(1)启停控制、运行状态显示和过载报警
相关的监控对象有冷水机组、水泵、冷却塔风机等。建筑设备自动化系统通过现场控制器发出命令控制这些设备的启动与停止,这占用现场控制器的1路DO通道。建筑设备自动化系统还需要知道这些设备是否处在运行状态,检测方法是把主电路上交流接触器的辅助触点作为开关量信号,输入现场控制器监测冷水机的运行状态。这占用现场控制器的1路DI通道。建筑设备自动化系统还需要知道这些设备是否过载,以便做出报警等逻辑动作,检测方法是把主电路上热继电器的辅助触点信号,作为冷水机过载停机报警信号。这要占用现场控制器的1路DI通道。建筑设备自动化系统还需对监控对象是否处在手/自动状态进行检测,这也将占用现场控制器的1路DI通道。因此,每一台冷水机组、水泵、风机分别需要的监控点位有:1DO,3DI。
对于水泵,除对水泵本身的监控外,还可以通过水流开关FS监测水泵回路的水流状态或者通过在压差开关监测水泵前后的压差进一步确认水泵的运行状态。
大多数由建筑设备自动化系统直接控制启停的电气设备,如风机、照明、水泵、电动机等的监控原理基本相同,其监控内容一般包括启停控制及状态监视、故障报警监视、手/自动控制状态监视等。其监控点一般都直接取自其电气控制回路。
该电路分为主回路(一次回路)与控制回路(二次回路)两部分。主回路工作电压为三相380V,以闸刀开关或空气断路器作为电源进线开关,以便故障检修时形成明显的断点,以确保安全。主回路通过接触器对设备电源进行控制,采用热继电器对设备进行过载保护。
控制回路主要实现对主回路接触器的控制,工作电压是220V。此回路一般要求以手/自动两种方式对风机启停进行控制。具体实现方法是:利用一个手/自动转换开关,实现手动回路与自动回路之间的转换。当拨到手动档时,操作人员可通过启动按钮、停止按钮、接触器线圈以及接触器辅助常开触点组成的自保持电路在现场对设备进行控制;当拨到自动挡时,设备的启停则受现场控制器的控制。
设备监控内容中的启停控制实际上就是对主回路中接触器的控制,启停状态信号取自接触器辅助触点,故障状态信号取自热继电器的辅助触点,手/自动转换信号取自手自动转换开关。
(2)冷负荷计算和冷水机组运行台数的控制
对冷源或者热源,其冷热负荷Q=cM·(T1-T2),c为比热,M为总管流量,T1、T2分别是供、回水总管上的温度。因此,为使设备容量与变化的负荷相匹配以节约能源,根据计算的负荷,决定开启冷冻机的数量。
通过供水管网中分水器上的温度传感器TT1检测冷冻水供水温度(1路AI信号),通过回水管网中集水器上的温度传感器TT2检测冷冻水回水温度(1路AI信号)以及供水总管上的流量传感器FT(1路AI信号)检测冷(冻)水流量,送入现场控制器,计算出实际的空调冷负荷,控制冷水机组投入台数及相应的循环水泵投入台数。
冷冻水供/回水温度及流量测取点的确定在许多工程设计及施工中易出现错误。分水器侧温度的测取位置既可位于旁通回路前端,也可位于旁通回路后端,测取位置的改变不会影响测量值。根据这三个值可以准确地计算出冷水机组的输出冷量。而集水器侧温度和流量的测取点理论上都应位于旁通回路的前端。
(3)机组的启/停顺序控制
机组的启/停控制不仅包括机组启/停,还包括对应的冷冻水泵、开关蝶阀,如果是冷冻机则还包括冷却塔、冷却水泵。冷水机组是整个建筑物空调冷源系统的核心设备。冷冻水循环、冷却水循环都是根据冷水机组的运行状态进行相应控制的。
冷源系统工艺复杂、设备多,其启/停通常按照事先编制的时间假日程序控制。为保证整个系统安全运行,每次启/停需按照一定的逻辑顺序控制各设备。当需要启动冷水机组时,一般首先启动冷却塔,其次启动冷却水循环系统,然后是冷冻水循环系统的启动,当确定冷冻水、冷却水循环系统均已启动后,方可启动冷水机组。当需要停止冷水机组时,停止的顺序与启动顺序正好相反。一般首先停止冷水机组,然后是冷冻水循环系统、冷却水循环系统,最后是冷却塔。这些功能都需要通过建筑设备自动化系统来实现。
(4)冷水机组的群控
①冷水机组运行时间、启动次数记录。为了延长机组设备的使用寿命,需记录各机组设备的运行累计小时数及启动次数。通常要求各机组设备的运行累计小时数及启动次数尽可能相同。因此,每次初起动系统时,都应优先起动累计运行小时数最少的设备(除特殊设计要求,如某台冷水机组是专为低负荷节能运行而设置的)。为此,建筑设备自动化系统应对每台机组设备进行运行时间和启动次数记录,以供逻辑判断。
②群控(运行台数控制)。群控的序列策略,就是解决在启动下一台制冷机组时,决定哪一台先开出;在停止一台运行的制冷机组时,决定哪一台先停止。这种序列策略,目的是与设备管理、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。
在需要启动一台制冷机时,可按以下顺序:
当前停运时间最长的优先;
累计运行时间最少的优先;
轮流排队等。
在需要停止一台制冷机组时,可按以下顺序:
当前运行时问最长的优先;
累计运行时间最长的优先;
轮流排队等。
选择哪一种序列策略与物业管理方式,设备维护计划等密切相关。建筑设备自动化系统应尽量提供灵活的序列模式,便于物业管理部门按需选择。
注:目前流行的冷冻机组群控,包括以上这些监控,由冷冻机厂家(如York,Carrier,Mcquary,Trane等)自己完成,而建筑设备自动化系统则通过网关与其通信,完成对冷冻机系统的监测。
(5)压差旁通控制
系统根据冷冻水供/回水总管的压力差可以控制旁通阀开度,以使冷冻水供/回水总管压差保持恒定,并且基本保持冷冻水泵及冷水机组的水量不变,起到节能和延长设备寿命的效果。方法是:由压差传感器Pdt检测冷冻水供水管网中分水器与回水管网中集水器之间的压差,由1路AI信号送入现场控制器与设定值比较后,现场控制器送出1路AO控制信号,调节位于供水管网中分水器与回水管网中集水器之间的旁通管上电动调节阀的开度,实现供水与回水之间的旁通。
注意设置压差传感器时,其两端接管应尽可能靠近旁通阀两端,并设于水系统中压力较稳定的地点,以减少水流量的波动,提高控制的精确度。
(6)冷冻水温度再设定
冷冻水温度设定值随室外环境温度变化可通过软件自动进行修正,这样既可避免由于室内外温差悬殊而导致的冷热冲击,又可达到显着的节能效果。
(7)水流监测
冷冻水泵、冷却水泵启动后,通过水流开关FS(1路DI信号)监测水流状态,流量太小甚至断流,则自动报警并自动停止相应制冷机运行。
4.建筑设备自动化系统点位的确定
根据以上的监控思路,对各设备的建筑设备自动化系统监控点位的确定。
(1)冷水机组的监控
对冷水机组的监控包含:启/停控制和运行状态、过载状态、手自动状态的监测。所以,每台冷水机组共计1个DO,3个DI点。现有3台冷水机组,故占有现场控制器点位共计3(即1×3)个DO,9(即3×3)个DI点。
(2)冷却水循环部分的监控
每台冷却塔含有一个风扇,现场控制器对每个风扇进行启/停控制和运行状态、过载状态、手/自动状态的监测,共计1个DO,3个DI点。现有3台冷却塔的风扇,故共计3个DO,9个DI点。
在每个冷却塔内设置液位开关LT,以监测高低水位,供现场控制器在液位过高或过低时报警,计2个DI点。3台冷却塔共计6个DI点。
3台冷却塔的供回总管上的水温度监测,需配置温度传感器TT3和TT4监测,2个AI点。
3台冷却水泵的启/停控制和状态(运行状态、过载状态、手/自动状态)监测,共计3个DO点和9个DI点。
3台冷却水泵的出水侧管道分别安装了水流开关FS,判断水是否流动,从而监测水泵的实际运行状态,共计3DI。
注:也可以在水泵两端安装压差开关以监测水压差、判断水泵的实际运行状态。
冷却水循环部分共有6个开关蝶阀进行冷却水的开关控制,共计6个DO点。
(3)冷冻水循环部分的监控
3台冷冻水泵的启/停和状态,共计3个DO点和3个DI点。
3台冷冻水泵出水侧的水流开关,用于测量水泵的实际运行状态,共计3个DI点。
3个冷冻水循环开关蝶阀,共计3个DO点。
用液位开关检测膨胀水箱的高低警戒水位,共计2个DI点。
设置温度传感器TT1、TT2和流量传感器FT检测冷冻水的供回水温度和冷冻水流量,用于计算冷负荷,共3个AI点。
压差传感器Pdt检测冷冻水供回水压差,现场控制器据此压差传感器做出逻辑运算,控制旁通管上旁通调节阀的阀芯的开度,从而实现压差旁通控制,共计1个AI点和1个AO点。
5.冷源系统的节能途径
冷源及其水系统的能耗主要由冷冻机主机电耗及冷冻水、冷却水各循环水泵、冷却塔风机电耗构成。如果各冷冻水末端用户都有良好的自动控制,那么冷冻机在产冷量满足用户需要的前提下,其节能就要靠合理地调节冷冻机运行状态,提高机组的能效比(制冷系数)COP值,降低冷冻水循环泵、冷却水循环泵及冷却塔风机电耗来获得。当冷冻水末端用户采用变水量调节时,冷冻水循环泵(或二级系统中的加压泵)必须提供足够的循环水量并满足用户的压降。可能的节能途径是减少各用户冷冻水调节阀的节流损失,并尽可能使循环水泵在效率最高点运行。
这样,冷源及水系统的节能控制就主要通过如下3个途径完成。
①在冷水用户允许的前提下,尽可能提高冷冻机出口水温以提高冷冻机的COP;当采用二级泵系统时,调节冷冻水泵转速或减少冷冻水加压泵的运行台数,以减少水泵的电耗。
②根据冷负荷状态恰当地确定冷冻机运行台数,减少无效能量消耗。
③在冷冻机运行所允许的条件下,尽可能降低冷却水温度,同时又不增加冷却泵和冷却塔的运行电耗。
冷源应在保证系统正常运行的基础上,充分利用其自带的自控系统和建筑设备自动化系统强大的数据处理与分析功能,恰当地对系统进行调节,从而达到提高运行品质,降低运行能耗的作用。
4.3.7典型热源系统的监控
实际工程中,空调热源的形式主要有锅炉和换热站两种。建筑设备自动化系统对热源进行监测与控制的主要目的是:提高系统的安全性,保证系统能够正常运行;全面监测并记录各运行参数,合理调节热力设备的运行工况,降低能源消耗,同时降低运行人员工作量,提高管理水平。
在民用建筑中,锅炉机组同冷水机组一样,其内部设备的控制一般由自带控制器完成,而不由楼宇自控系统直接控制。但楼宇自控系统可以通过通信接口控制机组的启/停及调节部分控制参数。同时,也可通过接口监视一些重要的运行参数。具体可控参数的多少需要楼宇自控系统承包商与锅炉机组生产厂商进行协调,取决于厂商开放数据的多少。
一般楼宇自控系统可监控的锅炉机组状态参数包括锅炉机组启/停控制及状态监视,锅炉机组故障报警监视,锅炉机组的手/自动控制状态监视,锅炉机组进、出口蒸气温度、压力及流量监视等。如有必要,还可要求厂商开放烟气含氧量、燃料消耗量等参数供楼宇自控系统读取监视。不过在许多工程中,也往往不将锅炉系统的监控纳入楼宇自控系统,而仅对热交换器及热水循环部分进行监控。
案例一:典型建筑物热源系统的监控
建筑设备自动化系统仅对热交换器及热水循环部分进行监控,而不对锅炉系统监控。
1.系统运行原理分析
锅炉系统设备包括热源、热交换器及热水循环三部分。由于锅炉机组的监控不受建筑设备自动化系统控制,故图左侧的热源部分没有画出锅炉机组。热交换器一端与锅炉机组的蒸气/热水回路或城市热网相连,另一端与热水循环回路相连。热水循环系统的工作原理和监控内容与冷水机组冷冻水循环系统完全相同,所不同的只是冷水机组系统的冷冻水系统是与冷水机组的蒸发器发生热交换,被吸取热量;而锅炉系统的热水循环是与热交换器的蒸气/热水回路发生热交换,吸取热量。也有许多工程热水循环侧不存在集水器与分水器,各台热交换器分区供热,在这种情况下需要对各回路分别进行控制。
2.建筑设备自动化系统监控原理分析
(1)热交换器部分的监控
在每台热交换器热水循环回路的进水口安装蝶阀并进行控制。每个蝶阀受建筑设备自动化系统的现场控制器控制,占现场控制器的1路DO通道。
热交换器根据热水循环回路出水温度实测值(由温度传感器TT1测得)及设定温度,对热源侧蒸气/热水回路的三通调节阀开度进行控制,以控制热水循环回路出水温度。建筑设备自动化系统对三通阀的控制需占用现场控制器的1路AO通道。