冷熱源機(jī)房群控經(jīng)典方案

1、冷機(jī)站先進(jìn)控制系統(tǒng)摘要冷機(jī)站先進(jìn)控制技術(shù)運(yùn)行于常規(guī)控制系統(tǒng)之上，采用需求側(cè)信息輔助計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷水平和趨勢(shì)，采用仿真手段動(dòng)態(tài)模擬冷機(jī)站各部分的工作狀況和性能，并在此基礎(chǔ)上采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)在兼顧各種因素的同時(shí)生成最安全、經(jīng)濟(jì)的冷機(jī)站運(yùn)行方案，指導(dǎo)常規(guī)控制系統(tǒng)工作從而最大化冷機(jī)站的系統(tǒng)效率。AdvancedChillerPlantControlSystemAbstractRunningabovethebuildingautomationsystem,theadvancedchillerplantcontrolsystemcanapproximateactualloaddemandofthebuild

2、ingbytakingdemandsideinformationasreference,simulaterunningperformanceofvariouspartsofthechillerplantwithadynamicmodelingsystem,optimizetheworkingscheduleandrunningsettingsofthechillerplantwithadynamicprogrammingsolver,andautomaticallyguidetheconventionalcontrolsystemtorunthechillerplantinthesafesta

3、ndmosteconomicalway.簡(jiǎn)介冷機(jī)站的能耗約占大樓總能耗的3050%,是樓宇節(jié)能不可忽視的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的冷機(jī)群控系統(tǒng)大多為程序控制系統(tǒng)，可以根據(jù)工程師的邏輯設(shè)定，完成冷機(jī)組的自動(dòng)啟停、連鎖和保護(hù)等，但是受硬件和軟件的限制很難考慮更多影響系統(tǒng)效率的因素（例如：未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)大樓的冷/熱負(fù)荷的變化趨勢(shì)，包括冷機(jī)、冷卻塔、換熱器、甚至蓄冰系統(tǒng)在內(nèi)的各設(shè)備在不同工況下的效率水平，電價(jià)的變化，電力或燃料的選擇，以及樓宇對(duì)制冷、制熱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等）使得冷機(jī)站的運(yùn)行效率保持在高水平。作為對(duì)常規(guī)系統(tǒng)的補(bǔ)充，冷機(jī)站先進(jìn)控制技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“冷機(jī)站先控”）運(yùn)行于常規(guī)系統(tǒng)之上，采用需求側(cè)信息輔助

4、計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷水平和趨勢(shì)，采用仿真手段動(dòng)態(tài)模擬冷機(jī)站各部分的工作狀況和性能，并在此基礎(chǔ)上采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)在兼顧各種因素的同時(shí)生成最安全、經(jīng)濟(jì)的冷機(jī)站運(yùn)行方案（簡(jiǎn)言之，在作出控制決策前，先控系統(tǒng)在虛擬的由仿真模型組成的冷機(jī)站系統(tǒng)上已經(jīng)比較了大量的可選方案，并從中找到一個(gè)最經(jīng)濟(jì)可靠的作為最終方案），指導(dǎo)常規(guī)控制系統(tǒng)工作從而最大化冷機(jī)站的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)組成在硬件上，冷機(jī)先控系統(tǒng)充分利用傳統(tǒng)冷機(jī)群控系統(tǒng)的基本設(shè)施。后者在冷機(jī)站控制室內(nèi)安裝控制柜，其中包含輸入輸出模塊和樓宇控制器。冷機(jī)站所有相關(guān)設(shè)備的控制和測(cè)量信號(hào)通過(guò)輸入輸出模塊聯(lián)入樓宇控制器中，而樓宇控制器將各種數(shù)據(jù)發(fā)往樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，并接受樓宇自動(dòng)化

5、系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，通過(guò)輸入輸出模塊送往各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。冷機(jī)先控系統(tǒng)運(yùn)行在一臺(tái)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)相聯(lián)的微型計(jì)算機(jī)上，它所需的大部分輸入輸出點(diǎn)，可由原有的群控系統(tǒng)提供。管理層（可選）圖1冷機(jī)站先控系統(tǒng)利用了常規(guī)系統(tǒng)的硬件設(shè)備冷機(jī)站先進(jìn)控制模塊應(yīng)用支撐平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（上傳），控制指令（下傳）圖2系統(tǒng)框架（陰影部分為常規(guī)系統(tǒng)，白色部分為先控系統(tǒng)）冷機(jī)站先控系統(tǒng)作為一軟件運(yùn)行于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)之上。它包含兩個(gè)模塊：應(yīng)用支撐平臺(tái)以及先進(jìn)控制模塊。前者主要負(fù)責(zé)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的雙向通訊，后者完成運(yùn)行優(yōu)化。運(yùn)行過(guò)程中，由樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)從各設(shè)備實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)被送往應(yīng)用支撐平臺(tái)，由它采用統(tǒng)計(jì)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。

6、經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)被送往優(yōu)化控制模塊，在這里運(yùn)行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成性能和負(fù)荷數(shù)據(jù)，而優(yōu)化引擎以5分鐘的間隔（當(dāng)冷機(jī)站的狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，優(yōu)化引擎會(huì)被立即喚醒）根據(jù)負(fù)荷數(shù)據(jù)，參考用戶(hù)輸入的設(shè)備維護(hù)計(jì)劃和節(jié)能設(shè)定，依據(jù)設(shè)備性能數(shù)據(jù)和整個(gè)冷機(jī)系統(tǒng)的蓄冷蓄熱模型對(duì)各設(shè)備（冷機(jī)、水泵等）的啟停、切換、負(fù)荷設(shè)定等生成1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的優(yōu)化運(yùn)行方案（參見(jiàn)表1）。方案中針對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)行設(shè)定將通過(guò)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)送往樓宇控制器并轉(zhuǎn)化成各種設(shè)備的控制命令（包括基本的聯(lián)動(dòng)操作）發(fā)往相應(yīng)的設(shè)備。當(dāng)前倒椅及變化趨勢(shì)冷機(jī)、水冷塔、水泵、電動(dòng)閥等圖3優(yōu)化引擎的輸入與輸出表1優(yōu)化控制模塊輸出的運(yùn)行方案（0表示關(guān)閉）時(shí)間點(diǎn)冷卻塔開(kāi)啟的風(fēng)

7、機(jī)數(shù)冷卻水泵流量設(shè)定值（立方米/小時(shí)）冷機(jī)出口水溫設(shè)定（C）一次泵流量設(shè)定值（立方米/小時(shí)）1號(hào)2號(hào)3號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)16:20221909090010093636363616:252219090900100103636363616:30220909000100103636363616:35120909000110103636363616:401109090001101100363616:45000000000000363616:50000000000000363616:5500000000000000冷機(jī)站先控系統(tǒng)投用后，冷機(jī)組的啟停、運(yùn)行模式、和運(yùn)行參數(shù)等都將

8、由先控系統(tǒng)決定，常規(guī)控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)最基本的連鎖（閥門(mén)與冷機(jī)的配合等）和保護(hù)操作。當(dāng)先控系統(tǒng)切除后，常規(guī)系統(tǒng)則恢復(fù)執(zhí)行原有的全部功能。工作原理與特點(diǎn)相對(duì)于常規(guī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單地以供回水溫差或壓差為主要的負(fù)荷參考，先控系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算考慮了更多因素。它能夠根據(jù)天氣、季節(jié)、時(shí)段、是否為工作日等從其數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索相近條件下的歷史數(shù)據(jù)總結(jié)出當(dāng)日負(fù)荷的整體變化趨勢(shì)，同時(shí)根據(jù)大樓當(dāng)前的溫度分布，水系統(tǒng)的溫度，以及它們與設(shè)定范圍間的差別采用仿真模型決定大樓的短期（最近15分鐘）負(fù)荷需求。兩者的疊加被作為最終的負(fù)荷數(shù)據(jù)。先控系統(tǒng)還將隨著工況的變化（例如相同供冷/熱量下制冷/熱效果的差異）不斷更新這一計(jì)算結(jié)果。與主要依賴(lài)

9、人工設(shè)定的常規(guī)控制系統(tǒng)不同，先控系統(tǒng)的優(yōu)化能力基于能夠求解復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)化引擎和與之密切配合的具有自適應(yīng)能力的模擬仿真系統(tǒng)。首先，優(yōu)化引擎“設(shè)計(jì)”出初始運(yùn)行計(jì)劃（涉及1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)各設(shè)備的啟停和工作點(diǎn)），送到模擬仿真系統(tǒng)求解該方案下冷機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗、輸出功率、水系統(tǒng)的溫度和流量變化以及大樓的溫度變化，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果“改進(jìn)”原有方案，并重新送到仿真系統(tǒng)。周而復(fù)始直至獲得最佳方案。仿真系統(tǒng)中的模型分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩類(lèi)，前者主要描述設(shè)備在各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能，后者主要描述各種因素與水溫或室溫變化率間的關(guān)系。水系統(tǒng)和建筑物本身具有蓄熱/冷效應(yīng)（當(dāng)制冷開(kāi)始時(shí)，冷凍水水溫逐漸降低、而建

10、筑物各處的溫度則以更緩慢的速度降低），完全基于靜態(tài)特性的模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)它們的行為，而全部采用動(dòng)態(tài)模型會(huì)大大增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。采用靜態(tài)為主，動(dòng)態(tài)為輔的系統(tǒng)模型可以緩解這一矛盾。無(wú)論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)模型都采用統(tǒng)計(jì)方法1（最典型的統(tǒng)計(jì)建模方法包括一次或二次回歸、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、決策樹(shù)等）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)（或稱(chēng)訓(xùn)練樣本）建立。由于訓(xùn)練樣本的質(zhì)量決定著統(tǒng)計(jì)模型的準(zhǔn)確性，仿真系統(tǒng)采用了一些基本的物理規(guī)則剔除明顯不合理的歷史數(shù)據(jù)。由于主要設(shè)備（冷機(jī)、冷卻塔、水泵等）的性能以及樓宇對(duì)制冷/熱的反應(yīng)特性會(huì)隨著時(shí)間、環(huán)境、和維護(hù)水平的不同而發(fā)生變化，而一成不變的的模型不能反映這些變化并可能導(dǎo)致無(wú)效或不可靠的優(yōu)化結(jié)果

11、，所以仿真系統(tǒng)采用自適應(yīng)機(jī)制緩解這一問(wèn)題。它在空閑時(shí)將最新的運(yùn)行數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練樣本（當(dāng)數(shù)據(jù)集合過(guò)大時(shí)，最舊的訓(xùn)練數(shù)據(jù)將被剔除）然后重新建立相關(guān)模型。這種機(jī)制加上冷機(jī)和樓宇+1-r111rTn,r,Suppmmt3，工.型£2.214S4133«5313&.972帕工日皎191.B11HI9T312J5.5-7fl本身漸進(jìn)式變化為主的特性，仿真系統(tǒng)中包含的模型能夠?qū)?yīng)側(cè)和需求側(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行較高精度的模擬仿真。下圖比較了某冷機(jī)COP的實(shí)際值和模擬值間的差別。£613才由23CE7W2.1241C7Q1.TE71£351.S13131M111*142

12、4QW1ama.67。與35圖4某冷機(jī)COP的實(shí)際值與模擬值比較（橫坐標(biāo)為制冷量）優(yōu)化控制模塊輸出的是針對(duì)某個(gè)時(shí)間段而不是某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的最優(yōu)運(yùn)行方案，這要求仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)給定的運(yùn)行方案對(duì)該時(shí)間段內(nèi)供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行全程模擬。為此仿真系統(tǒng)將該時(shí)間段劃分成多個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度相同的階段，采用分階段執(zhí)行的方法模擬給定時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)上的參數(shù)變化。冷機(jī)站工作在一個(gè)充滿(mǎn)時(shí)變因素（負(fù)荷、能源價(jià)格、設(shè)備性能等）的環(huán)境中，只有充分考慮未來(lái)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)這些因素的變化才能保證冷機(jī)站在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)總的運(yùn)行效率最優(yōu)、成本最低。為此冷機(jī)先控系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)優(yōu)化引擎（常用的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法包括二次規(guī)劃、分支定界方法等2）綜

13、合考慮各種時(shí)變因素從而獲得最優(yōu)運(yùn)行方案。下表從4個(gè)方面對(duì)比了動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)和只針對(duì)某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)優(yōu)化的靜態(tài)優(yōu)化技術(shù)。相對(duì)于后者，動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)在優(yōu)化過(guò)程中更具有“前瞻性”和“全局觀”。表2動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)和靜態(tài)優(yōu)化技術(shù)對(duì)比靜態(tài)動(dòng)態(tài)目標(biāo)N最小化Z設(shè)備u在當(dāng)前時(shí)刻能耗設(shè)備u二將來(lái)N最小化工工設(shè)備u在t時(shí)刻能耗時(shí)間t2前設(shè)備u二考慮的時(shí)間點(diǎn)前一時(shí)刻點(diǎn)+當(dāng)前點(diǎn)過(guò)去+現(xiàn)在+將來(lái)效益較少調(diào)整頻繁，不能利用電價(jià)變化以及建筑物的熱響應(yīng)特性等更多根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)減少不必要的調(diào)整，能夠利用電價(jià)變化以及建筑物本身的蓄冷/熱特性與控制系統(tǒng)的配合較差對(duì)控制系統(tǒng)引入額外的不必要的干擾較好對(duì)控制系統(tǒng)的干擾最小化由于實(shí)現(xiàn)原理上的不同，帶先控

14、技術(shù)的冷機(jī)群控系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)間存在較多差異，下表總結(jié)了這些差異：表3先進(jìn)控制與傳統(tǒng)控制的比較傳統(tǒng)控制先進(jìn)控制負(fù)荷計(jì)算壓差法、溫差法、或溫差流量法（不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的負(fù)荷需求）根據(jù)大樓溫度分布估計(jì)的實(shí)際負(fù)荷+負(fù)荷趨勢(shì)（根據(jù)天氣、季節(jié)、時(shí)段等因素預(yù)測(cè)并校正）優(yōu)化策略靜態(tài)的經(jīng)驗(yàn)型策略，適用程度有限（受限于設(shè)備性能的退化、設(shè)計(jì)的變更、以及各種故障），多為人工設(shè)計(jì)（依賴(lài)設(shè)計(jì)人員的風(fēng)格、業(yè)務(wù)水平和工作態(tài)度、難以考慮各種可能的情況）自適應(yīng)模型（不依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)和預(yù)設(shè)邏輯，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際保持一致）+動(dòng)態(tài)優(yōu)化引擎（真正求解復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題）。能夠同時(shí)兼顧各種考量，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的變化動(dòng)態(tài)修改優(yōu)化范圍水系統(tǒng)為主水系統(tǒng)+冷

15、機(jī)，并可擴(kuò)展到用戶(hù)端（例如新風(fēng)冷卻）設(shè)備性能不檢測(cè)自動(dòng)檢測(cè)并作為優(yōu)化問(wèn)題的輸入蓄冷能力及電價(jià)的波動(dòng)不考慮（缺乏動(dòng)態(tài)優(yōu)化引擎）作為優(yōu)化問(wèn)題的一部分考慮能效審計(jì)不考慮提供機(jī)組和全系統(tǒng)的能效數(shù)據(jù)并可保存長(zhǎng)達(dá)5年的運(yùn)行歷史記錄維護(hù)建議不提供自動(dòng)檢測(cè)機(jī)組效率的下降節(jié)能特性先控系統(tǒng)的節(jié)能來(lái)源于以下幾個(gè)方面：1 .按需供應(yīng)。常規(guī)控制系統(tǒng)一般只關(guān)心冰水的出口水溫和回水水溫，并不真正關(guān)心需求側(cè)的溫度變化，也很難知道需求側(cè)真正的負(fù)荷要求。而先控系統(tǒng)能夠參考需求側(cè)的溫度分布估計(jì)當(dāng)前負(fù)荷需求，同時(shí)根據(jù)大氣溫濕度、時(shí)間等條件通過(guò)檢索歷史數(shù)據(jù)獲得負(fù)荷的變化趨勢(shì)。按照實(shí)際需求安排冷、熱量的生產(chǎn)，可以避免過(guò)量供應(yīng)造成的浪費(fèi)。

16、2 .高效運(yùn)行。同一工況下不同冷機(jī)之間，或者同一冷機(jī)不同工況下的性能和效率間存在差別。先控系統(tǒng)在變化的環(huán)境中能夠根據(jù)外界情況、設(shè)備性能、以及冷機(jī)站整體性能，通過(guò)優(yōu)先選擇高效率的設(shè)備，并盡量使系統(tǒng)工作在最優(yōu)區(qū)間等手段，以最經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)所需的冷、熱量。3 .智能策略。由于使用了優(yōu)化引擎和仿真模型，先控系統(tǒng)能夠合理利用電價(jià)的變動(dòng)和建筑物本身的蓄冷/熱特性（來(lái)自于大樓本身或?qū)ｉT(mén)的蓄冰和蓄冷系統(tǒng)）延長(zhǎng)系統(tǒng)在最優(yōu)效率區(qū)間或者低電價(jià)時(shí)段的工作時(shí)間。應(yīng)用案例應(yīng)用案例一：位于荷蘭Heerlen地區(qū)的Atrium醫(yī)院能夠提供750張病床，2003開(kāi)始采用冷機(jī)站先進(jìn)控制系統(tǒng)，對(duì)供熱、冷、蒸汽和電力進(jìn)行優(yōu)化，5年來(lái)

17、節(jié)約的能源成本超過(guò)50萬(wàn)歐元（約500萬(wàn)人民幣）。應(yīng)用案例二：在上海市浦東新區(qū)張江高科技園區(qū)內(nèi)一棟7000平米的小型辦公樓中安裝先進(jìn)控制系統(tǒng)，并采用隔天交替運(yùn)行的方式比較常規(guī)控制系統(tǒng)和先控系統(tǒng)。節(jié)能數(shù)據(jù)如下圖所示。在不使用變頻技術(shù)的前提下，先控系統(tǒng)可以降低能耗約20%（由于電價(jià)的波動(dòng)，運(yùn)行費(fèi)用的降低幅度略大于該比例）。27.34，：，,，:I未優(yōu)化優(yōu)化節(jié)能比例（）30.0025.0020.0015.0010.00例比能節(jié)5.000.00六月七月九月十月月份90901oooO753111117wkv率功電均平76冷機(jī)站電功率比較圖0.90.80.70.50.10)0.6號(hào)300rm電價(jià)一T-功耗

18、（未優(yōu)化）-功耗（優(yōu)化）啟動(dòng)過(guò)程功耗曲線(xiàn):>聶景尊遨用厘濟(jì)藪敏逐君忌案邏燮孱嚓-,111”“,.,!.,.r.w:,1.3,v,l翁1®4=®6一窗嗡晝喙»一?;之"|'式一,.繆s-M三.-:':,.:-»炬一施濠涔遐療二謚：萬(wàn)士；一門(mén)比：尊蕨襟暨遹要W0.40.30.2"766,6夕6"6d655卬"54077夕加7時(shí)O7507O1.830840"8009(a)圖5常規(guī)控制系統(tǒng)與先控系統(tǒng)在平均電功率上的比較（由于8月份只運(yùn)行了先控系統(tǒng)，所以沒(méi)有在圖中標(biāo)出）下圖比較了夏季天氣狀況相近的兩天中分別使用常規(guī)控制系統(tǒng)和先控系統(tǒng)在預(yù)冷階段（9:00以前）獲得的運(yùn)行曲線(xiàn)。常規(guī)系統(tǒng)在固定時(shí)間開(kāi)機(jī)并保持運(yùn)行，而先控系統(tǒng)則利用低電價(jià)時(shí)段和早晨較低的室外溫度從更早的