05 第5章 冷热源系统的控制.pptx

第1页：第5章 冷热源系统的控制封面

智能建筑环境设备自动化 第5章 冷热源系统的控制

第2页：第5章内容提要

内容提要

• 5.1 冷冻站工艺流程的认知
• 5.2 冷冻站的控制
• 5.3 BAS对水泵、风机等设备的监控
• 5.4 冷水机组的群控
• 5.5 空调冷冻水循环系统的控制
• 5.6 空调冷却水系统的控制
• 5.7 热源设备的控制

第3页：引例：机房群控与BA控制的讨论

引例

下面是选自筑龙BBS论坛关于“机房群控、BA控制哪个更合适？”这一话题的讨论，读者可据此做初步了解。

案例小结：上述讨论主要就冷热源设备控制的实施方式做了讨论。

• 主张由设备本身自带的控制系统（即“机房群控”方式）完成控制：自带的控制系统有其专业性优势，如“对制冷机的性能比较了解”“对数据的采集能更专业一些”。
• 主张由BAS系统来实施机组控制：BAS可以更好地实现集成，但前提是厂家“通讯协议要敞开”。
• 也有认为“在主机房建议使用监测点，不要采用自动控制点”。

这些观点后文将详细介绍。

第4页：中央空调系统冷源概述

5.1 冷冻站工艺流程的认知 · 5.1.1 中央空调系统冷源概述

冷热源设备的地位

是HVAC的核心设备，工艺复杂、节能技术手段丰富，监控质量优劣直接影响运行经济效益，其与水系统的节能控制是衡量BAS成功与否的关键因素之一。

冷源的作用

为中央空调在供冷时提供冷量的来源。

冷源有两类：

• 天然冷源：一般指深井水、山涧水等温度较低的水，可直接用水泵抽取供喷水室、表冷器等空气处理设备使用然后排放掉，但获得较难。
• 人工冷源：使用制冷设备以人工方法制取的冷量；实际工程中，制冷机是空调系统中消耗能量最大的设备。

第5页：冷冻站的三个组成部分

中央空调系统中的冷源

常称为冷冻站，所在的房间称为冷冻机房。冷冻站一般包括如下三个部分：

冷水机组（Chiller）

制备冷冻水。

冷冻水分配系统（Chilled Water Distribution System）

把冷冻水传输和分配到各末端用户，冷冻水将从各末端用户吸收的热量在蒸发器中传递给制冷剂。

冷却水循环系统（Heat Rejection System）

制冷剂吸收的热量在冷凝器中传递给冷却水，冷却水系统将热量排放到大气环境中。

第6页：蒸气压缩式冷水机组的类型

冷水机组通常有

蒸气压缩式制冷机

在空调系统中是应用最广泛的制冷设备，以消耗电能作为补偿，通常以氟利昂或氨为制冷剂。常用的有三类：往复式制冷机（reciprocating chillers）、旋转-螺杆式制冷机（rotary-screw chillers）、离心式制冷机（centrifugal chillers）。

吸收式制冷机（absorption chillers）

以消耗热能作为补偿，以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂，可以利用低位热能和高温冷却水。

蓄冰制冷机组

详见后续页。

第7页：吸收式与蓄冰制冷机组

冷水机组通常有

吸收式制冷机

以消耗热能作为补偿，以水为制冷剂、溴化锂为吸收剂。

蓄冰制冷机组

在中央空调中的应用也越来越多。基本思想是让制冷设备在电网低负荷时（夜间）工作制冰，利用冰的融解热（335kJ/kg）进行蓄冷，将冷量储存在蓄冷器中，在用电负荷的高峰期（白天）向空调系统供冷。

蓄冰制冷的作用：可以调节电网负荷，起到削峰填谷、缓和供电紧张的作用。

第8页：蒸气压缩式制冷系统工作原理

5.1.2 冷水机组的工作原理

制冷系统

是指通过外能量的加入，实现热量从温度较低的物体（或空间）转移到温度较高的物体（或空间）的能量转换系统。

冷水机组

把制冷系统中的压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等设备以及电气控制设备组装在一起，专门提供冷水的设备，实际上就是一个制冷系统。

1. 蒸气压缩式制冷系统工作原理：系统由压缩机、冷凝器、节流机构（如膨胀阀、毛细管等）、蒸发器组成，并以制冷工质即制冷剂循环工作。

第9页：吸收式制冷系统工作原理

2. 吸收式制冷系统工作原理

相同点

都是利用低压制冷剂的蒸发产生的汽化潜热进行制冷。

区别

压缩式制冷以电为能源，而吸收式制冷以热为能源；溴化锂制冷的适用范围不如压缩式制冷。

制冷工质

通常是溴化锂水溶液，水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。

吸收式制冷的蒸发温度不低于0℃；民用建筑空调系统中空调冷水温度通常为6~7℃，因此还是比较容易满足的。

第10页：吸收式制冷工艺流程图

吸收式制冷系统的工艺流程

本页展示吸收式制冷系统的工艺流程图，反映发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器之间的溶液与制冷剂循环关系。

说明：本页源文件主要为流程图，部件标注建议对照原课件图片补充。

第11页：制冷机的性能系数COP

3. 制冷机的性能系数COP

把制冷机作为一个系统，输入该系统的能量包括压缩功w和蒸发吸热量q₀，输出的能量为q_k。在制冷循环中，把单位质量制冷量q₀与单位质量绝热压缩功w之比称为制冷机的性能系数（Coefficient of Performance，COP）。

• COP是针对空调设备节能的评价指标，COP越大，产生同等冷量的功耗越少。
• 制冷机的COP一般都大于1，通常介于2.5~7.0之间。

第12页：提高制冷机COP的途径

如何提高制冷机的COP？

（1）COP与冷凝温度、蒸发温度有关

• 冷凝温度应越低越好，而蒸发温度应越高越好，可降低制冷剂在冷凝器和蒸发器中的压差，降低压缩机功耗。
• 在正常空调工况下，冷凝温度每降低1℃或蒸发温度每升高1℃，系统的COP能提高1.5%~2.5%左右。
• 但冷凝温度和蒸发温度是有限值的：制冷机运行对冷凝温度有最低要求，最高蒸发温度受系统要求及空调末端运行条件限制。

（2）COP还与制冷量有关

• 制冷量变化会引起压缩机工作负荷变化，压缩机效率随之变化。
• 一般来说，在相同蒸发温度和冷凝温度下，单级压缩制冷机在高负荷时的效率比低负荷时要高；离心式制冷机在制冷量约为80%~85%时COP最高。

第13页：某冷冻站工艺流程图

5.1.3 某冷冻站的运行流程分析

某冷冻站工艺流程如图5.11所示，由冷水机组、冷却水系统与冷冻水系统三大部分组成。

说明：本页为冷冻站工艺流程图，部件与流向建议对照原课件图5.11补充。

第14页：冷冻站的组成

组成

• 3台冷水机组：据建筑冷负荷的情况选择运行台数。
• 冷却水系统：由3台冷却塔、3台冷却水循环泵、管道系统组成，作用是向冷水机组的冷凝器提供冷却水。
• 冷冻水系统：由冷冻水循环泵、集水器、分水器、管道系统组成，作用是把蒸发器提供的冷量传送到冷水用户（如空调机组和风机盘管等）。

第15页：冷冻站的启停顺序与水流保护

工艺流程

开启顺序

先启动外围设备，最后启动核心设备。外围设备包括冷却水和冷冻水系统的阀门和水泵、冷却塔风机，以保证冷凝器和蒸发器中有一定水量流过；否则会造成制冷机高压超高、低压过低，引起电机过流，造成机组损害。核心设备即冷水机组。

停机顺序

与启动顺序相反。

冷水机组都随机携带有水流开关，水流开关串联在制冷机启动回路上，起到流量保护作用。

第16页：冷冻站机电设备的电气联锁

5.1.4 冷冻站机电设备的启停顺序

冷水机组是空调系统的核心设备，冷冻站机电设备包括冷水机组、相应的冷冻水泵、开关蝶阀、冷却塔、冷却水泵等。

1. 冷冻站机电设备间的电气联锁

• 目的：保证整个系统安全运行。
• 启动或停止过程中，冷水机组应与相应的冷冻泵、冷却泵、冷却塔电气联锁；只有所有附属设备正常运行后，冷水机组才能起动；停车时顺序相反，冷水机组优先停车。
• 当多台冷水机组并联且泵与冷水机组不是一一对应连接时，冷水机组冷冻水和冷却水接管上应设有电动蝶阀，以使冷水机组与水泵的运行一一对应，该电动蝶阀应参加上述联锁。

第17页：冷冻站设备的启停逻辑顺序

2. 冷冻站机电设备启停的逻辑顺序

时间假日程序控制

按照事先编制的时间假日程序控制。

每次启停的逻辑顺序控制

开启顺序：冷却塔 → 冷却水循环系统 → 冷冻水循环系统 → 冷水机组（冷水机组启动前须确保冷冻水、冷却水循环系统均已启动）；停机顺序与上述相反。

这些功能都需要BAS来实现。

第18页：BAS对冷冻站控制的思路

5.2 冷冻站的控制概述 · 5.2.1 BAS对冷冻站控制的思路

冷热源监控的特点

大多数冷热源机组均带有厂家成套的自动控制装置，系统本身能独立完成机组监控与能量调节功能，并留有与外界的通信接口；机组内部运行一般不由BAS监控，而由其自带的控制系统负责。

与BAS相连时需考虑：机组成套控制系统包含哪些监控功能、如何与BAS进行数据通信。

通信接口形式通常有两种：

• 总线通信接口：如RS232/RS485/LonWork/BACnet，可以实现BAS与主机的完全通信。
• 干触点接口：只能接受外部启停控制、向外输出报警信号等，功能相对简单。

思考：当主机自带控制系统与BAS通信接口不一致时，怎么办？

第19页：BAS与自带控制系统的三种做法

BAS与设备自带控制系统的通信关系处理

• 做法1：BAS不与机组的控制器通信。
• 做法2：BAS采用机组制造商提供的管理系统。
• 做法3：BAS与冷源主机通信。

实际工程中，BAS对成套设备的监控一般是以“只监不控”为主。

第20页：做法1：BAS不与机组控制器通信

做法1：BAS不与机组的控制器通信

• BAS另外在冷冻水、冷却水管路上安装水温传感器、流量传感器，在配电箱中通过交流接触器辅助触头、热继电器触点等方式取得主机的工作状态参数，通过端子排或交流接触器控制设备的启停。
• 缺点是BAS不能深入到主机内部，对其内部运行参数无法检测，如压缩机吸排气压力、润滑油压力和油温等。
• 冷热源机房还必须有人专门值守，主机设备不能放心地交由BAS管理。

第21页：做法2：采用机组制造商的管理系统

做法2：BAS采用机组制造商提供的管理系统

• 冷热源设备厂商提供的管理系统能够监控和管理冷冻站或锅炉房内的全部设备，是一个独立的冷热源监控管理系统。
• 这种方式可提高控制系统的可靠性和简便性。
• 但从整个中央空调系统优化的角度看，该系统仅关注冷冻站（或锅炉房）内的水压以及水温变化，不能完全反映系统特性，而HVAC还与空调水系统有关。
• 节能控制效果仍然是可观的，仍不失为一种上佳的选择方案。

第22页：约克ISN冷水机组监控系统

做法2示例：YORK公司的冷水机组自带监控系统ISN

ISN

Integrated Systems Networks。

通信方式

BAS通过YORKTalk译码器与冷冻机监控系统ISN相连实现通信，BAS可读取ISN系统的所有信息，同时也可通过YORKTalk实现对机组的启停等控制。

实现的功能

⑴基本参数的测量；⑵基本的能量调节；⑶冷冻系统的全面调节与控制。

第23页：做法3：BAS与主机通信及BACnet

做法3：BAS与机组自带控制系统通信

• 设想：若各设备之间的通信协议统一，则可实现大楼内各种机电设备的无缝连接，进而实现BAS与机组的通信。
• BACnet协议由ASHRAE学会制定（ASHRAE：American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，美国采暖通风空调制冷工程师学会），其目的是解决建筑物各种机电设备的互连问题。
• BACnet尚在推广中，尚未得到广泛应用；实现通信协议的统一是今后的发展方向。

第24页：冷冻站监控实例

5.2.2 冷冻站监控实例

图5.11是一典型的采用压缩式制冷的冷源系统（冷冻站），监控设计结果如图5.13所示。

第25页：压缩式制冷系统的监控需求

2. 监控需求分析

1）压缩式制冷系统实行监控的目的

• ①保证冷冻机蒸发器通过稳定的水量以使其正常工作；
• ②向空调冷冻水用户提供足够的水量以满足使用要求；
• ③在满足使用要求的前提下，尽可能提高供水温度，从而提高机组的COP值，同时减少系统的冷量损失，实现系统的经济运行。

2）压缩式制冷系统的监控功能

• ①启停控制和运行状态显示；②冷冻水进出口温度、压力测量；③冷却水进出口温度、压力测量；④过载报警；⑤水流量测量及冷量记录；⑥运行时间和启动次数记录；⑦制冷系统启停控制程序的设定；⑧冷冻水旁通阀压差控制；⑨冷冻水温度再设定；⑩台数控制；⑪制冷系统的控制系统应留有通信接口。

第26页：冷冻站监控策略分析

3. 压缩式制冷系统的监控策略分析

• 冷水机组带有自带控制系统，因此BAS对3台冷水机组采用监测为主、控制为辅的策略（启停控制），而对冷水机组内部的运行不直接控制。
• BAS监控的任务是：监测各设备的工作状态、工作参数，控制设备的启停，检测设备的报警信号，保证设备安全运行。

第27页：冷负荷计算与机组台数控制

1）启停控制、运行状态显示和过载报警：有关监控原理详见5.3节。

2）冷负荷计算和冷水机组运行台数的控制

• 冷热负荷 Q = c·M·(t1–t2)，其中c为比热，M为总管流量，t1、t2分别是供、回水总管上的温度。
• 根据计算的负荷决定开启冷冻机的数量，使设备容量与变化的负荷相匹配，以节约能源（详见5.4节）。
• 机组的启停顺序控制详见5.4节。

第28页：冷冻站监控点位的确定

4. BA监控点位的确定

根据以上的监控思路，绘制监控原理图如图5.13所示。BAS对各设备的监控点位说明如下：

• 1）冷水机组的监控；
• 2）冷却水循环部分的监控；
• 3）冷冻水循环部分的监控。

第29页：BAS对水泵风机等机电设备的控制

5.3 BAS对水泵、风机等机电设备的控制

暖通空调系统中常见的机电设备

冷冻水循环泵、冷却水循环泵、一次热水循环泵、二次热水循环泵、冷却塔风机、空调机组和新风机组的风机等。

共同特点

一般都由三相电源供电，内部都有电动机，监控原理基本相同，可归结为三相异步电动机的监控，监控点一般都直接取自电控箱内的电气控制回路。

冷水机组中的压缩机一般也由三相电动机驱动，BAS也可按同样思路对冷水机组实现简单的控制。

第30页：三相异步电动机的监控点位

三相异步电动机的监控方法

合计为1DO、3DI，作图时需绘制点位与二次回路图。

第31页：电动机控制二次回路图分析

二次回路图分析

本页源文件未提取到文字说明，仅有图片，应为三相异步电动机控制二次回路图，展示手动/自动转换、接触器线圈、热继电器触点与DDC的DO/DI点位接入关系。

说明：本页为图片内容，回路元件与端子编号建议对照原课件图片补充。

第32页：单台冷水机组的监控策略

5.4 冷水机组的群控 · 5.4.1 冷水机组群控概况

单台冷水机组的监控

由于冷水机组自带控制系统，BAS采用的策略是“监测为主，控制为辅”，对冷水机组内部的运行不直接控制。

监控方法

同三相异步电动机的监控，即1DO、3DI：启停控制1DO，运行状态显示、过载报警、手自动状态各1DI；二次回路图参见上一节内容。

第33页：多台冷水机组的台数调节

大型建筑中通常使用多台冷水机组

• 当冷冻站的供冷能力大于实际所需的制冷量时，关停其中正在运行的一台冷水机组；当实际所需制冷量大于运行机组所能提供的最大制冷量时，开启一台冷水机组。
• 中央空调在全年的运行时段中，大部分时间处在部分负荷运行工况。
• 在满足末端负荷需求的前提下，根据大楼冷负荷启停冷水机组，可以使运行的冷水机组总COP最高、运行在最佳效率值附近，并且避免冷水机组在小负荷运行时发生压缩机喘振或温度控制失效。
• 通过合理的控制使所有冷水机组的总运行时间大致相等，可以延长冷水机组运行寿命，降低维修费用和发生故障的概率。

第34页：冷水机组群控的概念与原则

群控是什么？

群控

这种对所有冷水机组启停顺序的控制通常也叫时序控制（sequence control），即工程上所说的冷水机组群控问题。

序列策略

解决两方面的问题：在启动下一台制冷机组时决定哪一台开启；在停止一台运行的制冷机组时决定哪一台停止。

目的

与设备管理、维修计划更好地配合，充分利用设备的无故障周期，提高设备的使用寿命。

群控的原则：延长机组设备的使用寿命；节能。

群控的实施：①冷水机组运行时间、启动次数记录；②启停逻辑判断与控制（序列策略）。

第35页：按回水温度确定机组台数

5.4.2 冷水机组运行台数的确定

中央空调的需冷量通常可以用回水温度或实际冷负荷来反映，进而确定冷水机组的运行台数并进行启停控制。

1. 根据回水温度确定冷水机组运行台数

• 通常冷水机组的出水温度设定为7℃，冷冻水供、回水温差大多为5℃。
• 在出水温度恒定的空调水系统中，不同的回水温度实际上反映了空调系统中不同的需冷量，因此可根据回水温度确定冷水机组运行台数。
• 但控制精度上受到温度传感器的约束，冷水机组的台数不应超过2台，才采用回水温度来决定运行台数。

第36页：按实际冷负荷确定机组台数

2. 根据实际冷负荷确定冷水机组运行台数

原理

空调冷负荷的多少决定了冷水机组的运行台数。

目的

使设备容量与变化的负荷相匹配以节约能源。

思路

检测、计算空调冷负荷 Q = C·M·(T1–T2)，其中C为比热，M为总管流量，T1、T2分别是供、回水总管上的温度；再据此逻辑判断运行台数。

第37页：流量与温度传感器安装位置

流量、供回水温度测量传感器的安装位置

• 流量传感器应装设于管路中水流稳定处，并在设计安装时保证其前面（来水流方向）直管段长度不小于5倍接管直径，后面直管段长度不小于3倍接管直径。
• 在空调水系统中，为了减少水系统阻力，一般不采用孔板式流量计，而采用电磁式流量计，电磁式流量计的测量精度大约为1%。

第38页：机组运行时间与启动次数记录

5.4.3 冷水机组运行时间、启动次数记录

• 通常要求各机组设备的运行累计小时数、启动次数尽可能相同，因此每次起动系统时应优先起动累计运行小时数最少的设备。
• BAS应记录每台机组设备的运行时间和启动次数，以便于进行逻辑判断，这一功能通过软件实施。

第39页：群控序列策略的选择

5.4.4 群控的序列策略 · 群控序列策略的选择

• 与物业管理方式、设备维护计划等相关。
• 目前，冷水机组群控通常由生产厂家自己完成，冷冻机厂家如York、Carrier、Mcquary、Trane等。
• 注：BAS通过网关与其通信，完成对冷冻机系统的监测。

启停判断条件分析：启动一台冷水机组的判断条件？停止一台冷水机组的判断条件？

第40页：机组启停的判断条件

启停判断条件

启动一台冷水机组的判断条件：

• a. 当前停运时间最长的优先；
• b. 累计运行时间最少的优先；
• c. 轮流排队。

停止一台冷水机组的判断条件：

• a. 当前运行时间最长的优先；
• b. 累计运行时间最长的优先；
• c. 轮流排队。

第41页：空调冷冻水循环系统的控制

5.5 空调冷冻水循环系统的控制

本页源课件标注为略，未展开讲述，建议联系作者获取完整内容。

第42页：空调冷却水系统的控制

5.6 空调冷却水系统的控制

本页源课件标注为略，未展开讲述，建议联系作者获取完整内容。

第43页：热源设备的控制

5.7 热源设备的控制

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