Delta在空调系统控制中的节能措施

加拿大delta北京代表处 赵建敏

 

摘要:本文阐述了Delta controls作为楼宇自控产品专业制造商,同时拥有多年的能源管理及咨询方面的经验,再结合施工、调试过程中遇到的一些问题而总结出来的一套在暖通空调系统控制中的行之有效的节能措施。该套节能措施从冷热源系统、空调系统及VAV变风量几方面的节能控制进行了详细的论述。在实际的施工、调试过程中,针对不同的工程应用相应的节能措施可以达到节能降耗的目的。

 

关键词:空调控制、经验、节能措施

 

随着经济建设的发展,商用建筑(写字楼、宾馆饭店、大中型商场等)大量兴建,采用中央空调的商用建筑普遍存在着高能耗的问题,导致能源供应会更加紧张,从而影响经济的持续发展。一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的50%左右,对于商场和综合大楼可能要高达60%以上,因此节约商业建筑空调能耗是刻不容缓的。

 

空调系统的能耗主要有两个方面,一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷热源能耗,如压缩式制冷机耗电,吸收式制冷机耗蒸汽或燃气,锅炉耗煤、燃油、燃气或电等;另一方面是为了给房间送风和输送空调循环水,风机和水泵所消耗的电能。

 

通过楼宇自动化系统(BAS)实现对空调末端设备的节能自动控制,当空调负荷发生变化时,通过采集相关参数值,经系统运算后改变冷水机组工作状态、冷冻(温)水和冷却水流量以及冷却塔风机的风量,确保冷水机组始终工作在效率最佳状态,使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况。

 

另外,通过楼宇设备自控系统,对中央空调系统末端的新风机、空调机乃至风机盘管等装置进行状态监视并进行“精细化”控制,以实现节能的目的,也就是通过DDC(直接数字控制器),将检测的相关量值进行PID(比例、积分、微分)运算,实现对上述设备的PID控制,达到一定的节能效果,同时创造舒适性环境。

 

Delta控制公司的前身是ESC能源系统顾问、咨询公司,致力于建筑节能技术的应用,集产品的研发、生产、工程设计、调试于一身,是北美最大的专业楼宇自控产品供应商。其控制系统采用BACnet-ISO16484-5国际标准通讯协议,同时Delta的产品和技术也向用户全面开放,技术发展和新产品的推出始终紧随用户需求。

 

根据多年建筑节能及能源管理的施工、调试的经验,Delta controls总结出一套行之有效的节能算法。其节能措施如下:

1. 供回水温差控制
在冷水系统或热水系统保持供回水处于大温差(避免温差过小)是一个具备明显经济优势的节能措施。

 

空调冷水、热水的供应流量视负荷大小的变化很大,该变化受温差问题的影响较为严重。通常,这些问题产生的原因源于设计失误,主要是由于较多的供水支路及三通阀的分散使用。这样的水路特性配合定流量泵的应用直接导致空调水由供水管路直接流向回水管路,导致空调水工作于低负荷状态下,产生温差问题;变流量系统针对此耗能现象设计产生并加以应用,但是现在已经有针对该问题进行有效解决的设备和设计方案。

 

a) 去除空调水的供水支路

在现在这个网络数字DDC控制和VSD控制盛行的时代,空调水系统无需考虑分支供水,当今的冷水机组或热水锅炉已具备视负荷大小进行功率调整的调节能力。合适设备的选择应用,使得供水系统和回水系统不再发生混合现象,保证所有的空调供水在任何时间只进入负载设备。

b) 水泵分组

去除供水支路并不意味着只需一组冷冻水泵即可完成工作。在大型的供水系统里,一次泵/提升泵成组设计将会非常有效率并大大降低备份系统建设的实施成本,同时,现代的基于网络的控制系统将使泵组的运行得到有效控制。

c) 每个负载的温差监测

一旦空调分水支路及三通阀门已经安装,低温差问题产生的唯一源头就是每个空调设备的溢出水流。其中溢出的产生原因是压差的直接变化。此时需在就空调设备的回水管路安装温度传感器,并使用回水温度做为阀门控制的条件参数。如果回水温度接近设定值,阀门的开度将被限制。如此控制不但有效解决了低温差问题,同时也为设计人员在阀门规格的选择上带来了些许灵活应用。

 

2 AHU节能控制算法

节能控制的关键问题是“我是否可以使用室外新风来实施无功耗制冷”,其中两个应用较多的技术是干球温度切换和焓值控制。其中:干球温度切换是指使用室外干球温度做为上限,温度设定点根据气候条件在23-26摄氏度之间调节。该技术使用简单,故障排查容易,它的应用仅需要一个室外温度传感器。

 

但是一个室外温度传感器视工作条件(阳光直射影响)可能无法满足应用的需要;在我们的系统中,可安装多点位的室外温度传感器进行温度采集,通过取平均值或最小值的方式进行处理;多传感器的安装使用同时也可以提升型号的可靠性。GCL+(编程语言)在进行计算前可以检测传感器是否处于故障模式,以事前确定是否纳入计算过程。以上显著的技术优势可以适用于大型建筑群的系统。

 

当然,尽管干球温度切换的实施成本是低廉的,但其工作特点决定它不适用于高湿度的气候区域。此时,焓值切换是用来比较室外新风和室内回风的全热量(焓值),选择热量低的风源,做为主要风源的处理方式。

 

在大型系统或变回风(热负荷变化明显)的空调系统中,通过对空气焓值的监测,用其值做为实现节能的技术手段,在较小型系统或回风湿度没有明显变化的系统中,可以用来进行焓值的稳定性控制;

 

在很多节能装置中,常进行风量控制用来保证所需的室外新风量。风量的测量的方式方法是多种多样的,而控制实现的目标都是类似的:在保证最小新风的前提下,实现温度的舒适性控制。

 

下例是基于风量需求的前提下的干球温度切换的控制流程描述,两个技术关键点分别是:

a) 建筑室内静压控制(忽略新风风门开度的影响,模拟调节混风风门开度)
b) 根据排风温度调整混风温度设定点(不同的现场模式采用不同的温度补偿量)

 

控制流程描述:(空气侧)

a) 在送风风机关机\预热(冷)时段、夜间低温保护或手动强制模式下,保证新风风门全关;
b) 通过PID调节新风风门、回风风门、排风风门的开度,来维持混风温度处于温度设定点;
c) 在制冷模式设置混风温度为(排风温度设定点-1.2摄氏度);在制热模式设置混风温度=排风温度设定点。
d) 当室外新风温度大于温度上限值时(上限值初始数据为24摄氏度,可调整),室外新风在CO2条件控制下处于最小开度;
e) 回风风阀开度由送风静压控制时,调节新风风阀维持混风温度处于设定点。

 

3 夜间换风(无功耗或微功耗)制冷算法

夜间换风被用于建筑使用前的预冷,要求室外新风阀和排风阀全部打开,回风阀完全关闭。如果需要气流跟踪监测,则要保证送风风量不大于回风机风量。如果有的话,建筑静压设定点设为零。VAV箱的流量应该至少设为最大CFM的50%,如果能维持有足够的风量分配给所有的VAV箱,那么每个VAV箱应该按最大CFM运行,这将显著减少风机功率的需求,并停止风道静压重新设定,以维持风机能够低速运行(最高40%,可根据需要调整)。夜间换风特别适合对建筑周边区域的预冷,也适合于建筑内区。如果某些个别区域的换风情况已经超过设定的要求,这些区域的风机应该恢复到闲置状态(关闭风机),防止出现过冷的情况。而在进行区域换气时,再热设备必须处于锁定停止状态。

 

以下情况激活换风模式:室外空气的干球温度至少低于周边区域的平均空间温度10摄氏度,并且周边区域的平均空间温度高于占用状态冷却设定点5摄氏度,而且距离建筑被占用的时间在6个小时以内。在进行夜间换风期间机械制冷应该被锁定在停止状态。然而针对某些地区的低谷电费价格来说,在更高电费价格之前进行机械制冷可能更有意义,并且在用电低谷时制冷设备工作得更有效率。

 

夜间换风能节约多少能源呢?这依靠于运行夜间换风当时的气候条件(自然冷却的时间越长耗能越少)、公共设施耗能(如果按需供电能节省得更多)和内部负荷需求。但是,运行这个控制策略的附加费用几乎可以忽略不计,因为所有的硬件设备很可能早就存在了。可以利用趋势分析和累计,对夜间换风时段的风机能量消耗及预估冷却节能进行跟踪。
夜间换风也对保证室内空气质量有所帮助,通过换风能够清除建筑内的臭气、烟和其他空气污染物。

 

4 空调冷/热水供水温度再设定算法

重新设定加热热水和制冷水的设定点以满足系统负荷要求是自从气动控制时代就有的一种控制策略,然而与气动控制不同,DDC系统可以用精确的区域负荷驱动技术来实现对设定点的重新设定。我们根据加热阀的开度对供水温度进行再设定。该控制可保持供水温度只有加热需求时开阀。冷冻水供应再设定利用同样的概念。我们能够利用冷冻水阀的开度来实现对冷冻水供应温度的再设定。

 

为什么要重新设定供水温度呢?这样做可以减少传输和待命损耗,允许阀门工作在接近于它们的“最佳位置”。在冷冻水系统,每提高一度冷冻水供水温度就能够提高大约1%的冷机效率。

 

风险等的规避:

在有多台冷水机组和水泵的系统中,必须避免由于过低的冷冻水供水温度导致为了满足冷却负荷使附加的水泵和冷机投入运行。如果第一次根据阀门开度对冷机的供水温度向下进行重新设定,当降低的冷冻水供水温度不足时将启动额外的冷却能力,这时就要对设置进行重新优化。在变流量泵系统中,通过重新设定供水温度节省的开支可能被增加的泵耗能的开支所抵销。这种情况在VAV空气处理的冷冻水系统中尤其容易发生,因为也可能需要增加风扇功率。在这些系统中,冷冻水供水温度的再设定有一个适当的范围(比如说5.6℃到8.9℃)。 再设定优先权使全能耗最小化:

a) 检测执行器反馈状态用以在满足变风量箱需求的最佳冷却时将VAV风扇速率、风道静压设的尽可能低
b) 在不会导致区域过分再热的情况下,将VAV送风温度设定得尽可能低。曲线降低直到至少一个区域(区域数可调整)要求充分加热。阀门执行器的开度反馈是一种实现方式(尤其是三态阀),第二种方式是实施加热指令(模拟控制阀)。当可使用自然冷却时,将送风温度再设定到可能的最低值。
c) 在满足冷冻水散热最大需求的条件下,设置冷冻泵压差、泵速尽可能低。曲线降低直到至少一个阀门全开状态(但是最多不超过可调整的设定数量)。
d) 当保证最多一个冷冻水阀门全开时,将冷冻水供水温度设定得尽可能高。
e) 在满足换热器最大换热需求时,将热水泵压差、泵速设定得尽可能低。曲线降低直到至少一个阀门处于全开状态。
f) 当保证最多一个调节阀全开时,将热水供水温度设定得尽可能低。

 

以上列出的所有再设定都要基于以下几点:泵和风扇的运行速率最小化(通常约为20%),冷冻水和热水流量需求在保证冷机、锅炉正常工作的前提下最小化。这样做的目的是减少总的能源消耗。对关键部分的能源消耗进行监测和趋势分析是一个调整控制策略的很好办法。监测设备的输出功率是一个有效途径。根据冷机提供的功率监测值,再加上对锅炉功率的检测,可以实现对能源系统进行完整的监测。


 

5 变静压控制算法
在VAV空调机组风机的转速控制中一般检测风道最不利端或风道长度2/3处的静压。VAV箱的空气流量需求通过风道静压设定点的再调整来保证。它的工作机理是保证大多数VAV箱处于满意工作状态(风阀没有全开),我们可以通过降低风道静压的方式来进行节能,同时不影响舒适度。

 

早期阶段是通过采用带阀门位置反馈的VAV风门执行器的方式,来标识每个末端设备的运行状态。另外的方法是使用空气流量传感器测量每个末端设备的空气流量。当VAV箱的空气流量处于或低于流量设定点的85%时,我们可以确定风阀处于全开状态。

 

而我们的控制手段是每5分钟监测一次是否85%的末端设备处于全开状态,或末端空气流量不小于85%的流量设定点,对风道静压的工作设定点进行加减调整。更为精细的一个处理手段是简化空调分区,监测风门的平均开度。

 

风道静压控制并不是唯一的控制手段,我们可通过末端需求的反馈直接控制VSD的频率输出调节风机转速。此时,风道静压可做为上限值来执行有关预热、夜间换风、低温保护,优化控制效果。

 

AV系统风机功率的有效控制可以大大压缩系统的能源消耗,据粗略计算:2倍的风速需求需要8倍的电耗来实现。同时送风温度的再设定也可以最大限度的减少风量需求,降低送风机送风频率。通过对风机电耗和再加热电耗数据的趋势记录,为操作人员提供了排风温度的设定调试的参考依据。很显然,更低的排风温度提升了盘管的冷却效果。在潮湿的环境下,排风温度还受除湿作用影响,因此数据的记录显的尤为重要,并以此为依据,使得控制实现的节能措施得到有效实现。


 

6 变流量泵的控制算法
对于HVAC变速泵的控制,我们一般采取如下的控制方法:

a) 用压差变送器对变速泵进行控制(不直接用阀位置反馈作为控制点)。
b) 在正向回水系统中压差传感器放置在最远端,在逆向回水系统中压差变速器在最近段和最远端各放置一个。
c) 根据阀位置反馈对压差设定点进行重新设定可以把能源消耗降低到最小化。
d) 控制水泵的PID循环速度很快(他们建议每秒扫描2次),这要求压差传感器输入点和驱动设备的模拟输出点在同一个控制器上(数据通过网络传送不能足够快速)。
e) 压差传感器的精度要足够高,最好达到+/- 1ft或0.4psig。
f) 安装在远端管道上的压差传感器要有足够高的压力等级,以便承受水击的冲击。建议选用能承受2000psig的压差传感器。

 

7 VAV变风量箱的高级算法

 

7.1 风道静压监测和控制
监测风道支管最不利端的静压力,控制器根据压力需求调整送风机转速来维持静压力在设定点附近。监测排气段(在所有防火阀前面)的静压作为安全控制点,当该监测点达到高限值时关闭风机系统(VSD采用电气连锁实现安全关断)。监测高压开关并有报警提示,在高压报警复位前风机不自动启动。

 

风道静压设定点应该根据VAV BOX区域的风量需求每5分钟(时间可调整)重新设定一次:复位静压以便最多15%的区域VAV BOX阀处于全开状态;逐渐增大设定值以保证那个区域的VAV BOX风阀全开,传输的平均CFM要至少达到那些区域CFM设定值的85%。

 

7.2 最小室外空气设定点
风机需要的室外空气最小量应该通过控制系统基于建筑内当前使用人的总数计算得出,这个被区域控制器计算出来的数值用来设计建筑使用数据和区域使用状态。中央控制系统对每个使用者输送至少20CFM的室外空气流量。

 

7.3 排风和混风设定点控制
混风温度设定点应该与送风温度设定点相协调,以保证最大程度利用自然冷却,并满足系统最小新风量的要求。

 

7.4 VAV BOX最小CFM设定
每个VAV BOX的最小CFM设定值要通过区域控制器根据室外新风占中央VAV系统空气处理器提供的当前一次新风的百分比和VAV BOX服务区域的占用负荷进行重新计算。在试运行的时候,每个区域的设计占用率应该输入区域控制器,用这个值来确定需求室外新风的最小CFM值(每个人20CFM)。如果某个区域被启用,最小风量值应该保证新风换气次数符合设计要求。【注:如果使用风道电加热,则最小风量至少要满足风道加热器的运行】

 

8 按需风量控制算法(维持室外新风最小新风量)
ASHRAE(美国采暖、制冷和空调工程师协会)的通风标准ASHRAE 62.1-2004是为了大多数建筑规范和LEED认证程序打基础的。以CO2浓度为监测目标的通风控制程序.换气次数程序和ASHRAE 62.1-2004允许根据CO2浓度直接把室外新风送到室内,相关的重要控制规则如下:
a) CO2传感器必须在室内的排风区域。
 b) 不能再将CO2浓度目标设定为1000ppm。

 

对于那些设计占用密度很高但是建筑占用率不是一直很高的建筑,这样的控制方式性价比更好。例如舞厅、会议室和讲演厅等。只要提交相应的变量,即使它不直接产生CO2,也可以在程序中按Delta提供的公式中运行。

 

以上所述的控制策略是Delta controls在暖通空调领域进行节能的一些措施,是降低能耗、有益于地球的行之有效的方法,同时也为客户节约更多资金。

案例展示

Delta成功为广州市省立中山图书馆提供楼宇自控系统解决方案。

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