模糊变频节能技术应用实例

2．1．3　模糊变频节能技术应用实例

以下介绍上海信业智能科技公司使用模糊变频节能技术在上海××商厦的应用实例。

1）概述

在目前的大型商场建筑中，普遍存在着高能耗的问题，商场是各类型建筑物中单位面积耗能最高的建筑类型之一，越来越高的照度要求、封闭的建筑空间、人员的大量参与、环境舒适度的要求都增加了商场建筑的空调负荷。因此，中央空调的节能成为对商场建筑进行节能改造的重中之重。

上海××商厦属于中高档综合性商场，建筑面积约为3．2万m²，年耗电量超过1　000万元。

对其冷冻站系统进行了节能改造，应用了目前国内先进的模糊变频控制技术，获得了非常好的节能效果。

上海××商厦的中央空调系统冷冻站，目前配置有约克离心式冷水机组中央空调主机3台，单机制冷量为500USRt；冷冻水泵与冷却水泵各3台，均为55kW；15kW的冷却塔3台。在改造前，该商厦中央空调系统尚未采用完善的节电措施。

中央空调的改造主要应用了智能模糊控制节能（BKS）系统，改造了不间断使用的工程技术。该节能系统体现为水泵节能控制柜、各类传感器件、控制主机、系统软件等一整套完整的控制系统。

该项目改造中所用的BKS2003中央空调管理专家系统具有国内外先进水平，它与恒温差或恒压差变频控制系统采用的PID（或PI）控制方式相比，具有显著的优势。

2）模糊变频控制技术

对于中央空调这样多参量、非线性、时变且参量间耦合很强的复杂系统，一般难以用精确的数学模型进行描述或所得模型不是过于复杂就是较为粗糙，以精确性为主要特点的经典数学，对于这类控制问题往往难以奏效。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，是20世纪80年代以后才发展起来的新型控制技术，尤其适合于对中央空调这样复杂的、非线性的、时变性系统的控制。

该控制技术的核心为冷冻水系统的模糊预期控制技术与冷却水系统的自适应模糊优化控制以及冷冻机的间接控制，其控制原理图如图2．2所示。

图2．2　模糊变频控制系统原理图

由于空调冷冻水系统管路一般都较长，冷冻水循环周期长达十几分钟至几十分钟，造成温度采样的时滞性很大。同时因为水系统的惰性大、反应慢，传统的PID控制会造成冷冻水回水温度波动很大，影响系统的稳定性、末端的舒适性和节能效果。

BKS系统对空调冷冻水系统采用模糊预测算法实现最佳输出能量控制。当气候条件或空调末端负荷发生变化时，空调冷冻水系统供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化。流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，根据模糊预测算法模型、系统特性及循环周期，推理、预测出未来时刻空调负荷所需的制冷量和系统的运行参数，包括冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量为模糊控制器给出的最优值，使系统输出能量与末端负荷需求相匹配。

由于冷冻水系统采用了输出能量的动态控制，实现了空调主机冷媒流量跟随末端负荷的需求供应，使空调系统在各种负荷情况下，既能保证末端用户的舒适性，又最大限度地节省了能量消耗。

理论上，水泵的运行功率与供电频率的3次方成正比，由于冷冻水泵常年运行在非高效区域，通过调整供电频率可以大量节省运行费用，一般高达60%。

3）自适应模糊优化控制技术

当气候条件或空调末端负荷发生变化时，空调主机负荷率将随之变化，主机的效率也随之变化。

由于主机效率与冷却水温度有关，在一定范围内，冷却水温度降低，有利于提高主机效率，降低主机能耗。但冷却水温度降低，将导致冷却水泵和冷却塔的能耗升高。因此，只有将主机能耗、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗三者统一考虑，在各种负荷条件下找到保持系统效率最高所对应的冷却水温度，即找到一个系统效率最佳点，才能使整个系统能效比最高。

冷却水温度与室外环境温度、室外环境湿度、冷却水泵特性、冷却塔排热能力、主机排热负荷等诸多因素有关。但由于气候条件和排热负荷的时变性以及冷却塔、冷却水泵和主机冷凝器等特性的变化，使传统的控制方式或简易的变频器控制方式都不可能达到系统运行效率优化的控制目标。

BKS系统对空调冷却水系统采用自适应模糊优化算法，实现系统效率最佳控制。当气候条件或空调末端负荷发生变化时，模糊控制器在动态预测系统负荷的前提下，依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，根据气候条件、系统特性和自适应模糊优化算法模型，推理、计算出所需的冷却水温度最佳值，并以此调节冷却水泵和冷却塔风机变频器的输出频率，控制冷却水泵和冷却塔风机转速，动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的风量，使冷却水温度趋近于模糊控制器给出的最优值，从而保证整个空调系统始终运于于最佳效率状态下，系统整体能耗最低。

将主机与冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等主机房用电设备视作一个整体，提出系统COP值的概念，即

COP_系统＝L_总供冷量/∑N_{主机房设备}

在负荷一定的情况下，COP_主机与T_S的关系如下：

COP_主机＝f（1/T_S）

式中：T_S——空调主机冷凝器平均温度。

从公式可以看出，主机效率与冷凝温度成反向关系。一般情况下，冷凝温度越高，主机效率越低。所以冷凝温度的调节必须依据系统COP值最优的原则进行。通过求解下式：

可得到系统在该负荷状态下，保持最高系统转换效率（COP_系统）所对应的冷凝器温度（T_S），从而可调节冷却水流量和冷却塔散热效果。如图2．3所示，可通过控制冷却水泵的供电频率来有效控制这个最佳的冷凝温度，使冷却水系统节能50%以上。

图2．3　冷却水系统控制流程图

4）冷冻机的间接控制技术

主机的能效比决定了主机的工作效率：

COP（能效比）＝L（供冷量）/N（输入功率）

同时，COP＝f（T_D），T_D为主机的蒸发温度，即主机的效率随着蒸发温度的升高而提高。主机供冷的供回水温度设计值为7～12℃，但是由于长期在低于设计负荷下运行，其回水温度常年低于12℃，造成蒸发温度下降，效率降低；通过降低冷冻水供水流量，提高回水温度，将有效地提高主机的蒸发温度，从而提升主机效率10%～20%。

系统供冷量的计算公式为：

L（供冷量）＝W（冷冻水流量）×ΔT（供回水温差）

即当供冷量不变的情况下，流量越小，温差越大。由于主机的供水温度为设定值，故温差越大，即回水温度越大、蒸发温度越高，主机就越节能。其演变过程如下：

p↓→n↓→W↓→ΔT↑→TD→COP↑

但是冷却水泵转速的下降，虽然可使冷却水泵的能耗急剧下降，却使主机的能耗缓慢上升，不过由于主机的功率较大，所以存在一个临界点。当水泵的转速大于或者小于该点时，整个系统的能耗都会上升。自适应模糊优化算法可以帮助系统找到这个临界点，并且始终在末端负荷变化时，紧紧跟随该点，使得系统COP值始终最高。

中央空调制冷主机的效率特性通常随着负荷的变化而变化，并在某一负荷率下具有最佳效率。因此，在多台机组并联运行时，可根据当前负荷情况和历史记录的主机负荷效率特性，选择一种最佳的主机运行台数组合，以达到系统的最高效率，这称为基于效率的机组群控功能。

5）节能控制系统实施

（1）全面的参数采集是实现系统综合优化控制的基础，系统应采集以下参量：

①载冷剂参数：冷水机组冷冻水出口温度、冷冻水供回水压差Δp、冷冻水流量Q、冷冻水回水温度；

②冷却剂参数：冷水机组冷却水出口温度、冷却水进水温度；

③环境参数：室外环境温度；

④空调主机和各水泵的运行能耗；

⑤空调主机和各水泵的运行状态等。

（2）监控点的设置

①空调主机的控制

·3台空调主机，共设置15个监控点

·运行状态、故障报警，6个DI点

·主机电量计量、冷冻水回水温度监测，9个AI点

可在模糊控制柜上的用户接口终端监视各空调主机的运行情况，记录和统计各空调主机的能耗、效率情况，使用多种控制方式对主机进行启停控制及保护，记录设备的启停时间、累计运行时间。

②系统控制点的配置

根据控制系统的特点，经过对各受控系统的控制分析，对本控制系统的控制点配置汇总如下：

系统共设计86个监控点，其中：

·数字量输入（DI）点共计34个

·数字量输出（DO）点共计18个

·模拟量输入（AI）点共计27个

·模拟量输出（AO）点共计7个

（3）工程实施

①传感器安装

传感器分为温度传感器、压差传感器、流量传感器，分别采样中央空调系统的温度、压力及流量信号。温度传感器的热安装方式不需要空调系统放水，可在中央空调停机时采用带压开孔进行施工。

②设备器件安装

器件安装包括模糊控制柜、水泵智能控制柜、水泵智能控制箱、风机智能控制柜、现场模糊控制箱的安装。

水泵智能控制箱、现场模糊控制箱一般都采用挂墙安装。水泵智能控制柜安装于冷冻机房内，采用槽钢制作机柜底座，机柜底座调整与槽钢相平。现场模糊控制柜作为中控、监测及操作设备，安装于空调值班室，方便监测与操作。

③桥架、线管安装

现场电缆桥架分为强电电缆桥架及弱电电缆桥架，强电桥架连接水泵智能控制柜和原水泵电控柜，弱电桥架、弱电线管连接现场模糊控制柜和传感器。桥架安装可靠墙，悬空安装。

④电缆敷设

桥架、线管安装结束后，进行强电及弱电电缆的敷设工作。该过程在控制柜、设备器件、原电控柜外进行。

⑤系统接线

可在甲方系统关机时停电进行，可分次分批进行施工，以不影响中央空调系统的正常和按时运行。

系统接线完毕后，BKS中央空调管理专家系统与原中央空调控制系统一起组成了一个并联系统，两者存在互锁，互为备用。在其中一路出现故障时，可以及时、方便地切换到另一路控制系统，增加了系统的冗余度，提高了系统的安全性。

⑥通电调试

通电测试主要检查变频器工作是否正常，水泵、风机能否正常启动，水泵、风机是否反转，程序、通讯及各采集信号是否正常采集，通电测试过程选择在中央空调停机间隙时间内进行。通电测试正常后即进入系统调试阶段，调试正常后，BKS系统正式投入运行。

6）节能控制系统节能率测试方法

（1）测量装置及测量范围

根据商厦中央空调配电系统的具体情况，在被控中央空调主机的电源进线处安装三相电度表计量装置（含电流互感器），在被控辅机（包括冷冻水泵、冷却水泵）的电源进线处安装三相电度表计量装置（含电流互感器），所安装计量设备的计量范围覆盖全部被控中央空调主机及辅机。

（2）测量方法及条件

采用将中央空调系统在变流量工况下运行和在定流量（即工频运行）工况下运行的能耗进行对比的测试方法，即中央空调系统在相邻两天中，分别采用变流量和定流量（即工频运行）在相同时间段上运行，对其能耗进行测试、记录和对比。

在夏季制冷模式下，中央空调主机冷冻水出口温度应在额定出口温度（7℃）条件下进行测试。被测试的中央空调系统主机和辅机、运行起止时间应完全相同；相邻两天的气候条件，负荷情况应大致相同。

（3）测量时间及数据记录

被测试的中央空调主机及辅机采用变流量和定流量（工频运行）交替运行共六天（定流量运行三天、交流量运行三天），对其各自的能耗进行记录。

平均节能量＝定流量总能耗量－变流量总能耗量

平均节能率＝节能量÷定流量总能耗量　　　　

7）节能率测试结果与经济性分析

（1）投资回收期

如表2．2所示。

表2．2　投资回收期

（2）节能改造前后用电费用比较

如表2．3所示。

表2．3　节能改造前后用电费用比较

（3）节能率测试结果

测试从2008年8月18日开始至8月24日结束，综合测试结果如表2．4所示。在测试中，真实、准确地记录了中央空调系统能耗数据及运行参数数据。从系统的运行情况及测试数据分析，可以得出以下结论：

①由原系统运行转为中央空调节能系统运行后，大幅度降低了能耗，具有显著的节能效果，综合节能率为19．1%；

②在改造中，运用了最新的产品和技术，可以在不断水、电，空调正常运行的情况下进行改造，甚至在奥运会举办期间也没有对业主的营业产生丝毫影响。