水蓄冷系统的自控单元设计

景锟

摘要:水蓄冷空调系统是近年来开始应用的一种新型空调形式,它的特点是夜间蓄冷白天放冷,蓄冷和放冷环节的增加决定了这种形式的空调控制系统比一般空调系统控制更复杂 水蓄冷空调系统 自动控制设计应能保证整个系统经济、安全、可靠的运行。本项目以水蓄冷空调经济、安全、可靠运行为出发点,根据其运行特点,在一般空调自动控制的基础上,结合现场自动控制技术的现状,对空调水蓄冷自动控制系统进行了改造设计。

关键词：空调水蓄冷；控制系统；DDC控制器；

1.绪论

随着我国经济的高速发展和城市商业水平的不断提高,城市建筑中央空调系统的应用越来越普及，空调用电量占总电量的比例越来越大。 据测算，如国民经济按8%增长速度，则电力需求必须以20%的增长速度与之对应，尤其是夏季持续高温，使供需矛盾进一步突出.水蓄冷是指在夜间低谷电价时段，开启制冷主机，利用蓄冷水池等设备，将建筑物空调所需的冷量以冷水的形式储存起来；在白天高峰时段，停止或间歇运行制冷主机，将储存的冷量释放出来，从而达到电力移峰填谷，用户节省电费的目的[1]。在建筑中央空调系统中应用水蓄冷技术已成为我国今后进行电力负荷需求侧管理、改善电力供需矛盾最主要的技术措施之一。

2.1 水蓄冷项目改造分析

2.1.水蓄冷的原理：水蓄冷是利用水的温度的变化，储存冷量，需要时再将冷量释放。水蓄冷是利用水的温度的变化完成的，通常称这种热力过程为显热蓄能。水蓄冷以冷水机组为制冷设备，以保温的水池为蓄冷设备，水经冷水机组冷却后储存于蓄冷水池中。 蓄冷系统中每千克水温度降低1度，蓄冷量为1千卡。蓄冷量的大小取决于蓄冷水池储存冷水的数量和蓄冷温差。 水蓄冷系统的典型蓄冷温度在4～7℃之间，此温度与大多数常规冷水机组相匹配。

2.2水蓄冷的特点：

（1）可使用常规的冷水机组 ， 设备的选择范围广；

（2）可用于常规空调系统的扩容和改造，即不增加制冷机组容量而达到增加供

冷容量的目的；

（3）冷水机组蓄冷、供冷运行时冷冻水温度相近，冷水机组在这两种运行工况

下均能维持额定容量和效率；

（4）可利用建筑物原有蓄水设施空间作为蓄冷容器以降低初投资；

（5）系统控制方式与常规空调相似。[2]

2.3工程简介

本工程属于改造工程。 在现有常规冷水空调系统的基础上采用大温差自然分层水蓄冷，利用消防水池夜间蓄冷为车间提供冷源

2.4现有空调系统概况：

约翰迪尔生产厂房面积20000m², 层高13m，机械加工车间。

车间现有10台特灵组合式空调机组，制冷量499kw ，风量612720 CMH,机外静压500pa。原设计没有考虑为生产车间夏季提供冷源，只考虑冬季供暖。夏季空调机组工作在全新风模式，只依靠室外新风进行机械通风。

办公室区域有制冷需求。共有3台特灵组合式空调机组，总风量151685 CMH.由2台特灵风冷螺杆冷水机组提供冷源，最大制冷量1600kw.制冷机工作时间为夏季每天7：30—17：00

2.5改造原因

夏季车间温度由于天气炎热经常超过32℃，湿度超过70%，对生产工人的舒适性和生产工艺产生不利影响。如果按照传统方式增加制冷机组提供冷源，投资较大。经过测算，在现有冷机容量和空气处理机不变的情况下，充分挖掘设备潜力,采取利用现有地下消防水池水蓄冷方式改善车间环境温度。

2.6改造目标

夏季白天制冷机组运行，为办公室提供冷源，17：00以后，办公室不再需要冷源。制冷机组继续运行，经由阀门切换， 冷源经换热器提供给消防水池蓄冷，当水池温度降到5℃时，关闭水泵和冷水机组，停止蓄冷。由第二天8；30开始，经阀门切换，消防水池的冷量经换热器提供给车间空调机组，开始放冷为车间降温。待消防水池水温升至25℃，放冷结束。

蓄冷/放冷全过程消防水池水位保持不变，不影响消防水池蓄水功能。水泵控制与消防泵联动，消防泵启动，换热泵无条件停机。

蓄冷/放冷起始时间可人为设定,任意更改.开发区供电实行峰谷电价,白天尖峰时段电价1.0413/KWh,夜间低谷时段电价0.3941/KWh.消防水池蓄冷工况设定在夜间低谷电价时段.蓄冷过程运行费用低.夜间蓄冷冷机耗能费用只有白天冷机工作耗能费用的40%.

3. 空调水蓄冷自动控制系统的设计与实施

3.1 现有设施的分析

现有设施：

消防水池容积：700m³。消防水池在蓄冷最低水温度5℃和放冷后最高水温25℃时，最大蓄冷量：Q=700m3*（25℃-5℃）=14000kw

预计消防水池水由25℃降到5℃需要至少8个小时

（由蓄冷量和冷机制冷量得出 14000kw/1600kw=8.75h）

10台特灵组合式空调机组每小时制冷量：499kw*10台=4999kw

2台特灵风冷螺杆冷水机组最大制冷量1600kw

车间要达到温度26℃ 湿度60%的工况下，冷负荷大概为：4500kw

预计在空调机组回风温度32℃，相对湿度70%（车间温度）工况下，空调出风在6小时内温度在15-22℃之间逐渐变化。

3.2 水蓄冷系统的被控设备

本工程中空调水蓄冷系统主要由2台 螺杆式冷水机组、3台冷冻泵、 10个电动蝶阀、1 个蓄冷水泵、1个放冷水泵、1个蓄冷水池、1 个板式换热器、10台AHU组合风机、40个电动风阀和管道系统组成。空调水蓄冷系统可分成两个部分，分别是原有的常规冷水空调系统部分与新建的水蓄冷系统部分。

3.3改造现场部分选用设备

1．阀门采用手动涡轮蝶阀和开关量的电动蝶阀（西门子） 电动蝶阀带远程控制接口和就地控制配电箱,可在现场控制箱选择远程自控和本地控制模式。

2.消防水池安装3个温度传感器和液位计。消防水池侧安装一套DDC控制器(MP581)，能根据水池温度控制水泵的启停和阀门的切换。

3.每10台风柜的2个回风口加装电动调节风阀，共40个。风阀由自控系统控制，根据车间AHU的工况进行新/回风的切换。 放冷工况时，新风阀开度30%，回风阀开度100%；非放冷工况时，新风阀开度100%，回风阀开度 0%；

4．换热器二次侧供水泵为变频控制，频率控制由系统控制员通过 Tracer Summit设定。

5．自控系统应符合ＧＢ５０３３９—２００３，ＧＢ５００９３— ２００２，ＧＢ５００１９—２００３的相应规定。

6．本次改造系统新增受控设备包括： 1台板式换热器，2 台冷水循环泵；水系统电动阀门10个,温度传感器7个,液位传感器1个;风柜系统新增电动阀门40个。 为此增加2台DDC控制(MP581)及相应扩展模块.

3.4.蓄冷工况：

运行制冷机和冷冻水泵，按照流程图所示逻辑关闭复合端电动阀门，开启冷机端电动阀门，开启换热器二次侧水泵，开启一次侧水泵旁通电动阀门，关闭一次侧水泵电动阀门，通过热交换器换热，降低水箱水温到设定值后，关闭二次侧循环水泵，制冷机冷冻水温降低后自动停机。

3.5放冷工况：

关闭制冷机侧供回水电动阀门，开启通往车间复合侧供回水电动阀门，开启换热器一、二次侧循环水泵和泵前电动阀门，开启车间10台AHU的回风阀门，控制新风阀门在30%位置，待水池温度升至设定值，关闭循环水泵及相应阀门。

水池安装3个水温传感器，探测平均水温。安装液位传感器，输出高低液位报警。

3.6控制系统详细设计

所有设备均接入Tracer Summit系统，Tracer Summit系统属于分布式控制系统，分三个层次：

1. 设备控制单元，具备远程通讯功能

1) 冷水机组都配备智能控制器CH530 2) 水泵/阀门/ 风机控制配MP581可编程控制器 3) 单条通讯链路可长达1500米, 联接设备达60个

2． 楼宇(空调)系统级自动控制器BCU,具备高速网络通讯功能

1) 冷水机控制: 2)日程编排/报警 3)存储历史记录 4)ETERNET(以太网)高速通讯网络 5)提供严密的安全等级及操作权限

3．TRACER SUMMIT电脑图形控制终端和中文人机操作界面

1) 高速的ETHERNET以太网络通讯联接2) 友好的人机控制界面和操作流程图 3) 报告及报警记录 4) 日程表 5) 节能运行: 优化起/停, 冷水机组可设定启停时间控制 6) 区域控制 7) 动态数据交换

3.7水蓄冷系统新增图形界面

图形界面主要由控制图、监测点组成。其中控制图由系统图、工况切换按钮和状态三部分组成，是整个人机界面的主界面。直观地显示系统当前的运行状况并 可以快速进行工况的切换。

3.8改造后运行效果

水蓄冷系统改造完成投入使用，制冷效果良好，运行费用低，自控系统能够按照设置值完成蓄/放冷两种工况的自动切换，两钟工况涉及水泵/水阀门/冷机启停/风阀门的程序启停和切换，经过实际使用，系统的设计均达到了最初的设想

4结论

通过本次工程实践，对该控制系统的设计与实现，重点在以下解决了工程中的难题。

（1）在控制系统中采用DDC控制技术，在保证安全、稳定的基础上，可以快速、有效地实现了系统的工况切换功能。

（2）在控制系统中采用多点位温度传感器，准确地实现了蓄冷水池温度情况的监视。

（3）通过采用DDC和现场总线，在提高系统速度的基础上也有效的降低了成本。

通过现场的调试和运行表明，该控制系统安全、可靠、控制方案合理，能够

使空调水蓄冷系统经济、高效的运行，达到空调水蓄冷既节能又能获得良好经济

效益的目的。

参考文献

[1]李洋，曾远.浅谈水蓄冷技术.山西建筑,2010，175(12)：35

[2] 蔡振华. 空调水蓄冷自动控制系统的研究与开发：[硕士学位论文].天津：天津大学环境科学与工程学院,2009