1、地源熱泵機房合同能源管理中的群控系統及其優化研究當今世界各國，都要思考一個嚴重的問題一一能源。目前沒有合 適的新能源可以完全替代常規能源，為了減輕能源枯竭的影響，必須 發展節能產業，走可持續發展的道路。合同能源管理符合可持續發展 的發展趨勢，既實現了節能減排的日標，同時也創造了經濟效益。但 是發展合同能源管理產業，僅靠國家推行以好的政策推動還是不夠的, 同時要有優秀的節能技術的支持。機房群控系統能夠挖掘空調系統的 節能潛力，為智能建筑的合同能源管理產業提供優秀的技術支持。而 隨著地源熱泵技術的發展，機房群控系統注入了新的活力，節能潛力 更是進一步擴大。本文首先簡介了合同能源管理、地源熱泵技術及

2、其發展現狀。然后簡介了當今世界上常見的機房群控技術，并借鑒基于效率 (COP)的機房群控控制邏輯，設計應用于地源熱泵系統的機房群控 控制邏輯，并運用模擬退火算法思想，對機房群控控制邏輯進行優化。最后以太原高科技孵化基地項日為案例，對本文所提出的地源熱 泵機房群控邏輯進行了驗證。同時對案例進行經濟分析，證明地源熱 泵機房群控系統應用于合同能源管理項日的經濟價值。本文的研究工作和成果對采用地源熱泵系統的機房群控系統項 日提出了一種解決方案，對應用采用地源熱泵系統的機房群控系統的 合同能源管理項目具有一定的借鑒意義。關鍵詞：機房群控，地源熱泵，合同能源管理，節能減排，案例研究目錄 TOC o 1-5

3、 h z HYPERLINK l bookmark48 o Current Document h 1緒論11.1研究背景11.1.1合同能源管理概述11.1.2地源熱泵系統概述1 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document h 1.2文獻綜述1 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document h 1.3研究目的及意義2 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document h 1.4研究內容及研究方法3 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document h

4、 2機房群控系統概論4 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document h 1機房群控系統的定義4 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document h 2.2機房群控的現狀41存在的問題42.2.2應采取的措施：4 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document h 2.3機房群控的意義5 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document h 2.4機房群控系統能耗分析54. 1空調主機的滿負荷超余量設計52空調主機的低效運行54. 3水泵的低效運行62

5、.4.4冷卻溫度的偏離65機房群控系統的常見控制邏輯72. 5. 1回水溫度控制法72. 5. 2流量控制法72. 5. 3壓差控制法82.5.4與江森、特靈、開利等高階接口相結合的群控8 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document h 2. 6傳統機房群控系統的缺陷82. 6. 1空調主機系統的缺陷-簡單的加減機控制邏輯82.6.2冷凍/冷卻水泵系統的缺陷-簡單的水泵控制邏輯92.6.3冷卻塔系統的缺陷-簡單的恒溫控制邏輯9 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document h 3應用地源熱泵機組的機房群控系統控制

6、邏輯研究10 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document h 3.1應用地源熱泵機組的機房群控系的統軟硬件環境設計10 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document h 3.2基于效率的空調主機系統控制邏輯11 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document h 3冷凍/冷卻水泵優選控制邏輯123. 1冷凍/冷卻水泵變頻控制邏輯123. 2冷凍/冷卻水泵開關臺數控制邏輯12 HYPERLINK l bookmark133 o Current Document h 3.4基于模

7、擬退火算法的整體機房群控控制邏輯13 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document h 4應用案例15 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document h 4.1山西太原高新技術企業孵化基地項目概況151. 1項目設計目標151.2設計參數151. 3各建筑物負荷構成表164.1.4主要設備配置及參數17 HYPERLINK l bookmark154 o Current Document h 2機房群控系統設計技術要求181冷源系統194. 2. 2系統的硬件配置要求20 HYPERLINK l bookmark1

8、76 o Current Document h 4. 3機房群控系統深化設計214.3.1機房群控系統總點位表設計及系統控制原理圖制作214. 3. 2機房群控系統結構及現場群控設備254.3.3機房群控控制箱點表及圖紙的設計26 HYPERLINK l bookmark201 o Current Document h 4.4機房群控系統調試394. 4. 1現場點對點調試394. 4. 2 位機調試41 HYPERLINK l bookmark205 o Current Document h 4.5機房群控系統邏輯優化的實現434. 5. 1熱泵主機效率控制邏輯的實現444. 5. 2冷凍/

9、冷卻水泵優選控制邏輯454.5.3模擬退火算法應用于機房群控系統的實現46 HYPERLINK l bookmark223 o Current Document h 4. 6評價結果48 HYPERLINK l bookmark226 o Current Document h 5結論與展望491結論49 HYPERLINK l bookmark234 o Current Document h 2研究展望49 HYPERLINK l bookmark237 o Current Document h 致謝51 HYPERLINK l bookmark240 o Current Document h

10、 參考文獻52 HYPERLINK l bookmark283 o Current Document h 攻讀學位期間發表的學術論文日錄541緒論1 . 1研究背景1.1.1合同能源管理概述合同能源管理(Energy Management Contract)是一項新型的、面向市場的節能服務， 這種服務方式通過提供能源管理服務的公司來實現。能源管理服務公司與需要節能服務 的企業簽訂合同，向企業提供技術及設備，企業把使用新技術設備以后產生的經濟效益 作為利潤支付給能源管理公司，新技術和設備則給企業。通過此種方式達到能源管理公 司與企業雙贏目標。6合同能源管理這個概念興起于1980-1990年的美國

11、。隨著其發展，在歐美發達國家 逐漸成長為新型的產業，通過提供合同能源管理服務產生經濟效益。合同能源管理在中國的發展，也已經有十幾年的歷史了。在政府的倡導下，合同能 源管理發展迅速。2000年以后出現了很多以環保節能為業務的新能源公司，其主要業 務就是提供合同能源管理服務。1.1.2地源熱泵系統概述地源熱泵系統(Round Source Heat Pump )是利用地下水資源冬暖夏涼的特點，通過 水泵和埋在地上地下的水管令水進行地上地下的循環流動，從而把地下所含的冷熱量資 源交換到地面作為空調系統的冷熱源的一種水泵系統。地源熱泵系統具有節約能源，綠 色環保的效果，和普通的空調系統相比，有如下優點

12、：環保：不需使用冷卻塔和鍋爐即可實現制冷供熱，沒有廢氣排放，節能環保；使用壽命長：設備使用壽命通常在20年以上。地源熱泵的概念起源于1950年前后的歐洲，當時限于技術成本的原因沒有廣泛使 用，隨著能源枯竭和可持續發展的興起，地源熱泵系統收到世界各國的重視，技術也突 飛猛進。到1980年左右，地源熱泵技術已經比較成熟，在美國開始大面積的應用。地源熱泵在中國起始于1980年前后，1996年興起，在北方廣泛米用，至今應用范 圍基本覆蓋了中國所有的省份。日前已知在建的地源熱泵項日已經超過550萬平方米。 61.2文獻綜述提起機房群控系統(Room group control system),首先想到的

13、是中央空調系統的 冷熱源主機的群控。傳統的機房群控系統大多研究的都是中央空調主機系統的群控(也 叫冷凍主機系統的群控)，其實完整的機房群控系統應該包括中央空調主機系統、冷凍/ 冷卻水泵系統和冷卻塔系統三個子系統。本文所研究的機房群控系統指的是包含三個子 系統的完整的機房群控系統的應用。在傳統的機房群控系統中，由于中央空調主機系統占了整個機房群控系統的大部分 能耗，因此設計人員容易忽略冷凍/冷卻水泵系統和冷卻塔系統的能耗。近年來隨著各 主要冷凍主機廠商的努力創新，空調主機的效率大大提高，使冷凍/冷卻水泵系統和冷 卻塔系統的能耗在整個機房群控系統中占有更大的比例，優化三個子系統之間的控制邏 輯，才

14、能進一步挖掘整個機房群控系統的節能潛力。三個子系統在過去幾十年來在整個 機房群控系統中所占能耗比較見圖1。9圖1機房群控系統中能耗比重對比Fig.l Room group control system energy consumption proportion contrast隨著地源熱泵技術的發展應用，冷凍/冷卻水泵系統和冷卻塔系統的能耗在整個機 房群控系統中所占比重更大，優化整體的機房群控系統的控制邏輯顯得更加重要。應用 地源熱泵機組的機房群控系統中，不需要冷卻塔或鍋爐，也使機房群控系統更加容易實 現。近年來一體化機房的概念及產品推出，勢必會把機房群控的應用提高到一個新的高 度。一體化機房

15、把空調主機、冷凍冷卻水泵及冷卻塔組裝在一個固定空間的房間內，此 房間可拆卸移動，但設備在房間內的的位置都是規劃好并固定的。廠商在設備安裝前對 產品進行機房群控邏輯調試，進行能耗模擬，一體化機房可以有效的提高設備的運行質 量，保證節能的效果。1.3研究目的及意義本文以應用地源熱泵機組的合同能源管理項目為案例，研究機房群控的控制策略, 主要有以下目的：（1）研究機房群控系統的三個子系統-中央空調主機系統、冷凍/冷卻水泵系統和 冷卻塔系統之間的整體控制邏輯，使人們對冷凍/冷卻水泵系統和冷卻塔系統的節能控 制引起重視，對研究機房群控系統的整體節能帶來一定的啟發。（2）探討應用地源熱泵機組的機房群控邏輯

16、如何實現，使地源熱泵這種新技術和 傳統機房群控系統融合在一起，能更好的推廣應用。（3）探討機房群控系統應用于合同能源管理項目的運作方式，收集機房群控系統 案例的數據，供以后新項目指導使用。以上研究的意義歸根結底是為了挖掘智能化建筑中空調系統的節能潛力，這樣才能 使合同能源管理有更好的節能技術，使節能公司和客戶都能夠獲得經濟效益，最終達到 雙贏的最終目標。1.4研究內容及研究方法理論研究。主要闡述論文研究的目的與方法，分析地源熱泵系統應用于機房 群控系統與常規機房群控系統的差別,以此為出發點研究如何使機房群控系統設計適合 地源熱泵系統，使論文具有一定的應用價值。控制邏輯研究。通過借鑒世界上各種成

17、熟的機房群控系統的控制邏輯，構建 基于江森Metasys系統的機房群控系統控制邏輯。案例研究。以太原高科技孵化中心機房群控系統項目為案例，用項目現場實 施過程中采集的的數據，對本文所提出的機房群控系統的控制邏輯進行驗證，分析其實 用價值。圍繞上述本課題的研究目的，本課題的主要研究方法為：項目參觀等調研方法。在有關機房群控的研究過程中，我們參觀了大沖科技 公司的溫州中心醫院項目，從而獲得項目上的第一手資料，保證論文研究的準確性和時 效性。實證研究。我公司有部分項目已經在用合同能源管理的方式實行，在考察這 些項日的基礎上，總結其經驗和教訓，來保證本論文研究的實用性。2機房群控系統概論1機房群控系統

18、的定義機房群控系統(Room group control system)指的是空調系統主機及其相關的冷 凍/冷卻水泵、冷卻塔等設備的分散控制，集中管理。通常機房群控系統通過樓宇自控 系統的DDC (現場控制器)來收集空調系統主機、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔的設備參數， 在樓宇自控系統的上位機上編寫機房群控控制邏輯，優化空調系統主機、冷凍/冷卻水 泵及冷卻塔三個子系統之間的運行狀況。機房群控系統通常包含三個子系統：空調主機系統、冷凍/冷卻水泵系統、冷卻塔 系統。三個子系統各自有獨立的控制邏輯，系統運行時會出現一個子系統運行在低耗能 狀態時，其他子系統耗能較高的情況。機房群控控制策略正是要尋找各子系統

19、運行的平 衡點，使三個子系統能運行在一個合適的工況，使整體機房群控系統工作狀態打到最優。把機房群控中的空調主機設備用地源熱泵機組代替，這樣的機房群控系統就成為了 地源熱泵機房群控系統。2. 2機房群控的現狀我國近幾年來新建的星級酒店、高級寫字樓、商場等建筑都設計了中央空調系統。 這些中央空調系統都有機房群控系統，但大多機房群控系統都只有對空調主機系統的群 控控制邏輯，極少數機房群控系統會對三個子系統整體進行優化控制的。空調系統的能 耗能占到系統總消耗的50-70 %，如果空調系統也能夠采取整體機房群控系統的優化 控制，將能挖掘出更大的節能潛力。72. 2. 1存在的問題現在大部分智能建筑都有中

20、央空調系統，這些中央空調系統的機房群控系統節能效 果不理想，根據曾經參與的項目調查，發現問題主要有3個：對冷凍/冷卻水泵和冷卻塔的節能不夠重視。傳統機房群控冷凍/冷卻水泵、冷 卻塔的耗能僅占中央空調系統能耗的30%左右，導致一些用戶認為這一部分損耗比較 少，可以忽略。物業或者工程部的機房群控系統操作員缺乏專業知識。許多操作人員沒有專 業的暖通空調知識，一旦機房群控控制邏輯出現問題時無法解決，造成機房群控系統無 法正常運行，增加耗能。用戶認為機房群控系統不可靠，即使項目設計安裝了機房群控系統，用戶也 只是用來監測系統運行狀態，不敢完全使機房群控系統自動運行。2. 2. 2應采取的措施:針對上面提

21、出的問題，應當重視冷凍/冷卻水泵和冷卻塔系統的節能問題，進一步 挖掘空調主機系統的節能潛力，。客戶放也應該對機房群控系統操作人員進行專業培訓，使操作人員能夠合理正確的 操作機房群控系統，保證系統的穩定運行。在機房群控系統設計階段，尋找穩定的機房群控系統，現場傳感器安裝調試要做到 精確可靠，提高機房群控系統的實際使用價值。2. 3機房群控的意義機房群控系統最重要的意義就在于節能。通過機房群控系統，現場的設備能夠根據 系統負荷的大小，開啟相應數量的設備，調節變頻器的轉速，減少設備的能耗，也節省 了運行的費用。應用機房群控系統還能夠通過記錄設備運行時間，自動輪換啟停當前設備與備用設 備，有助于延長機

22、組壽命。4機房群控系統能耗分析研究機房群控系統的節能，首先要了解整個系統的能源消耗狀況。2. 4. 1空調主機的滿負荷超余量設計空調主機在設計選型時，設計師為了使設備的負荷能夠滿足最不利工況的條件，通 常會增加15%-20%的設計余量。結果導致空調主機運行時達不到設計負荷，無法發揮 機組效率。如表1所示。表1空調主機年運行時間和負荷關系表負荷率(%)7510050 7525 5025運行時長百分率(%)105030102.4.2空調主機的低效運行空調主機在運行時根據負荷的不同，效率也相差很遠，表2為某品牌空調主機的性 能參數表。表2某品牌離心機組性能參數表負荷率制冷量耗電量cop1006504

23、295.33905853555.7980520296641續表2603902136.44503251826.28402601585.78301951345.12201301094.21085933.21根據表2數據可以看出。空調主機的高效區間集中在60%-80%區間，使空調主機 在運行過程中保持在高效區間運行，是機房群控系統的減少能耗的關鍵。3水泵的低效運行水泵運行也有運行效率問題。備品牌水泵的性能迥異。例如某品牌水泵性能曲線圖, 如圖2所示。8圖2水泵性能曲線圖Fig.2 Pump Performance Curve根據圖2,此品牌的水泵的性能曲線表明，其運行效率最

24、高點不在滿負荷狀態，而 是在水泵的部分負荷區。所以當運行效率不高時，會增加能耗。2.4.4冷卻溫度的偏離EnergyPLus軟件模擬的空調主機性能曲線可以較方便說明冷卻水溫度和空調主機 制冷量的關系：(2-1)(2 2)Qo = q + b(T ) + c(T1)2+6/(T2) + e(T2y + 了 (Tg)1=。+叫+也）2+牧2）+皿）2+“網）ww以上公式引自式中：Q.0制冷主機的最大制冷量Ti冷凍水出水溫度T2冷卻水出水溫度w制冷主機功耗a、b、c、d、e、f擬合系數從以上公式可以看出，空調主機能耗和冷凍水、冷卻水溫度都有關系，空調主機在 一定的負荷及一定的室外溫濕度情況下，冷卻水

25、溫度的變化會直接影響到空調主機的功 耗。綜上所述，機房群控系統運行能耗浪費現象主要體現在空調主機控制、冷凍/冷卻 水泵的控制和冷卻水溫度控制這三個方面，這三個方面恰好涵蓋了整個機房群控系統的 所有設備空調主機、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔。各個子系統均有其獨立的控制邏輯， 這決定了機房群控系統不能僅僅靠各子系統的簡單的局部控制邏輯，達到整體系統的節 能的效果。2.5機房群控系統的常見控制邏輯機房群控系統分為三個子系統-空調主機系統、冷凍/冷卻水泵系統和冷卻塔系統。 三個子系統之間雖然有聯系，但控制上是相對獨立的。國內和國外對機房群控系統都有 很多研究，但主要是研究空調主機系統的控制邏輯，較少研究三個

26、子系統之間的整體控 制邏輯。空調主機系統的控制邏輯比較復雜，常見的控制邏輯有以下幾種。1回水溫度控制法回水溫度控制法的原理:監測空調系統中冷凍水總管的回水溫度，比較需求溫度設 定值和回水溫度的實際值，判斷需要開啟的空調主機的臺數。根據以往項目經驗，我認為回水溫度控制法有以下優缺點：溫度傳感器設備簡單，使用方便，成本低；溫度傳感器通常使用電阻作為傳感元件，測量精度有限；當溫差較小時候，對調節影響較大。2流量控制法流量控制法控制的原理：監測空調系統中冷凍水總管的出水流量，比較空調主機的 額定流量與冷凍水總管出水流量的值，判斷需要開啟的空調主機的臺數。根據以往項目經驗，我認為流量控制法有以下優缺點：

27、流量傳感器的測量精度受安裝技術和現場安裝條件影響，不夠精確；流量可直接反應空調主機的負載情況，可保持空調主機運行在高效區間；流量只有在供回水溫度恒定的情況下，才能反應現場設備的冷熱負荷，但實際 運行中供回水溫度經常根據需求調節，使流量無法正確反應負荷的變化，從而不適合作 為控制參數；流量傳感器價格昂貴，常用的電磁型插入式流量計，即使國產的價位也在 7000-8000 人民幣。3壓差控制法壓差控制法的原理:監測空調系統供回水總管上的壓力傳感器，計算其壓差值，比 較需求壓差的設定值和供回水總管上的壓差傳感器計算出的壓差值，當供水側壓力大于 回水側，說明空調主機負荷大于現場需求負載，應減減少空調主機

28、，反之則應增加冷凍 主機。根據以往項目經驗，我認為壓差控制法有以下優缺點：壓力傳感器測量范圍較大，通常是1000KPA以上，取值區間較大，且安裝工 藝復雜，通常需要接駁銅管和截止閥，容易產生誤差；壓差傳感器測量住的壓差值無法量化的反應現場的負荷變化，僅能判斷負荷是 否足夠，無法判斷冷凍機是否需要開關；根據壓差傳感器的監測，可以控制集水器和分水器之間旁通管上的電動調節閥， 回收利用負載側冷量，起到節能作用。2.5.4與江森、特靈、開利等高階接口相結合的群控世界上有影響的冷凍空調制造商都有自我研發的一套控制系統，此控制系統可以通 過第三方的高階接口接入到機房群控系統中，在機房群控系統中可以直接監控

29、空調主機 的運行狀態，配合現場的傳感器來判斷需要開啟的空調主機的臺數。根據以往項目經驗，我認為空調主機高級接口有以下優缺點：利用iWj階接口可降低機房群控系統的初投資，有效地減少系統延遲，提iWj機房 群控系統的效率。空調制造商的控制系統可能會和機房群控系統的平臺有兼容性問題，導致數據 傳輸延遲，影響調節效果；考慮后期維保的影響，空調制造商不愿意開放其控制系統的數據接口，使機房 群控系統無法集成高階接口。6傳統機房群控系統的缺陷傳統的機房群控系統最大的弊端在于沒有整合三個子系統之間的整體控制策略。各 子系統獨立運行，會出現一個子系統能耗降低，另一個子系統能耗升高的矛盾狀況。對于各子系統，也有一

30、些常見的問題。2. 6. 1空調主機系統的缺陷-簡單的加減機控制邏輯傳統的空調主機系統所使用的控制邏輯通常都是簡單的加減機操作。如在2.5節中 介紹的幾種控制方法，大部分的控制方法都只是簡單的判斷空調主機系統是否需要增加 或減少，沒有考慮空調主機的運行效率高低。即使較成熟的流量/熱量控制法和壓差/流 量控制法，雖然通過溫度/流量傳感器對空調主機的能耗進行了監控計算，但由于現場 傳感器的精度和實時性問題，對空調主機的調節會有誤差和滯后性。2. 6. 2冷凍/冷卻水泵系統的缺陷-簡單的水泵控制邏輯簡單的水泵的控制方式，存在的缺陷體現在兩方面：設備的使用沒有計劃，過度的使用導致設備壽命縮短，增加維護

31、費用。例如有的 項目為了節約成本，會采用一臺水泵變頻，其它水泵工頻運行的模式，如此會導致變頻 水泵長期運轉，設備壽命縮短，其它水泵閑置浪費的狀況發生。為了節約成本，在很多項目中的冷卻水泵不配置變頻器，而是根據冷凍主機的 開啟數量對應開啟固定數量，在冷凍主機運行在低能耗的狀況下時，冷卻水泵無法根據 系統負荷進行節能控制。2. 6. 3冷卻塔系統的缺陷-簡單的恒溫控制邏輯在傳統的冷卻塔系統的控制中，采用的是設定一個恒定的冷卻水回水溫度，調節冷 卻塔風扇的運行數量。由于空調主機系統根據現場的負載狀況而進行運行的調節，恒定 溫度的的冷卻水回水會降低空調主機的效率，使空調主機系統能耗提高。如何提高機房群

32、控系統各子系統的局部效率，優化個子系統之間的控制邏輯，提高 機房群控系統的整體效率,挖掘更大的節能潛力，是未來機房群控系統研究的主要問題。3應用地源熱泵機組的機房群控系統控制邏輯研究傳統機房群控系統所使用的空調主機大多是冷水機組，有的項目也有使用風冷熱泵 機組，但使用地源熱泵機組的機房群控項目并不多。本文以應用地源熱泵機組的機房群控系統作為研究對象，在傳統的機房群控系統的 基礎上，針對傳統的機房群控系統的弊端，對應用地源熱泵機組的機房群控系統的控制 邏輯進行優化設計。1應用地源熱泵機組的機房群控系的統軟硬件環境設計2.6節提出的機房群控系統的弊端，都是針對傳統機房群控系統而言的。對于應用 地源

33、熱泵機組的機房群控系統，在現場硬件設備的配置上會有所改變，在硬件上有以下 明顯改變：空調主機采用地源熱泵機組，如此可相比傳統空調主機節能30%-40%；由于采用地源熱泵機組，系統中沒有冷卻塔，不用考慮冷卻塔系統的控制；地源熱泵機組均設計提供高階接口，使機房群控系統能夠實時監測主機的運行 狀態；在所有的冷凍/冷卻水泵上配置變頻器，使冷凍/冷卻水泵可以實現變頻控制， 同時具備優化泵組運行的條件；選用江森品牌的高精度現場傳感器，嚴格按照產品規格說明書進行安裝，盡量 減小現場傳感器的誤差。基于對合同能源管理模式應用的考慮，在各臺地源熱泵主機、冷凍/冷卻水泵上裝 設智能電表，以此來監控機房群控系統中各設

34、備的能耗狀況。按此設計，前期硬件投入成本較傳統機房群控系統有所提高，但可以提高機房群控 系統的節能效果，在后期節能收益保證的前提下，前期投入還是值得的。機房群控系統的控制邏輯的實現，還需要有優秀的智能控制系統來作為軟件支持。 本文所進行的機房群控控制邏輯研究以北京江森自控公司的樓宇自控系統平臺 Metasys ADS作為軟件平臺。此款軟件具有邏輯編程功能，可以實現復雜的機房群控邏 輯編寫。軟件界面如圖3所示。圖3江森自控Metasys系統界面Fig.3 Johnson Controls Metasys System Interface在以上硬件和軟件的支持下，針對2.6節提出的幾點傳統機房群控

35、系統的弊端，采 用以下三種控制邏輯來優化各子系統的控制邏輯。3.2基于效率的空調主機系統控制邏輯根據2.6.1節中提出的空調主機系統的弊端，本文所研究項目專門設計了地源熱泵 機組的高級接口。地源熱泵主機通過高階接口與Metasys系統交換數據，可實時監測空 調主機的功耗。通過現場傳感器的測量結果進行計算現場需求負荷，比較高階接口監測 的機組運行負荷，對運行效率進行判斷,確保地源熱泵主機在任何現場需求負荷條件下, 都能運行在能耗60%-80%的高效區間。基于效率的空調主機系統控制邏輯對比傳統的空調主機系統控制邏輯的最大不同 點，在于能通過高階接口對空調主機進行實時監測，能符合實際的判斷是需要增加

36、還是 減少空調主機的數量。基于效率的空調主機系統控制邏輯算法實現：控制邏輯首先分析空調主機的運行負載，此過程通過空調主機與metasys系統之間 的高階接口收集數據，一般根據空調主機的耗電功率百分比來進行判斷，當空調主機功 率在6080%之間時為優。8然后根據冷凍水供/回水主管上的溫度傳感器和流量傳感器的值來計算實際負荷， 以此作為需求負荷，以需求負荷為標準，根據空調主機的額定負荷來判斷空調主機是需要增加還是減少開啟臺數。 冷負荷計算公式：Load = (Tr - Ts) * FL * 1.19(3 -1)流量計算公式：FL = 340 xFLSxR2(3-2)以上公式引自公式中字母含義如表3

37、所列。表3計算公式字母釋義參數暮義單位Load建筑物冷負荷TonTr冷:東水回水溫度Deg CTs冷凍水供水溫度Deg CFLS冷凍水流速m/sFL冷凍水流里UsR冷凍水管半徑m空調主機開啟臺數判定邏輯如圖4所示。負載管理LOAD MANAGEMENT基于冷凍秘度Chilled WaterTemp. Base主管展板溫度Main Supply Temp主盲回水溫度Main Re Temp基于系統負載System Loads Base 基于睥負載ChillerLoad Base主管供深溫度Main Supply Temp主管回術溫度Main Return Temp孑【流量Water Flow r

38、ate嘉生管供水溫度Main Supply Temp實際負載1_人Actual Load %FLA負載能歡Load Efficiency動冷凍機組數量和組合to Determinenos. of duty Chiller & Combination圖4空調主機加減機判定邏輯圖Fig.4 Air-conditioning Host Adding Machine Decision Logic Diagram3冷凍/冷卻水泵優選控制邏輯根據2.6.2節中提出的冷凍/冷卻水泵系統的弊端，本文所研究項目的冷凍/冷卻水泵 均配置有變頻器，都可以進行變頻節能控制。同時為了提高水泵的使用壽命，對水泵開 關臺數

39、控制邏輯進行優化。3. 1冷凍/冷卻水泵變頻控制邏輯根據冷凍/冷卻水供回水壓差對冷凍/冷卻水泵進行變頻控制。通常一個項目會有數 臺水泵，按冷凍，冷卻水泵分為兩組，每組水泵用同一個邏輯進行控制。當冷凍/冷卻 水壓差小于壓差設定值時，變頻提高，反之變頻減小。3.3.2冷凍/冷卻水泵開關臺數控制邏輯對兩組水泵分別設置時間表，使每臺水泵輪換開啟，避免長時間開啟一臺水泵。 對系統中每臺冷凍/冷卻水泵的運行狀態進行趨勢記錄，累計每臺水泵的運行時長。 每次水泵開啟時，根據運行累計時間，選擇運行時間最短的一臺水泵開啟，同時對水泵 故障點進行監測，如果水泵有故障報警，則自動切換其它備用泵中運行累計時間最短的 一

40、臺水泵。此控制邏輯通過江森Metasys軟件平臺實現，本文重點研究控制邏輯的原理，不詳 細介紹Metasys軟件，在第4章中通過案例介紹具體的實現方式。4基于模擬退火算法的整體機房群控控制邏輯在對以上各子系統的控制邏輯進行局部優化后，再來考慮對整體的機房群控控制策 略進行優化。由第2章的介紹可知，機房群控系統中的三個子系統各自擁有獨立的控制邏輯，各 子系統之間的關系并非簡單的線性關系，無法用簡單的控制邏輯實現優化。本文在研究大量機房群控項目的經驗上，借鑒人工智能算法的模擬退火算法的原理, 對機房群控系統的整體控制邏輯進行優化。機房群控系統是根據各子系統的設定參數來運行控制邏輯，能夠使整個機房群

41、控系 統運行在整體能耗最低的一組設定值即為最優解。應用模擬退火算法尋找最優解的過程 即是本文所提出的整體機房群控優化控制邏輯。主要設定參數包括冷凍水出水溫度、冷卻水回水溫度等參數，在此用T表示。各 子系統在此設定參數下運行，整體系統的能耗用S表示。當給定一個初始設定參數To,會產生一個機房群控系統的整體能耗狀態So。在一段 時間t后，根據現場傳感器的實時反饋，更新設定參數，產生Ti,會產生一個新的機房 群控系統的整體能耗狀態Si,循環此過程k次，最終找到Min(Sk),此時的設定參數Tk 即為當前系統最優解。如圖5所示流程圖。圖5模擬退火算法一般流程圖Fig 5 Simulated Annea

42、ling Algorithm Flow Chart按模擬退火算法的原理，需要有解區間，才能在給定初始設定參數的情況下尋 找到最優解,故此方法需要龐大的數據支持方可實現。機房群控系統的項目通常由于現 場的條件、施工技術條件、項目所在地的天氣等諸多因素，即使相同型號的設備在不同 的項目上，同樣會出現設定參數相同，能耗狀態不同的情況。因此為建立解區間，在機 房群控系統項目應用中，需要在調試階段收集設定值參數的數據，建立專門的數據庫作 為解區間，這樣在正常實用階段才能根據模擬退火算法自動調節系統參數，最終實現整 體機房群控系統控制邏輯的優化。綜上所述，在使用地源熱泵系統的機房群控項目中，以基于效率的空

43、調主機系統控 制邏輯對空調主機子系統進行優化控制；以冷凍/冷卻水溫度自動重設對水泵系統進行 優化，最終通過基于模擬退火算法的整體機房群控控制策略對整個機房群控系統進行全 面優化。4應用案例為檢驗本文所研究的應用地源熱泵系統的機房群控系統控制邏輯是否科學合理，本 文選取山西太原高新技術企業孵化基地的機房群控項目作為案例來驗證該體系的科學 性和可行性。4.1山西太原高新技術企業孵化基地項目概況高新技術企業孵化基地建筑群均為公共建筑，總建筑面積354219m2o其中1#、2#樓采用地源 熱泵系統，總建筑規模為98400m2(l#樓為高新技術企業研發中心及綜合辦公區，建筑面積87202m2； 2#樓為

44、高新技術企業成果展廳，建筑面積11198m2o)經計算分析，該項目采用傳統采暖空調方式總投資約為1438.4萬元，年運行費用 約為451.6萬元；地源熱泵系統約為2133萬元，年運行費用約為265.9萬元。本項目采用合同能源管理模式運作，由山西立鑫再生能源開發有限公司自籌資金投 資建設。4.1.1項目設計目標本著節能減排，綠色環保的目標，業方單位與我方經多次調研、測試及試驗、專家 論證等過程，最終決定本項目1#、2#樓采用合同能源管理模式，利用土壤源熱泵系統 為建筑物提供冷熱源，總應用面積為98400m2,將該項目建設成為可再生能源建筑應用 示范推廣項目。為太原市及其類似地區公共建筑淺層地熱綜

45、合有效利用提供科學依據, 提高太原市中地熱利用水平，減少對環境的污染。1.2設計參數室外空氣設計參數：大氣壓力：冬季P=930.2hPa；夏季P=917.1hPa。室外十球溫度：冬季t=-14C；夏季t=31.3Co夏季室外計算濕球溫度：t=24C o 冬季室外計算相對濕度：51%。室內設計參數：辦公區：夏季t=262C；冬季t=18-20Co商業區：夏季t=262C；冬季t=18-20Co 展廳：夏季 t=262C；冬季 t=18-20Co 夏季室外計算濕球溫度：t=25C o 冬季室外計算相對濕度：55%。負荷統計按建筑面積進行計算，計算結果如表4所列。表4負荷統計表序號樓號建筑面積m2單

46、位熱負荷 w/m2總熱負荷kw單位負荷w/m2總冷負荷kw1一號樓872027613/68502二號樓111981291/118380%總負荷712364274.1.3各建筑物負荷構成表（1）一號樓冷負荷計算分類匯總結果如表5所列。表5 一號樓冷負荷計算分類匯總表序號負荷分類單位負荷1外圍結構kw1565.5322新風負荷kw1272.883照明負荷kw986.044人員負荷kw2078.2135設備負荷kw949.129合計Kw6851.794（2） 一號樓熱負荷計算分類匯總結果如表6所列。表6 一號】婁熱負荷計算分類匯總表序號負荷分類單位負荷1外圍結構Kw1315.4682新風負荷Kw77

47、90.2653輻射得熱Kw-5434設備發熱量Kw-949合計Kw7613.733（3）二號樓冷負荷計算分類匯總如表7所列。表7二號樓冷負荷計算分類匯總表序號負荷分類單位負荷1外圍結構kw499.8052新風負荷kw167.313照明負荷kw198.3154人員負荷kw218.4715設備負荷kw99.9合計Kw1183.801（4）二號樓熱負荷計算分類匯總如表8所列。表8二號樓熱負荷計算分類匯總表序號負荷分類單位負荷1外圍結構Kw558.1512新風負荷Kw1024.7733輻射得熱Kw-1254照明熱量Kw-665設備發熱量Kw-99.9合計Kw1292.024說明：1、在計算熱負荷時，人

48、員發熱量作為安全因素，不扣減其發熱量2、由于樓層低，滲透新風負荷低，計算熱負荷時，扣減照明得熱量。 經中國電子工程設計院及我單位技術人員共同計算，估算1#、2#樓總冷負荷為 7123kw/h，總熱負荷為 6427kw/ho4.1.4主要設備配置及參數根據以上的負荷設計要求，統計出本項目需要用到的設備極其參數。本項目涉及到的主要設備如表9所列。表9主要設備清單序號設備名稱單位數量備注1離心式熱泵機組臺22螺桿式熱泵機組臺13地源側水泵臺4三用一備4負載側水泵臺4三用一備5穩壓裝置套26流量計套27電動旁通閥套18通風機臺19污水泵臺210熱源塔臺611凈化水裝置套1熱泵機組及水泵為主要設備，選型

49、參數見表10、表11,其他設備參數比較簡單, 在此不再贅述。地源熱泵主機選型參數如表10所列。表10地源熱泵主機選型參數表制冷量(kW)制熱量(kW)源水側水量(m3/h)負載側水量(m3/h)制冷功率(kW)制熱功率(kW)外型尺寸(mm)281331516805305355845242*2435*30447697931651401471764094*2435*3076注：制冷工況，源水進出水溫為30/35C,負載側進出水溫度為12/7C；制熱工況, 源水進水溫度9C,用戶側進出水溫為45/40Co空調及地源側水泵的選配的技術參數如表11所列。表11水泵選型參數表設備名稱區域參數端吸直聯泵用

50、戶側水泵水量 140mA3/h,揚程 15m, NB125-250/269, 30kw端吸直聯泵用戶側水泵水量 530mA3/h,揚程 15m, NB 125-315/330, 75kw端吸直聯泵源水側水泵水量 680mA3/h,揚程 33m, NB 150-500/495, 90kw端吸直聯泵源水側水泵水量 165mA3/h,揚程 33m, NB 125-315/330, 37KW2機房群控系統設計技術要求根據4.1中介紹的項目情況，我司和業主溝通，對機房群控系統進行了詳細的系統 設計。此系統設計遵循但不僅限于以下標準和規范：智能建筑設計標準GB/T503142006安全防范工程技術規范GB

51、503482004電子計算機房設計規范(68501742008)建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范(GB / T503112007)建筑設計防火規范(GBJ162006)建筑物防雷設計規范(GBJ500572011)本項目機房群控系統通過監測機房內設備的運行狀況、故障狀態等反饋參數，對設 備進行遠程控制，通過編寫群控邏輯，實現對現場設備的自動管理，使各設備運行在較 高能效狀態，最終起到節能的作用。其設計目標包括如下幾個：控制機房內溫濕度環境；通過對現場設備的監控，保證設備的設計要求并滿足機房的需求；編寫穩定的、高效的群控邏輯，對現場設備節能控制；與第三方的子系統進行聯動，比如消防和監控等系統

52、；根據以上設計目標，本項目機房群控系統將包括整個機房內的所有設備的控制，包 括中央空調系統、冷凍/冷卻水泵系統、冷卻塔系統、機房排風機和補水箱系統。備系統應滿足各專業設計的控制要求，本招標文件要求若與設計要求有矛盾，無特 殊說明均應以設計要求為準。系統應包括所有與機房群控系統直接相連接并納入群控系 統的設備。總體技術要求：先進性：機房群控系統應當采用先進的技術品牌，并且能夠進行版本升級。實用性/可靠性：機房群控系統設備應當經久耐用，可以滿足機房惡劣環境的 使用需求，所使用產品應當有良好的業績，。開放型/兼容性：機房群控系統軟件應當采用國際標準通信協議(例如BACNET. MS/TP),具有同第

53、三方子系統對接的擴展接口，例如熱泵機組、消防系統等等。便利性：機房群控系統使用界而應當簡單明了，能夠在三層界面以內到達操 作設備界面，并能提供直觀的圖形化顯示界面。以下按各個子系統提出詳細的技術要求。4. 2. 1冷源系統熱泵機組同時以無源干接點提供機組運行狀態、故障狀態、啟停控制等信 號。其他設備由DDC完成。機房控制室設一個監控中央站，負責該機房及相關設備的控制。本項目只 包括機房內設備，但應考慮到與其它系統的通訊、并聯、備用等問題，按招標文件所要 求的協議和標準提供充分的通訊接口、設備擴充、軟件升級等條件。主要控制要求：熱泵機組的群控，水泵的變頻控制，冷卻塔的監測與啟停 控制，供回水總管

54、的流量、壓差、溫度參數顯示，機組水泵的能耗統計等。熱泵機組的連鎖控制：系統分正常供冷暖狀態、值班供冷暖狀態，可手動或根據運行工況自動切換，可實 現主機周期運行控制。負載側水泵，地源側水泵，地源側電動閥，熱泵機組負載側及地源側電動閥、冷卻 塔風機、水處理器等設備應與熱泵機組實現聯動。集中機房監控盤可進行熱泵機組、負 載側水泵，地源側水泵，水管路閥門、穩壓裝置的個別指令啟停。可根據預先設定的時間表，定時啟停系統。啟動程序：負載側水泵一負載側回路電 動蝶閥一地源側水泵-地源側分區回水閥一熱泵主機上地源側回路電動蝶閥一熱源塔系 統一水流開關一水處理設備一熱泵機組。停機程序則相反。系統能通過與樓層空調機

55、房現場控制器通訊，計算空調冷負荷實際負荷，根據系統 冷負荷、平衡管盈余水量、主機效率曲線和水泵功率等綜合因素，自動計算熱泵機組應 當啟動的數量。可對每臺機組運行的時間進行累計，并根據累計值適當調整機組運行的 時間。當機組出現意外情況時，可自動切換備用機組啟動，并且能夠報警提示故障。通過通訊接口對熱泵機組控制器內所有參數如冷熱水、冷卻水溫度、壓差，蒸發器、 冷凝器溫度、壓力等機組安全、高效運行所必需監測與控制的參數進行監控；監控冷凍 水系統流量，平衡管流量，監控水流開關信號，水過濾器壓差報警，電動蝶閥的閥位狀 態，室外溫、濕度等，并根據這些信號進行必要的主機操作。在主機有故障或危險時進 行操作提

56、示、聲光報警，如在合理的時間與條件下，問題仍未得到解決，應主動停機或 自動采取相應的安金措施。其它設備控制要求：對負載側水泵、地源側水泵的啟停控制邏輯與熱泵機組的要求一樣。水泵啟動后首 先檢測水流開關狀態，狀態為關時不啟動水泵。地源側水泵、負載側水泵、水處理器的 工作、故障報警、手/自動狀態、啟停自動調節控制。冷卻塔系統控制：根據室外氣溫 溫度，冬季進行地埋側、熱源塔運行的切換，根據水溫按程序控制熱源塔的臺數、或地 埋分區切換，實現各熱泵機組所需運行，以控制冷卻水溫。負載側水泵設一次泵變頻控 制邏輯。監測穩壓裝置的啟停、故障和運行。冷熱源系統監控站硬件設備要求：設于地下二層主機房控制室內，主機

57、配置應不低于中央控制中心工作站的要求。打 印機選用惠普24K針式打印機。不間斷電源要求在斷電狀態下能夠支持監控站工作15 分鐘以上。(7 )冷熱源系統監控站軟件要求對監控設備實時監測其運行工作狀態和報警情況，并結合相應的環境條件或其他條 件綜合判斷設備的啟停或開關機制，在出現故障等情況發生時，能及時，明顯的進行報 警操作，提醒工作人員應對。系統軟件必須能夠全面提供簡體中文操作的圖形化界面，顯示各監控設備的實時狀 態與參數，并設定不同級別的操作、管理、控制權限。系統具有自診斷功能，對系統和 設備的故障進行分類，并給出報警，系統維護人員根據報警能迅速查到故障的部位類型, 迅速對故障進行排除。能夠記

58、錄故障發生的時間和位置，并有簡單的故障描述，能對設備的運行情況和時 間進行記錄，記錄保存的數據能與Microsoft Excel相集成。負載側供回水溫度、熱水供水溫度、地源側系統供回水溫度、二次水泵壓差的再設 定。輸出冷卻水量需求量百分比信號。系統數據庫開放式聯結，支持使用DB2, Oracle, Sybase, SQLServer, Access等 數據庫，可根據用戶的需求進行靈活配置。系統遵循開放性原則，支持OPC技術，便于與其他第三方系統或BMS高級管理平臺 實現數據共享。采用服務器/瀏覽器(Server/Browser),基于Web的系統架構，任何支持web標準 的(包括Interne

59、t Explore或Netscape Navigator)設備都可以成為一個全功能的 操作接口。冷熱源自控系統采用OPC標準通信協議與BMS實現系統界而互聯，BMS對冷熱源 自控系統只監不控。投標人應免費提供的控制軟件、完成調試后的完整數據備份，以便在任何意外出現 軟件故障時可以自行恢復設備的控制系統。4. 2. 2系統的硬件配置要求本機房群控系統所用到的設備應為知名品牌，限以下品牌(江森，西門子，霍尼 韋爾)。系統中用到的上位機、現場控制器及現場傳感器等設備，應當為同一品牌產品 或兼容性完全無問題的第三方設備。本機房群控系統的硬件應包括以下內容：中央控制服務器中央控制服務器是機房群控系統的核

60、心，主要的數據處理均在此處完成。中央控 制服務器的主體為一臺服務器電腦，本項目限使用以下品牌服務器:戴爾，IBM,惠普。 中央控制服務器應配備較高的CPU和內存，同時應當配置有獨立顯卡，可進行一定的 圖像處理工作。服務器所預裝系統應為正版WINDOWS?企業版或旗艦版，并安裝有我 Microsoft Word、Microsoft Excel等常用辦公軟件。配置大容量硬盤用以保存歷史 數據。服務器應配備有打印機用以打印報警記錄或其他數據。同時服務器應配置有不 間斷電源用以保證服務器穩定工作。網絡控制器網絡控制器用以收集現場控制器的數據，進行處理后提供給中央控制服務器反映 給用戶。現場的控制邏輯和