住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言.doc

住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作为一个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、舒适、节能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集中供冷最优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家T.L.Sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层次分析法是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用（Life Cycle Cost，简称LCC）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小。图1喷泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立在一些凭经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能源的大量浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加主动地节约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用LonTalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。LonWorks现场总线拓扑结构灵活多变，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在LonWorks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共享，因此能节约大量的设备费用。建立在LonWorks现场上的LonTalk是一种开放性通信协议，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于LonTalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过Internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（Security Socket Layer，简称SSL）技术来保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环境（Cooperation Management Enviroment,简称CME）软件功能模块包括电子白板、基于Web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统A共有住户13337户，系统B共有住户8691户，系统C共有住户9212户。 以下是我们为该小区设计的集中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为T=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用的冷却构筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷却水塔风机功率及开启台数、冷却水泵功率及开启台数、冷冻水泵功率及开启台数、机组的能耗量（燃料量或耗电量）等参数后，在中央控制计算机上运用人工智能方法对这些参数进行优化组合，以求出整个集中供冷系统在当前负荷下的最优状态设定点，然后将优化后的系统控制变量再传送到系统中各设备的现场执行器，从而达到最大限度地节约能耗的目的。（5）集中供冷冷水输送系统采用二次泵分散的变流量系统，对各个分散二级泵的控制采用开度法进行控制，即根据各自系统内各个控制阀的开度来对变速水泵进行控制。具体步骤如下：当本系统中所有末端设备的控制阀没有一个处于全开时，且此时系统内所有的负荷都得到满足时，则水泵慢慢降低速度；当本系统内有负荷没有得到满足，且此时该末端设备的控制阀处于全开时，则慢慢加大水泵的转速；当本系统中末端设备的所有控制阀有一个或多个处于全开时，且此时系统内民有的负荷都得到满足时，则水泵速度维持不变。（6）集中供冷自动计费系统采用三级结构：计费管理主机、区域管理器和现场数据采集器。计费内部采用RS-485通讯总线。计费管理主机总共可管理32台区域管理器，每台区域管理器可以连接255个现场数据采集器，而每个现场数据采集器可对4位住户进行管理，即一个计费系统总共可对30000多个用户进行管理。考虑到具体的安装条件和小区建设规划，每个集中供冷系统准备分别安装一个计费系统，整个小区为三个计费系统。计费管理主机与小区管理中心之间采用LonWorks现场总线进行连接。5 结论住宅小区集中供冷系统的优化管理是一项系统工程。本文提出的集中供冷系统优化管理系统坚持系统工程的概念，从技术、经济、环境、人文等多方面进行考虑，充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理，从而达到节约能源和保护环境的双重目的。通过对深圳市一项实际工程的应用表明，该优化管理系统是切实可行的。参考文献上海广播电视大厦空调设计简介、概况建筑面积约为30000m2，主楼地面上17层，地下1层，建筑高度约100m，裙房3层，屋面高度约34m。主楼平面呈三角形，采用三个钢筋混凝土筒体支撑的大型桁架结构体系，使主楼内形成一个600m2左右的大空间。大楼为电视台业务用房，内容有：多功能综合演播厅、新闻发布厅、新闻中心、新闻演播区、新闻配音、播音区、广播电视播出中心、国际广播电视交流及陈列、国际广播电视节目编辑及制作、餐厅酒吧等。地下层为设备用房，内容有：交配电室、冷冻机房、水泵房、冷库等。二、设计标准1. 温湿度计算机中心机房、电影机房、播出磁带库等t=1824，=40%65%；门厅、陈列厅、休息厅、交流厅t=1428其他房间t=1627；2. 噪声播音室 NR15dB调音室 NR25dB新闻演播室 NR25dB新闻发布厅 NR25dB多功能演播厅 NR25dB三、工程设计1.空调系统根据不同使用情况，考虑不同的空调方式。电视记者编辑用房，国际广播电视节目编辑及制作用房等为风机盘管加新风系统。送风方式为顶送回或上侧送顶回。餐厅、语言播音、调音室、新闻发布厅、展览厅、门厅、交流厅、多功能厅等为低速全空气系统。送风方式为顶送下侧回。播出中心机房、电影放映机房等为整体式空调机组系统。活动地板下送风，上部回风。2. 冷热源及空调水系统冷源为1570kW(135×104kcal/h)离心式冷水机组2台，698kW(60×104kcal/h)活塞式冷水机组1台，可满足不同负荷时的使用要求（夏季冷水供水温度为7）。冬季热源是原有锅炉房供应的蒸汽，水系统经气水换热器后获得60温水供冬季采暖用。空调水系统为冷、热二管制、一次泵、闭式循环系统。供、回水管分二路，一路供主楼，一睡供裙房。3. 控制风机盘管配有温控器，能进行冬、夏转换，并通过电动二通阀控制室温。空调机水路上设有带温度传感器的电动二通调节阀以控制回风温度。新同机组则控制送风温度。冷冻机房供、回水管间设有用压差控制的电动二通旁通阀。4. 播音室、调音室系统为了满足对噪声控制的要求，除播音室、调音室全部采用房中房全浮筑隔声结构外，空调机房地坪也采用浮筑楼板以隔绝固体传声。所有产生振动的设备均配置减振器、减振垫。空调机上送、回风口设软接管，供、回水接口设双向挠性橡胶软接管。管道穿墙、穿楼板处作了弹性处理。风管、水管等均采用弹性吊支架支承，以减弱振动及固体传声。在所有送、回风管上设置了必要数量的消声器及消声弯头，并采取措施，防止各室这间串声干扰。5. 多功能厅系统本多功能厅面积约为1050m2，分成舞台区、活动舞台区、观众区三部分，功能上要求能满足：<1>.电视演播<2>.一般戏剧演出<3>.举办音乐会等社会活动设计人数800，照明安装容量400kW。该系统采用65000m3/h组合式空调器两套，送风管敷设在屋顶网架里面。干管分成三路，一路供观众区，另二路供舞台区。回风大部分经设在观众区卒位下的条缝风口进入下面的静压箱，再通过风管回到空调器。另外，在舞台两侧分别设置一只回风口。为了满足舞台的不同使用要求，在舞台两侧的每根回风管上各设置一只电动风门，需要时可随时关闭。三路送风管上也分别设置电动风门，以便调节舞台区或观众区的不同温度要求。为了满足对噪声控制的要求，除了在送、回风管上设置必要的消声器与消声弯头外，对组合式空调器送、回风口处的噪声级也向厂商提出了限制。6. 新闻发布厅系统由于房间的布置形式及建筑结构上的要求，本系统空调机房设在发布厅楼上。空调箱的进、出风口只能在规定的梁间穿过，且送、回风管上要安装满足噪声要求的常规消声设备有困难，故在组合式空调器的进出风口处各设计一段非标准组合式消声器，将片式消声器与消声弯头组合在一起。技术经济指标表技术指标单位空调面积房间性质冷量指标(W/m2) (kcal/h.m2)热量指标(W/m2) (kcal/h.m2)裙房304262182157办公205176.7144123.7客房公寓148127.4118101.9耗电量(kW/m2)0.1158空调总面积(m2)13178经济指标空调总造价8246950(元)单位空调面积造价625.7(元/m2)单位冷量造价3.0(元/W), 3.5(元/kcal/h)概算单位建筑面积总指标土建指标总造价(元)单位造价(元/m2)土建造价(元)单位造价(元/m2)751061403131434339401811主要空调设备表形式代号(1)活塞式(2)离心式(3)螺杆式(4) 吸收式(5)分体式(6) 水-水热泵(7) 空气-水热泵制冷机组序号形式台数单台制冷量(kW, kcal/h)总计电机功率(kW)    蒸汽耗量(t/h)总计冷媒生产厂家1(1)169860000038383300000178.4884.2R-22合众开利2(2)21570  1350000352R-22合众开利3/空调水泵额定负荷冷水泵型号名称IS20-150-315               IS150-125-315生产厂家国产台数1用备2用备流量(m3/h)400,200扬程(m)32,32电机功率55 (kW/台)30 (kW/台)额定负荷热水泵型号名称IS150-125-250生产厂家国产台数2 用备流量(m3/h)200扬程(m)20电机功率18.5(kW/台)额定负荷热水泵型号名称IS125-100-315生产厂家国产台数1 用备流量(m3/h)100扬程(m)32电机功率15(kW/台)冷却水泵型号名称IS生产厂家国产台数4 用 1 备冷却水系统流量(m3/h)200扬程(m)20电机功率18.5(kW/台)冷却水泵型号名称PBLSSJ-200生产厂家国产台数4 用备性能规格200t/h风机功率5.5(kW/台)风系统末端装置型式全空气系统耗电量风机盘管耗电量(kW)其他耗电量(kW)主要服务房间多功能演播厅, 新闻发布厅106.5电视节目编辑制作64.5计算机房等180通风系统主要服务房间浴室、厕所、开水间、厨房、电源机房、变压器室耗电量(kW)44防排烟设计消防电梯间室加压送风，中庭排烟空调自控设计风机盘管与空调器设电动控制阀，冷冻机房供回水设压差旁通控制备注热源：0.4Mpa蒸汽，热负荷2326kW(200×1004kcal/h)