、分水器，由负荷来的多管连接在集水器上图8 方案1 TE温度传感器; 图9 方案2（空调工艺由深圳筑博建筑工程设FT流量变送器；PT压力变送器 计有限公司设计) 图8是这种方案的连接图，是传统的，暖通常采用的方法，这对于稳定供、回干管之间的压差是有利的(集、分水器可视为稳压器）,但这种方案所测的流量G是负荷流量与旁通流量之和（泵的流量)，近似不变量；TE2是回水与旁通水流量的混合温度.这种方案只能靠混合温度与供水温度之差来反映冷负荷。其所设置的昂贵的流量变送器失去了冷量测量的意义。3.3。3压差旁通连接在集水器与分水器之间，由负荷来的单管接在集水器上图9是由深圳筑博建筑工程设计有限公司设计的西安新材料园冷站系统,现运行良好。这种连接可以用一个流量变送器测量负荷回水总流量，也便于测量回水温度，且容易满足流量变送器安装条件（足够长直管段)的要求，保证了可测性、稳定性及测量精度的要求,也便于系统压差工况的稳定。 图10 方案3（空调工艺由中国建筑西北建筑设计研究院设计）3。3.4压差旁通管连接在供、回水干管上图10方案是中国建筑西北建筑设计研究院为西安创业广场大厦冷站设计的方案。压差.旁路连接在供回水干管上，这种方案无论集水器上连接多少个回水管,均可采用一个流量变送器和一个回水温度传感器测量实际冷负荷，减少了硬件投资。这种方案在施工中，需注意保证流量变送器的安装条件，即回水管从集水器到与旁通管连接之间要有足够长的直管段，这在施工中稍一疏忽,就可能失去可测性。 现在生产的冷机如溴化锂吸收式制冷机其冷冻水、冷却水的水流量允许变化值较大，为变水量节能控制提供了实施条件，下表为部分冷机有关额定参数。冷机型号冷冻水流量调节范围（）冷却水流量调节范围（%）远大型双效蒸汽制冷机5012040140远大型直燃型制冷机5012040140三洋G型蒸汽制冷机下限50下限50考虑到近年来，随着电子技术与应用的发展，使变频器的性价比提高，提供了水泵、风机变频调速的设备条件。因此，现在广泛采用水泵变频调速的节能措施来节约水泵电耗，同时也可以实现水泵软启动,使系统工况稳定.由于空调用冷站的水泵约为数十千瓦，数量较多，建议采用变流量节能技术。由于是新技术应用，需考虑方方面面，比如，应保证最不利末端资用压头的要求，应有一最低电源频率的要求;为保证冷机冷冻水、冷却水最低水流量的要求，应有一相应的最低电压频率的要求。这要综合各方面要求，锁定电源频率.另外,如果冷冻泵最低电源频率保证了蒸发器的最低水流量的要求,可以免去旁通管路。冷冻水泵变频调速一般是根据冷负荷测量参数进行的，冷却水泵一般是根据冷却供、回水温差来进行的,故都应合理组建测量系统。3。4建筑设备强电控制柜应具有被远程控制可能3。4.1 冷机、水泵、风机等的强电控制柜应具有手/自动转换开关,开关置于手动位置，可在现场用启、停开关调试开、停；开关置于自动位置时，可由BA进行远程控制启、停。3.4.2 照明控制箱应具有手/自动转换开关，并具有照明控制用接触器。当转换开关打在手动时，现场手动控制照明；当开关置于自动位置时，可由BA对照明进行控制。3。4.3 空调机组的新、回、排风门应有电动调节风门，便于节能控制.4. 设计、施工中存在的问题及其建议规划设计应考虑到节能、管理等的要求,并按照公共建筑节能设计标准“对建筑面积20000以上的全空气调节建筑，在条件许可的情况下，空调系统、通风系统，以及冷、热源系统宜采用直接数字控制系统”。 4.1 规划、设计初期水路布置存在的问题及其建议由于规划、设计初期各专业间缺少配合、交流，所以有关管道布置不一定都考虑到可测性、可控性的问题。但是，现在大多数中央空调都采用了楼控系统，所以有关管路的布置就显得突出。我们建议应为正确组建测量系统而布置管路的连接。例如，流量变送器要求在其安装位置的前、后(按水流方向）有一定长度的直管段要求，一般要求前10D、后5D（D安装管径）。这是为了消除管道中流动的涡流，改善流速场的分布，提高测量精度和测量的稳定性.直管段的设计应按照具体流量变送器及管道中阻力件的情况,按说明书要求而定.为了延长流量变速器的使用寿命，流量变速器应设计在回水管路上。另外，在电动调节阀、电动蝶阀管路上,应设计有手动截止阀，以便于日后维修方便.4。2 强电控制柜及空调设备订货要满足BA要求4.3 楼控设计应与HVAC设计紧密配合，避免设计脱节、漏项、错项等。提出对HVAC节能性、可测性、可控性的要求4.4 各工种施工配合存在的问题及其建议冷站及其控制工程是多工种、多技术的综合工程，需要建筑设备工程师、给排水工程师，楼控工程师及现场施工工程师紧密配合，相互明确分工界面又相互支持，才能保证测量系统的正确组建。在实际工程中，水施常常为了减少占地面积，使管路安装非常紧凑，无法保证仪表对测量的要求，需要整改、延误工期,造成浪费。建议施工中引起各方面的重视。总之，我们建议设计部门、业主和集中商应遵循建筑设备、建筑电气、建筑设备自动化一体化整合设计的理念,在规划、设计和施工中,都需要多工种的密切配合.相互提出技术要求，相互协调。我们深深体会到在楼控的方案设计中，建筑设备工程师起到举足轻重的作用。在这里我们祝愿建筑设备界的朋友们在今后的工作中做出更大的贡献.本文提出的问题是从测量与控制角度提出的，是否准确，尚望建筑设备、给排水工程界及自控界的朋友们予以指正。参考文献：1 JGJ/T1692民用建筑电气设计规范. 中国建筑工业出版社。 19932智能建筑弱电工程设计施工图集. 中国建筑标准设计研究所.3 张子慧、黄翔. 冷机台数自控中存在的问题及其解决方法。 电气&智能建筑. 建筑弱电册. 2003，114张子慧、黄翔。 楼宇控制系统存在的问题及改进建议. 电气&建筑。 建筑弱电册。 2003.115远大型双效蒸汽制冷机样本6远大型直燃机样本7公用建筑节能设计标准 GB 501892005