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申能节能篇
上海申能能源中心项目智能化方案
节能篇
日期:
2008-9-18
一、前言
上海申能能源中心是由上海申能公司兴建的办公楼项目。
众所周知,此类项目是民用建筑中能耗最高的种类之一,其对能源的消耗主要体现在中央空调、照明、热水和其他动力设备上。
在机电设备的设计过程中,由于要考虑满足最不利条件下的保障运行,因而大部分的设计都趋于保守,存在部分负荷运行时效率低下的问题。
建筑智能化的优势在于,我们可以采取先进的控制手段,对建筑物的机电设备进行优化管理,在中央空调、照明、热水和其他动力设备的部分负荷运行过程当中(该部分往往占总运行时间的90%以上)实现高效运行,从而实现节能的目的。
当然,我们以保持舒适度的前提下尽可能的降低能耗为原则,同时设置切实可行的控制方案,使得系统运行科学合理,操作简单方便。
据美国著名的财经刊物CFO(财政执行官)杂志最近发表的对美国1000家最大的上市公司所做的一项调查,获得了两个惊人的发现:
第一,能源费用开支通常为企业四项最大成本之一;第二,对多数企业而言,能源费用支出成为未被企业控制的最后一项成本。
作为中国倡导智能建筑电气系统节能集成的上市公司,泰豪科技有着在建筑电气系统节能领域的丰富经验与实施能力,通过整合技术与产品资源,我们以“为国节能、为民节资”的理念,为广大客户提供专业的节能咨询、节能评估、能耗调研、节能项目实施等服务,尽我们最大的努力为客户排忧解难。
我们帮助客户对新建楼宇进行能源分析、能源升级和能源管理,为楼宇节能提供整体解决方案。
帮助客户管理楼宇的能源成本,提高能源可靠性,提升能源绩效,同时对环境产生积极影响是我们的使命。
以上述原则为基础,我们制定本智能化方案的节能篇。
二、节能设计的目标:
协助客户制定先进、合理、操作方便的设备智能化控制方案,并通过细致、量身定做的方法使方案得以有效实施,使业主项目至少(并不限于)得到以下效益:
∙在智能化范围内,协助项目达到国家和地方节能的标准,顺利通过当地节能审查;
∙为业主项目达到节能管理的基本要求,提高顾客的舒适和健康度,取得良好的社会声誉,方便今后的营销活动;
∙通过智能化管理为业主项目满足节能运行的需要,显著降低动力费用,降低运营成本,取得直接的经济效益
∙提高建筑全寿命周期的经济性能表现,给建筑增值。
三、节能设计所依据的国家标准和规范
&《民用建筑节能设计标准》(采暖居住建筑部分,JGJ26—95)
&《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134—2001)
&《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003)
&《公共建筑节能设计标准》(GB50189—2005)
&《建筑照明设计标准》(GB50034—2004)
&《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003)
&《民用建筑热工设计规范》(GB50176—93)
&《建筑外窗气密性能分级及其检测方法》(GB7107—2002)
&《建筑幕墙物理性能分级》(GB/T15225)
&《供电系统设计规范》GB50052—95
&《全国民用建筑工程设计技术措施》
现行国家、地方相关建筑节能设计技术标准和规程。
另外,我们还将参照《绿色建筑评价标准》以及有关国际标准,如ASHRAE/IESNAStandard90.12001,LEED等。
四、节能设计的主要内容
依据GB/T50314-2006要求,设计应贯彻国家关于节能、环保等方针政策,应做到技术先进、经济合理、实用可靠;我们在上海申能能源中心的智能化系统中着重考虑以上五个方面的节能控制。
广义的建筑设备自动监控系统(BAS)的合理应用对于节省电能具有重要作用,尤其对暖通空调系统和公共照明系统的作用更为明显,节能幅度可达20%~30%。
同时,该系统还改善建筑物的舒适度,提高建筑物的管理效率并降低人力成本。
我们可以基于BA系统的平台,对大厦的各个机电设备管理系统进行集成,通过通俗易懂的计算机界面对设备的各个控制环节提供节能管理。
1、本方案设计一个专门的冷冻站整体节能管理系统,不仅可以替代原设计的水泵控制柜、而且可以代替冰蓄冷控制系统在冷冻站的水泵控制功能,并与BA系统进行联网,使客户的冷冻站水泵能耗降低40%以上;
2、将中央空调的末端设备节能管理纳入BA系统的管理范围,与普通的BA系统不同的是,我们不仅调节空气处理机的进出口水阀的开度进行温度控制,还对末端空气处理设备的风机进行变频调速控制,在满足室内空气质量的前提下最大限度地降低能耗;
3、照明灯具的控制由专业的灯光控制系统与BA系统联合管理,灯光控制系统可以实现灯光随室内照度的变化进行调光、人员进入时自动点亮、按照时间程序进行开关控制等;
4、对于给排水系统,供水水泵的变频调节可以节省大量的水泵运行电费;热水系统的供应需要自控系统的配合,对供应量进行精确控制,并在保证末端热水温度的同时减少热水循环的水量;
5、对于其他动力和其他设备,虽然耗电量较少,但是对其有效的管理仍然是必要的。
例如电梯的动能回馈系统可以节省大约40%的运行能耗;通风机的变频控制也有比较大的节能空间;门窗和窗帘的启闭也可以有一定的节能效果。
建筑设备监控系统三层网络系统结构图
4.1冷冻站整体节能管理系统
冷冻站系统分担节能率约20%~16%。
上海申能能源中心作为新建项目,应在项目设计的初期,规划好冷冻站的节能措施。
为此,我们在设计时着重考虑以下方法和产品来实现冷冻站的节能。
1)热力系统的运行状态监视、台数控制、燃气锅炉房可燃气体浓度检测与报警、热交换器温度控制、热交换器与热循环泵连锁控制及能耗累计。
2)冷水机组的冷水供、回水设计温差通常为5℃。
近年来许多研究结果表明:
加大冷水供、回水设计温差对输送系统减少的能耗,大于由此导致的设备传热效率下降所增加的能耗,因此对于整个空调系统来说具有一定的节能效率,目前有的实际工程已用到8℃温差,从其运行情况看也反映良好的节能效果。
由于加大冷水供、回水温差需要设备的运行参数发生变化(不能按通常的5℃温差选择),因此采用此方法时,应进行技术经济的分析比较后确定。
3)冷冻水供、回水温度、压力与回水流量、压力监测、冷冻泵启停控制和状态显示、冷冻水过载报警、冷冻水进出口温度、压力监测、冷却水进出口温度监测、冷却水最低回水温度控制、冷却水泵启停控制和状态显示、冷却水泵故障报警、冷却塔风机启停控制和状态显示、冷却塔风机故障报警。
所有水泵、冷却塔风机的供电频率控制、所有主机房设备的实时运行功率的监视。
4)采用一次泵方式时,管路比较简单,初投资也低,因此推荐采用。
过去,一次泵与冷水机组之间都采用定流量循环,节能效果不大。
今年来,随着制冷机的改进和控制技术的发展,通过冷水机组的水量已经允许在较大幅度范围内变化,从而为一次泵变流量运行创造了条件。
但为了确保系统及设备的运行安全可靠,必须针对设计的系统进行充分的论证,尤其要注意的是设备(冷水机组)的变水量运行要求和所采用的控制方案及相关参数的控制策略。
采用高位膨胀水箱定压,具有安全、可靠、消耗电力相对较少、初投资低等优点,因此推荐优先采用。
★建议采用专业的中央空调冷冻站整体节能的BKS系统
BKS中央空调管理专家系统是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制系统,尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。
它是以人(专家)的丰富实践经验和思维过程构建的模糊规则为依据进行推理与判断,模拟人类技术专家做决策的过程来解决那些需要人(专家)决定的复杂问题。
它无需对被控对象建立精确的数学模型,只需作模糊描述即可实现控制。
这样的控制更符合中央空调的复杂性、动态性和模糊性,使控制简便,又能达到所要求的控制精度。
模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制要求,利用模糊规则推理对系统进行类似人脑的知识处理,实现对复杂系统的优化控制。
在控制过程中,以语言描述人类知识,并把它表示成模糊规则或关系,通过推理、利用知识库,把某些知识与过程状态结合起来,可根据对被控动态过程特征的识别,自适应地调整运行参数,实现系统各受控参量的优化控制,以获得最佳的控制效果。
为此,BKS中央空调管理专家系统应用系统工程学理念,采用系统的方法,通过对系统控制对象、系统结构、系统功能与控制方法之间的动态关系的研究,创建了模糊预测算法和自适应模糊优化算法模型。
在控制过程中,通过所采集的丰富信息,利用计算机高速的计算、跟踪、判断和推理能力,将全系统的运行信息进行集成,对系统运行参数进行优化和动态调节,实现全系统协调运行,以达到系统整体综合性能最优的目的。
下图是该系统的运行原理图以及产品硬件与软件形态:
冷冻水系统——最佳输出能量控制
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,通过推理、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、压差和流量运行在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,都能既保证末端用户的舒适性,又最大限度地节省了系统的能量消耗。
在本项目中,针对一次泵采用预期流量的控制算法,在保证末端舒适性的同时消耗最少的能耗。
对于冷冻水二次侧,则根据二次侧供水温度调节一次侧电动调节蝶阀,实现一次侧流量的调节,从而控制二次侧的供水温度按照设定的模式运行,实现二次侧的优化运行。
另外,二次侧还可根据供回水压差,调节水泵转速,恒定二次侧管网压差。
冷冻水系统控制流程示意图
冷却水系统——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,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一个能保持系统效率(系统COP)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,因此,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,通过推理、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处于最佳效率状态下运行,系统整体能耗最低。
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- 节能