能效之争| 冷机能源优化系统与楼宇自动化系统的比较

　　空调水系统是建筑能耗的重要组成部分，有时占用电高峰需求的40%，占大型建筑年度用电的15%至25%。因此，努力减少空调水系统的能耗是值得的。

　　楼宇自动化系统的控制序列由工程师编写，BAS厂商实现，用来识别和响应影响空调水系统能耗的各种变量，旨在满足系统需求、在安全参数内运行、保护设备以及在BAS性能内尽可能高效地执行任务。

　　另一种控制系统运行的软件工具是冷机能源优化系统。咨询工程师从冷机厂商处了解到，冷机能源优化系统不仅可以满足系统需求，保护设备，而且更有效率。但他们同样从许多BAS厂商那里听到，"BAS也可以做到这些"。

　　两者有何区别?单独的冷机能源优化系统是否值得投资?

典型的BAS控制

　　简单的说，BAS包括以下几个层级:

　　管理级：根据外部输入对系统进行大范围调节，提供用户接口;

　　控制级：接收输入，基于控制回路向输出设备发送指令;

　　应用级：传感器、变送器和设备，检测输入，请求输出。

　　编写序列是为了检测输入，做出决策，指导输出的执行。控制回路的序列都集中于一个或几个变量的输入和一个输出上。例如： 如果建筑的冷量需求超过运行冷机容量的90%或者冷冻水出水温度超过设定值5分钟，下一台排序靠后的冷机将会启动。

　　本例中，BAS监测两个变量:冷量需求和出水温度，比较当前值与运行冷机**容量和冷冻水出水温度设定值，如果任一情况为真，BAS将发起一次指令输出，启动下一台冷机。

　　其他控制回路也在同时运行，监控冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、阀门位置、水温设定值及主管压差。每个控制回路都集中在一台设备上，多个回路试图控制同一台设备时，通常会向该设备发出相互冲突的输出指令，序列会考虑指令的数量约束，与设定值或决策值比较后输出相应的指令。

　　信息从应用层上传到控制层，响应后被送回到应用层执行，管理层为用户和其他系统(消防告警系统、安防系统等)提供接口。

　　BAS的控制序列可能很复杂，但主要还是“静态的”—也就是说，序列本身并不会改变。例如，他们不考虑时间推移引起的设备效率变化，也无法识别缺乏维护导致的系统运行变化。运行中的所有因素都会影响到系统的整体性能，换句话说，BAS的许多控制回路同时运行但独立作用，专注于空调水系统的特定部分，但各个部分并非互相独立，而是相互影响。

　　相比之下，冷机能源优化系统采用了全局视角，它不仅能像BAS那样监测每个特定设备或部件的所有控制回路，还能了解各回路间如何相互影响，并据此作出调整。这种自动改变控制回路的能力-使控制序列“动态化”-是冷机能源优化系统和BAS的区别所在。事实上，可以将能源优化系统认为是一种低级的“物联网”，一个系统负责控制并对另一个系统动态更改，无需直接的人为评价或干预。

　　图1：医院是24/7的关键负载，能源需求量很大，任何为医院服务的冷水机组都是冷机能源优化系统的可行候选，因为冷水机组的能耗是其运营成本的重要组成部分。

影响系统运行的因素

　　空调水系统中，主要有四种耗能设备：冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机。如前所述，控制回路和序列控制每台设备的运行，在这个过程中，直接影响到设备的最终能耗。

　　冷机能源优化系统通过安装电能表，收集实时数据，可以实现能耗的独立监测与分项计量，并且可以尝试调整或修正特定设备的能耗。设备的总用电量，即冷站设备的总能耗，对应所有同时运行设备能耗之和，实现冷站设备的实时能效**是设备运行的目标。

　　外部的直接输入：

　　1. 建筑负荷，影响冷机的数量及单台冷机的负荷，用于保证足够的在线容量，满足系统冷却需求。

　　2. 温度和相对湿度，影响冷冻水出水温度的设定值，用于获取足够的的冷量，提供末端所需的显冷量和除湿量。

　　3. 冷冻水主管压差，影响冷冻水泵的转速，用于保证足够的流量，供给末端的冷却盘管。

　　4. 室外湿球温度，影响冷却水温的设定值(可由冷却塔决定)，还影响用于调节冷却水出水温度设定值(CWST)的冷却塔风机转速。

　　编写控制序列是为了接收上述输入指令，通过控制冷机的启停匹配冷却需求。如果温度和相对湿度过高，改变冷冻水出水温度(CHST)设定值，提高或降低冷冻泵转速保证足够的流量，调节冷冻水电动阀的开关保证所需的出风温度。情况允许时，可以尽量降低冷却水出水温度(CWST)设定值，提高冷机的效率。

　　然而，这些单一指令会相互影响，并成为其他设备的间接输入：

　　1. 冷冻水出水温度(CHST)影响冷机的效率。较高的冷冻水出水温度(CHST)下，冷机的运行效率更高，较低的冷冻水出水温度(CHST)需要增大压缩机的出力，以实现蒸发温度、压力到冷凝温度、压力的较大"提升"。

　　2. 冷冻水出水温度(CHST)也会影响冷冻泵的运行。较低的冷冻水出水温度(CHST)需要的冷冻水流量较少，可以降低冷冻泵的能耗;相反，较高的冷冻水出水温度(CHST)会增加冷冻水的流量，从而增大冷冻泵的能耗。

　　3. 冷却水出水温度(CWST)影响冷机的效率。更高的冷却水出水温度(CWST)会增加压缩机的扬程(蒸发器和冷凝器之间)，从而增大机组工作所需的能耗。

　　4. 冷却水出水温度(CWST)也会影响冷却泵(CWP)的运行。更高的冷却水出水温度(CWST)会增加冷却水的流量，从而增大冷却泵(CWP)的能耗。

　　5. 冷却水出水温度(CWST)也会影响冷却塔风机(CTF)的运行。较低的冷却水出水温度(CWST)会增大蒸发散热量，增加流经冷却塔的风量，从而增大冷却塔风机(CTF)的能耗。

　　空调水系统常见的设备运行控制回路包括:

　　基于负荷大小对冷机实施分级控制，有时也包括监测冷冻水出水温度(CHST)。

　　冷冻泵的转速控制，以维持盘管和空气处理机组(AHU)控制阀之间的压差。

　　冷却塔风机转速控制，以维持冷却水出水温度(CWST)的设定值。

　　改变冷却水流量和冷却泵(CWP)转速的回路有时会被用作冷却水出水温度(CWST)设定值的**级控制。在部分负载时，一台冷机的冷却水可能流经两个冷却塔，以充分利用换热面积。此外，在冷却塔风机启动前，冷却水的流量可能会先从50%变到100%。

　　图3:冷机能源优化系统可以利用已安装设备实际的部分负荷效率曲线，为特定时间特定的需求选择最节能的组合。这些信息来源于设备出厂时的参数，是冷机“预测”分析的一部分。此外，冷机还会监测、记录和存储使用的能耗。随着设备长时间的使用，磨损可能会影响设备的运行效率，冷机将识别并更新这一信息，这种基于运行历史信息的更新是冷机“自适应”分析的一部分。

　　还有一些控制回路，寻求**的设定值，实现能耗的最小化：

　　冷冻水出水温度(CHST)设定值可以缓慢增加，直至相对湿度超过设定值。

　　冷冻水出水温度(CHST)设定值也可以降低，通过尝试增加冷冻水供回水温差，降低冷冻水流量，减小冷冻泵的能耗。

　　冷冻泵的压差设定值可以降低，直至一些空气处理机组控制阀的开度超过95%。

　　冷却水出水温度(CWST)设定值可以缓慢降低，室外湿球温度降低时，可以推算出可用的冷却水出水温度(CWST)，降低冷却水出水温度(CWST)设定值。

　　这些重新设定的控制回路，旨在节省系统的能耗，但也会产生意想不到的结果：

　　增加冷冻水出水温度(CHST)设定值可以提高冷机的效率，但末端盘管在保证所需冷量时，盘管内的水流量可能不足，使冷冻泵能耗增加。所以，需要在提高冷机效率(减少冷机能耗)和增大冷冻泵能耗之间综合取舍。盘管需求流量的增加也会导致更多的冷冻水控制阀打开，使冷冻泵的压差设定值被重新设定到一个更高的值。

　　降低冷冻水出水温度(CHST)设定值可以减小冷冻泵的流量和能耗，但冷机的压缩机需要在更高的扬程下工作，可能会增加冷机的能耗。

　　降低冷却水出水温度(CWST)设定值可以提高冷机的效率，也可能会增加冷却塔风机(CTF)的能耗，需要与减小的冷机能耗一起综合考量。如果改变冷却水流量是控制冷却水出水温度(CWST)设定值的一种方式，那么该控制序列也可能会影响到冷却泵(CWP)的能耗。

　　**的问题在于，在满足建筑物的需求时，如何在最小能耗下控制冷站设备尽可能高效地运行?

冷机能源优化系统可以提供什么

　　冷机能源优化系统持续巡视所有的运行设备，通过监测和调整设定值和设备转速，响应空调水系统的变化需求。它可以向上或向下调整冷冻水出水温度(CHST)设定值和冷却水出水温度(CWST)设定值，可以提高冷却塔风机(CTF)转速，降低冷却泵(CWP)的转速，或者反之，以寻求整个冷站设备的能耗最小化。正是这种对既定控制回路的重新调整，使冷机成为一种低等级的智能设备 — 冷机能源优化系统与BAS协同工作，在无需人为干预的情况下优化冷站设备的运行，如果有需要，该系统可以在本地服务器上安装和运行，以保证安全。

　　如何做到这一点?厂商有他们的自有软件和专有算法以实现实时能效**。但共同的是，他们都建立了数据库或类似的库，反映项目特定设备的性能数据。为便于比较，他们还对冷机系统中所有设备的运行特性和使用能耗进行了数据库编目。这些收集的经验数据成为了解特定负载下设备**组合和设定的基础。

　　例如，常见的BAS控制顺序可能是："当排序在前的冷冻泵达到90%的额定转速5分钟后，启动排序靠后的冷冻泵"。未满足加载条件时，BAS通常只运行一台水泵，而冷机能源优化系统会在线查看水泵运行曲线，按排序运行两台水泵。这是因为两台水泵低频运行可能比一台水泵60HZ运行更节能。

　　这种方法中，现场特定设备的部分负荷效率成为固有的分析因子。由于功率与流量的三次方关系，部分负荷下水泵和冷却塔风机的能耗是系统能耗的主要输入。冷机的部分负荷效率效率也不是线性的，而是与磨损时间成函数关系。

　　实际上，冷机能源优化系统是通过自我学习，利用运行数据，选择最节能的设备和设定值组合。首先使用预测的方法确定设备的运行方式，观测产生的能耗，然后适当地调整设定值。(这个过程类似病人去做视力矫正检查，当病人看向透镜装置时，医生会重复切换镜片，询问病人:这次更好还是更糟?直到看不出区别，才算是找到了对症的药方。)

　　冷机能源优化系统包含了特定设备的效率数据，可能需要花几个月建立数据库，选用各种各样的设备组合，优化出**效的运行场景。随着系统的运行，数据量的增长，数据库中将累积更多的运行组合和相关能耗的历史数据。

冷机能源优化系统与楼宇自动化系统间的关系

　　冷机能源优化系统并不能取代BAS，相反，它是对冷站设备控制的补充和加强。是对空调水系统控制的优化。通过获取BAS中可用的输入和输出指令，优化它们的应用。

　　冷机能源优化系统不直接控制水泵的启停，也不直接改变温度设定值。它将这些指令推送给BAS，在BAS的应用层上直接控制传感器、变送器、执行器和设备。

　　由于它们间的通信如此紧密，BAS和能源优化系统必须说同样的语言，使用相同的协议(BACnet，Modbus等)，需要有兼容的网络速度，需要在BAS的管理层上为每台冷机留有足够的通信接口。

　　工程师不能仅因一个优化系统就放弃空调水系统的控制设计和预定操作程序。冷机和BAS之间总有可能通信失败，如果发生这种情况，冷水机组应该如何工作?在没有优化系统的情况下，BAS需要有足够的控制序列使空调水系统正常运行。

　　前述已提及，BAS厂商可能不太同意冷机能源优化系统的宣传收益。能源优化系统和BAS的安装人员需要协调系统控制的细节，如阀门关闭的速度和水泵转速上升或下降的持续时长。重要的是，两个系统的安装人员需要密切合作，为业主的项目成功带来**的产品和安装实践。

冷机能源优化系统何时有意义

　　冷机能源优化系统是一项额外的开支，对空调水系统的运行并非决定性的。当优化系统的增值超过其成本时，存在一个实用的下限，需要它为自己买单。对于特定地点的设备，技术规范的一般准则是：

　　冷冻站内至少有3台冷机，总冷量在1500冷吨以上;

　　电力费用高于国家标准，无论是容量电费还是需量电费;

　　冷机能源优化系统在空调水系统全年运行时更能证明其价值。相反的，对于冬季不运行的水系统，因为空气处理机组有空气侧经济器，当室外空气温度低于50°F(10℃)时，无需使用冷冻水，能源优化系统的效益并不高。

　　最近，一些冷机厂商开发了标准化的系统，适用于1500冷吨以下，配置三台冷机的冷冻站。

　　问"冷机能源优化系统的成本是多少?"就像问 "一根绳子有多长?"因为系统的大小、冷机的数量、BAS的特性、项目的地点等都不尽相同。如一个配置三台500冷吨的冷机和一次泵变流量系统的冷冻站，安装和启动费用在90,000美元到140,000美元之间。(这些费用用于安装新的BAS，并预留冷机的接口。如果需要变更已有的BAS，增加冷机接口，用于改造的费用可能会更高)。此外，根据供应商提供的持续服务内容，如软件更新或在其他主设备上实施，每年的维护费用平均为15%。

　　对系统的方案进行比较选择时，通过亲自演示或印刷文稿的方式将有助于业主了解能源优化系统的的服务内容及范围。需考虑的点如下：

　　当业主优先考虑长期运行的成本节约而不是初投资时，冷机能源优化系统是值得投资的。以三台500冷吨的冷机为例，假设系统全年运行，电费比国家标准高10%，简单的投资回报周期为三到四年。

　　有许多的系统安装后，业主非常满意，但也有失败的案例。咨询工程师需要评估冷站的容量、预期投产时间以及电力价格的优先级，据此向业主提供建议。工程师还应利用业主的影响力，与BAS和能源优化系统工作人员一起完成系统的安装部署。