智能化中央空调节能管控系统及运维管理

智能化中央空调节能管控系统及运维管理

戴吉平

深圳达实智能股份有限公司  广东深圳 518000

摘要：进行智能化中央空调节能管控系统及运维管理，可分步展开，确定系统设计思路，准备相关系统硬件、赋予系统相关功能，以此来发挥节能管控系统在空调调节中的作用，提升节能效果，并应用于后续运维管理中，这对于减少资源浪费、节省成本来说有着一定的促进作用。

关键词：智能化中央空调；节能管控系统；运维管理

引言：中央空调虽然具备超静音、高舒适性等优势而实现了其在医院、大型商超等建筑中的广泛应用，但其能源损耗大、运维不方便等确是明确存在的问题，基于此，应从中央空调应用需求出发，引入节能管控系统，对其能源应用进程进行有效地调整，强化对运行过程的运维管理，如此才能减少负面反应，体现节能优势。

1案例分析

以达实大厦中央空调制冷站为例展开研究，制冷站包括4台磁悬浮冷水机组，设计冷冻供回水温度7℃/12℃、冷却供回水温度32℃/37℃、铭牌额定功率489.10kW、装机总容量3200RT（冷吨）。匹配6台冷冻泵、4台铭牌额定功率75kW的常规泵、2台铭牌额定功率37kW的加班泵，加班泵通常不作为控制调节的对象；4台冷却泵，铭牌额定功率55kW，以及16台冷却塔，单台冷却塔风机铭牌额定功率7.5kW，冷水机组和冷冻泵冷却泵是一一匹配关系，即开启一台冷水机组对应的开启该机组匹配的冷冻泵和冷却泵。在采用群控控制策略的情况下，制冷站2021年用电252万kWh，占大厦总用电的35%，制冷站全年系统能效COP达6.31，能效等级属于引领级，是全国第一个制冷站能效等级引领级的评价项目。制冷站系统结构如图1所示。

图1 制冷站系统结构图

2智能化中央空调节能管控系统设计

2.1确定系统设计思路

确定系统设计思路，关键是：

（1）灵活应用计算机网络技术、计算技术、虚拟技术、大数据技术等搭建节能管控平台，将锅炉、冷水机组、循环水泵、电动阀门、冷却塔、温度、压力、冷量传感器、电动调节阀、空调箱机组、风机盘管、温控器等所有设备纳入节能管控范畴内，以此来执行一体化、智能化管控策略，提升节能效果。

（2）节能管控机理：依靠中心模糊控制柜、冷却水控制系统、各类传感器、温湿度监控软件等来实现整体管控流程，具体为：通过智能感应器对建筑内的温湿度展开自动检测、进行全面分析，加之自调节PID控制器、自适应信息控制技术，完成智能化模糊计算，得出所有房间在各个阶段的冷量需求，基于此对冷却回路水速、主控机机打冷率、冷冻水速等参数加以调整，结合房间负荷值变化情况，记录相关数据、进行分析，保障打冷机能一直维持在最优时间节点运行，控制空调能耗比。

2.2系统硬件组成

（1）空调智能节能控制器：其是一种新型的、以节能、远程控制、日常管理等为目的的空调远程控制器，装置万能码库、自控装置、电源管理装置、远程通信装置、电气控制装置等，可支持系统各项功能模块的搭建过程。

（2）智能通讯网关机：该项装置能直接连接建筑内的网络服务器，支持5G、无线等数据传输过程，通过工业级硬件平台制作而成，全金属外壳，具备能耗低、覆盖范围广等优势。

（3）空调面板温控器：适用于建筑内供热设备、热水器、壁挂炉、地暖、电动风口、电动风阀、电动阀、风机盘管等设备的温度管控，以大屏显示各项温度参数变化，智能化调节各项阀门、装置的开闭状态，维持恒温。

（4）其他：传感器、通信终端、CPU等部件。

2.3软件功能布置

（1）冷却水监控功能：在冷冻水出、回水管道处装设温度传感器，采集各阶段冷冻水出回水温差；在冷冻水系统中布置边缘控制器柜，采集传感器传输而来的水温数据、冷水主机与冷冻水泵的运行参数数据，借助内置于控制柜中的控制装置，对冷冻水泵、主机加以优化控制，操控冷冻水泵持续追踪冷冻水出回水温差，进行智能化变频控制。结合冷冻水系统显示的供回水温差，分配对应的冷量，自动调节冷冻水泵频率；结合冷水机组运行效率，总结其规律，启动若干台冷水机组，提升制冷效果、控制能源损耗。

（2）控制模块：可通过远程终端时间对空调系统的灵活控制，调节温度、风速、模式、定时等。管理人员还可通过监控功能观察建筑内各个房间空间使用情况，与室内灯具、电源等相关联，以此来强化对空调系统的控制作用，节约能源。

（3）温度管理：开机运行节能温度定时/手动开机时，空调维持预设温度值，灵活设定节能温度值；限定运行温度调节范围制冷/热模式下，在预设节能温度区间内调控温度，并可结合实际修改调节范围值，在用户违规操作时依靠后台权限纠正温度。

（4）时间管理：设定自动启停机时间，每天可设置多个关机时间点，在遇到特殊状况时，可由后台操作人员进行远程调控，纳入日志管理中，可随时调阅开关机记录，辅助后续运维过程。

（5）权限设定：根据用户登录账户，自动划归到对应群组，赋予相应权限；锁定线控器、空调面板等，在得到相关权限后才可自主调节，以此来保护节能系统隐私，避免相关功能的随意操控而引发相关故障、安全问题。

（6）告警功能：出现过滤器或者毛细管堵塞、滤网脏堵、风扇异常、室内机故障、冷凝器堵塞、空调缺氟、电量超标等时发出告警信息，提示相关人员处理。结合各阶段的告警事故，制定安全预防预案，应用于空调节能调控中，提升节能效果。

（7）其他：用电参数显示、电量报表等。

3搭建AIoT智能物联网管控平台

3.1主机AI模型

通过ASHRAE数学建模方法，建立冷水机组的功率模型，可以精确计算出冷水机组在各种运行工况下（如不同的冷冻水进出水温、冷却水进出水温、部分负荷率等）的功率，从而得到冷水机组的能耗。在系统运行初期，设备运行数据不足时，训练数据采集厂家样本数据以及调试阶段的数据。在运行积累一定的历史数据后，自动更新启用相应的机器学习模型，保证了模型全周期可用性以及准确性。同时针对实际运行中性能的衰减等问题，自动选取新训练样本，并自动调整原始数据的权重，模型的参数和结构等，提高模型的适应性和准确性。

3.2水泵AI模型

对于冷却水系统和冷冻水系统，不考虑管道阻力系数的变化对水泵扬程的影响，直接采用相似定律机理模型对水泵进行建模，从而精确计算出水泵在各个运行工况下（如数据样本要求为水泵运行频率、扬程、瞬时功率以及50Hz工况下的实测流量）的功率。在系统运行初期，设备运行数据不足时，训练数据采集厂家样本数据以及调试阶段的数据。在运行积累一定的历史数据后，自动切换为机器学习模式。

3.3冷却塔AI模型

冷却塔使用基于Braun冷却塔传热机理的简化模型，该模型形式简单，精度较高，适用于工程应用。该模型需要的样本数据为冷却水出水温度、冷却水进水温度、湿球温度、冷却塔水量、风机功率，根据相似定律可以间接使用频率替代冷却塔水量训练模型。在系统运行初期，设备运行数据不足时，训练数据采集厂家样本数据以及调试阶段的数据。在运行积累一定的历史数据后，自动切换为机器学习模式。

3.4AI全局优化

AI全局优化是以冷源系统整体能耗最低为目标，对冷机、水泵、冷却塔进行协调控制。算法为单目标优化，目标函数为当前状态下的冷却系统总功率，即冷机、水泵、冷却塔的功率总和。其中，各设备的功率基于前文所述的设备模型进行计算。同时，建立不同设备之间的关联约束，例如：冷冻水温差*冷冻水流量*比热容=冷量，冷却水温差*冷却水流量*比热容=冷量+主机功率等。在满足关联约束和个体约束（如参数上下限）的前提下，通过寻优算法，找到使系统整体能耗最低的运行工况，将控制参数下发到冷源子系统。控制参数包括：

主机出水设定温度、主机设定开启台数

冷冻泵设定开启台数、冷冻泵设定频率

冷却泵设定开启台数、冷却泵设定频率

冷却塔出塔设定温度、冷却塔设定开启台数、冷却塔设定频率。

 4智能化中央空调节能运维管理

4.1主机节能管理

空调主机能耗在中央空调系统能耗中占比超过40%，且主机基本上是按照建筑所需最大负荷值运行，每个工况皆会对应特殊曲线、最佳性能参数，维持空调主机能效比在最高状态，但中央空调系统结构复杂、种类繁多、组成部件数量较多、技术要求高，单单通过水泵变频、中央空调主机调节难以达到最佳节能效果，引入信息技术、节能管控系统对相关设备的运行参数、能耗数据等展开智能计算，进行设备运行参数整体化分析、优化，输送到智能管控系统中，调节各阶段空调运行状态，发挥更好的节能作用。

4.2水泵节能管理

中央空调系统多会装载数台冷却水泵、冷冻水泵，与管路并联，形成冷冻水、冷却水循环系统，系统运行时，为其配备适宜的变频调速器，接入节能管控系统，保证相关系统在可调节、可优化状态，改变水泵电机转速来改变冷冻水、冷却水在各阶段的流速，且水泵电机能在相对较宽区间内平滑调速，如此将节流阀调节到最大值，亦不会产生较大的节流损耗。维持空调系统末端舒适性的基础上，确保制冷机组能稳定、高效工作，满足制冷所需。

4.3无人值守运维

结合建筑、中央空调系统结构等，灵活应用信息化技术制定负荷预测模型，推测建筑内各个房间、各个阶段所需冷负荷，便于运维人员24h监控房间末端所需冷负荷大小，引入冷冻水负荷模糊预判断控制技术，对室内外环境、冷冻水回水温度、供水温度、压差、流量等数据加以监测、收集、分析，结合数据库技术，推测下个阶段中央空调系统冷负荷量、变化趋势，调节冷冻水流量，增加系统所提供冷量与建筑内负荷需求冷量之间的匹配度，最大程度地消除供需偏差。考虑到动态冷负荷一定程度上取决于多个自变量，故而应结合建筑内各个房间的人流量变化，预测其人员密度、冷量损失等，设定所需开启的机组数量以及运行时间，实现智能化控制，以此来达到无人值守运维的目的。

4.4绿色运维

在运维管理中布置合适的配套设备、末端控制软件等，设定夏季温度在26℃左右、冬季温度≤20℃；强化新风应用，装载电动平衡阀，设定水利平衡水量，达到节能目的。利用节能系统平台定期推送中央空调节能运维理论知识、技能等，培养用户节能意识，促使其能灵活地应用节能管控系统，达到节能目的。

结语：综上，文章就智能化中央空调节能管控系统及运维管理展开了综合论述与分析，应给予其足够的重视，明确以上管控系统设计、运维管理进程在实际应用中的优势与不足，发扬优势、弥补不足，从而达到更好的节能效果，这对于智能化中央空调的长期发展来说有着较好的作用。

参考文献：

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