能效之爭| 冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的比較

　　空調(diào)水系統(tǒng)是建筑能耗的重要組成部分，有時(shí)占用電高峰需求的40%，占大型建筑年度用電的15%至25%。因此，努力減少空調(diào)水系統(tǒng)的能耗是值得的。

　　樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的控制序列由工程師編寫，BAS廠商實(shí)現(xiàn)，用來識(shí)別和響應(yīng)影響空調(diào)水系統(tǒng)能耗的各種變量，旨在滿足系統(tǒng)需求、在安全參數(shù)內(nèi)運(yùn)行、保護(hù)設(shè)備以及在BAS性能內(nèi)盡可能高效地執(zhí)行任務(wù)。

　　另一種控制系統(tǒng)運(yùn)行的軟件工具是冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)。咨詢工程師從冷機(jī)廠商處了解到，冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)不僅可以滿足系統(tǒng)需求，保護(hù)設(shè)備，而且更有效率。但他們同樣從許多BAS廠商那里聽到，"BAS也可以做到這些"。

　　兩者有何區(qū)別?單獨(dú)的冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)是否值得投資?

典型的BAS控制

　　簡單的說，BAS包括以下幾個(gè)層級(jí):

　　管理級(jí)：根據(jù)外部輸入對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)，提供用戶接口;

　　控制級(jí)：接收輸入，基于控制回路向輸出設(shè)備發(fā)送指令;

　　應(yīng)用級(jí)：傳感器、變送器和設(shè)備，檢測輸入，請(qǐng)求輸出。

　　編寫序列是為了檢測輸入，做出決策，指導(dǎo)輸出的執(zhí)行?？刂苹芈返男蛄卸技杏谝粋€(gè)或幾個(gè)變量的輸入和一個(gè)輸出上。例如： 如果建筑的冷量需求超過運(yùn)行冷機(jī)容量的90%或者冷凍水出水溫度超過設(shè)定值5分鐘，下一臺(tái)排序靠后的冷機(jī)將會(huì)啟動(dòng)。

　　本例中，BAS監(jiān)測兩個(gè)變量:冷量需求和出水溫度，比較當(dāng)前值與運(yùn)行冷機(jī)**容量和冷凍水出水溫度設(shè)定值，如果任一情況為真，BAS將發(fā)起一次指令輸出，啟動(dòng)下一臺(tái)冷機(jī)。

　　其他控制回路也在同時(shí)運(yùn)行，監(jiān)控冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、閥門位置、水溫設(shè)定值及主管壓差。每個(gè)控制回路都集中在一臺(tái)設(shè)備上，多個(gè)回路試圖控制同一臺(tái)設(shè)備時(shí)，通常會(huì)向該設(shè)備發(fā)出相互沖突的輸出指令，序列會(huì)考慮指令的數(shù)量約束，與設(shè)定值或決策值比較后輸出相應(yīng)的指令。

　　信息從應(yīng)用層上傳到控制層，響應(yīng)后被送回到應(yīng)用層執(zhí)行，管理層為用戶和其他系統(tǒng)(消防告警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等)提供接口。

　　BAS的控制序列可能很復(fù)雜，但主要還是“靜態(tài)的”—也就是說，序列本身并不會(huì)改變。例如，他們不考慮時(shí)間推移引起的設(shè)備效率變化，也無法識(shí)別缺乏維護(hù)導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行變化。運(yùn)行中的所有因素都會(huì)影響到系統(tǒng)的整體性能，換句話說，BAS的許多控制回路同時(shí)運(yùn)行但獨(dú)立作用，專注于空調(diào)水系統(tǒng)的特定部分，但各個(gè)部分并非互相獨(dú)立，而是相互影響。

　　相比之下，冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)采用了全局視角，它不僅能像BAS那樣監(jiān)測每個(gè)特定設(shè)備或部件的所有控制回路，還能了解各回路間如何相互影響，并據(jù)此作出調(diào)整。這種自動(dòng)改變控制回路的能力-使控制序列“動(dòng)態(tài)化”-是冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)和BAS的區(qū)別所在。事實(shí)上，可以將能源優(yōu)化系統(tǒng)認(rèn)為是一種低級(jí)的“物聯(lián)網(wǎng)”，一個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制并對(duì)另一個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)更改，無需直接的人為評(píng)價(jià)或干預(yù)。

　　圖1：醫(yī)院是24/7的關(guān)鍵負(fù)載，能源需求量很大，任何為醫(yī)院服務(wù)的冷水機(jī)組都是冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)的可行候選，因?yàn)槔渌畽C(jī)組的能耗是其運(yùn)營成本的重要組成部分。

影響系統(tǒng)運(yùn)行的因素

　　空調(diào)水系統(tǒng)中，主要有四種耗能設(shè)備：冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)。如前所述，控制回路和序列控制每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行，在這個(gè)過程中，直接影響到設(shè)備的最終能耗。

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)通過安裝電能表，收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)能耗的獨(dú)立監(jiān)測與分項(xiàng)計(jì)量，并且可以嘗試調(diào)整或修正特定設(shè)備的能耗。設(shè)備的總用電量，即冷站設(shè)備的總能耗，對(duì)應(yīng)所有同時(shí)運(yùn)行設(shè)備能耗之和，實(shí)現(xiàn)冷站設(shè)備的實(shí)時(shí)能效**是設(shè)備運(yùn)行的目標(biāo)。

　　外部的直接輸入：

　　1. 建筑負(fù)荷，影響冷機(jī)的數(shù)量及單臺(tái)冷機(jī)的負(fù)荷，用于保證足夠的在線容量，滿足系統(tǒng)冷卻需求。

　　2. 溫度和相對(duì)濕度，影響冷凍水出水溫度的設(shè)定值，用于獲取足夠的的冷量，提供末端所需的顯冷量和除濕量。

　　3. 冷凍水主管壓差，影響冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，用于保證足夠的流量，供給末端的冷卻盤管。

　　4. 室外濕球溫度，影響冷卻水溫的設(shè)定值(可由冷卻塔決定)，還影響用于調(diào)節(jié)冷卻水出水溫度設(shè)定值(CWST)的冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　編寫控制序列是為了接收上述輸入指令，通過控制冷機(jī)的啟停匹配冷卻需求。如果溫度和相對(duì)濕度過高，改變冷凍水出水溫度(CHST)設(shè)定值，提高或降低冷凍泵轉(zhuǎn)速保證足夠的流量，調(diào)節(jié)冷凍水電動(dòng)閥的開關(guān)保證所需的出風(fēng)溫度。情況允許時(shí)，可以盡量降低冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值，提高冷機(jī)的效率。

　　然而，這些單一指令會(huì)相互影響，并成為其他設(shè)備的間接輸入：

　　1. 冷凍水出水溫度(CHST)影響冷機(jī)的效率。較高的冷凍水出水溫度(CHST)下，冷機(jī)的運(yùn)行效率更高，較低的冷凍水出水溫度(CHST)需要增大壓縮機(jī)的出力，以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)溫度、壓力到冷凝溫度、壓力的較大"提升"。

　　2. 冷凍水出水溫度(CHST)也會(huì)影響冷凍泵的運(yùn)行。較低的冷凍水出水溫度(CHST)需要的冷凍水流量較少，可以降低冷凍泵的能耗;相反，較高的冷凍水出水溫度(CHST)會(huì)增加冷凍水的流量，從而增大冷凍泵的能耗。

　　3. 冷卻水出水溫度(CWST)影響冷機(jī)的效率。更高的冷卻水出水溫度(CWST)會(huì)增加壓縮機(jī)的揚(yáng)程(蒸發(fā)器和冷凝器之間)，從而增大機(jī)組工作所需的能耗。

　　4. 冷卻水出水溫度(CWST)也會(huì)影響冷卻泵(CWP)的運(yùn)行。更高的冷卻水出水溫度(CWST)會(huì)增加冷卻水的流量，從而增大冷卻泵(CWP)的能耗。

　　5. 冷卻水出水溫度(CWST)也會(huì)影響冷卻塔風(fēng)機(jī)(CTF)的運(yùn)行。較低的冷卻水出水溫度(CWST)會(huì)增大蒸發(fā)散熱量，增加流經(jīng)冷卻塔的風(fēng)量，從而增大冷卻塔風(fēng)機(jī)(CTF)的能耗。

　　空調(diào)水系統(tǒng)常見的設(shè)備運(yùn)行控制回路包括:

　　基于負(fù)荷大小對(duì)冷機(jī)實(shí)施分級(jí)控制，有時(shí)也包括監(jiān)測冷凍水出水溫度(CHST)。

　　冷凍泵的轉(zhuǎn)速控制，以維持盤管和空氣處理機(jī)組(AHU)控制閥之間的壓差。

　　冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，以維持冷卻水出水溫度(CWST)的設(shè)定值。

　　改變冷卻水流量和冷卻泵(CWP)轉(zhuǎn)速的回路有時(shí)會(huì)被用作冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值的**級(jí)控制。在部分負(fù)載時(shí)，一臺(tái)冷機(jī)的冷卻水可能流經(jīng)兩個(gè)冷卻塔，以充分利用換熱面積。此外，在冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前，冷卻水的流量可能會(huì)先從50%變到100%。

　　圖3:冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)可以利用已安裝設(shè)備實(shí)際的部分負(fù)荷效率曲線，為特定時(shí)間特定的需求選擇最節(jié)能的組合。這些信息來源于設(shè)備出廠時(shí)的參數(shù)，是冷機(jī)“預(yù)測”分析的一部分。此外，冷機(jī)還會(huì)監(jiān)測、記錄和存儲(chǔ)使用的能耗。隨著設(shè)備長時(shí)間的使用，磨損可能會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行效率，冷機(jī)將識(shí)別并更新這一信息，這種基于運(yùn)行歷史信息的更新是冷機(jī)“自適應(yīng)”分析的一部分。

　　還有一些控制回路，尋求**的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)能耗的最小化：

　　冷凍水出水溫度(CHST)設(shè)定值可以緩慢增加，直至相對(duì)濕度超過設(shè)定值。

　　冷凍水出水溫度(CHST)設(shè)定值也可以降低，通過嘗試增加冷凍水供回水溫差，降低冷凍水流量，減小冷凍泵的能耗。

　　冷凍泵的壓差設(shè)定值可以降低，直至一些空氣處理機(jī)組控制閥的開度超過95%。

　　冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值可以緩慢降低，室外濕球溫度降低時(shí)，可以推算出可用的冷卻水出水溫度(CWST)，降低冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值。

　　這些重新設(shè)定的控制回路，旨在節(jié)省系統(tǒng)的能耗，但也會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果：

　　增加冷凍水出水溫度(CHST)設(shè)定值可以提高冷機(jī)的效率，但末端盤管在保證所需冷量時(shí)，盤管內(nèi)的水流量可能不足，使冷凍泵能耗增加。所以，需要在提高冷機(jī)效率(減少冷機(jī)能耗)和增大冷凍泵能耗之間綜合取舍。盤管需求流量的增加也會(huì)導(dǎo)致更多的冷凍水控制閥打開，使冷凍泵的壓差設(shè)定值被重新設(shè)定到一個(gè)更高的值。

　　降低冷凍水出水溫度(CHST)設(shè)定值可以減小冷凍泵的流量和能耗，但冷機(jī)的壓縮機(jī)需要在更高的揚(yáng)程下工作，可能會(huì)增加冷機(jī)的能耗。

　　降低冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值可以提高冷機(jī)的效率，也可能會(huì)增加冷卻塔風(fēng)機(jī)(CTF)的能耗，需要與減小的冷機(jī)能耗一起綜合考量。如果改變冷卻水流量是控制冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值的一種方式，那么該控制序列也可能會(huì)影響到冷卻泵(CWP)的能耗。

　　**的問題在于，在滿足建筑物的需求時(shí)，如何在最小能耗下控制冷站設(shè)備盡可能高效地運(yùn)行?

冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)可以提供什么

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)持續(xù)巡視所有的運(yùn)行設(shè)備，通過監(jiān)測和調(diào)整設(shè)定值和設(shè)備轉(zhuǎn)速，響應(yīng)空調(diào)水系統(tǒng)的變化需求。它可以向上或向下調(diào)整冷凍水出水溫度(CHST)設(shè)定值和冷卻水出水溫度(CWST)設(shè)定值，可以提高冷卻塔風(fēng)機(jī)(CTF)轉(zhuǎn)速，降低冷卻泵(CWP)的轉(zhuǎn)速，或者反之，以尋求整個(gè)冷站設(shè)備的能耗最小化。正是這種對(duì)既定控制回路的重新調(diào)整，使冷機(jī)成為一種低等級(jí)的智能設(shè)備 — 冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)與BAS協(xié)同工作，在無需人為干預(yù)的情況下優(yōu)化冷站設(shè)備的運(yùn)行，如果有需要，該系統(tǒng)可以在本地服務(wù)器上安裝和運(yùn)行，以保證安全。

　　如何做到這一點(diǎn)?廠商有他們的自有軟件和專有算法以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能效**。但共同的是，他們都建立了數(shù)據(jù)庫或類似的庫，反映項(xiàng)目特定設(shè)備的性能數(shù)據(jù)。為便于比較，他們還對(duì)冷機(jī)系統(tǒng)中所有設(shè)備的運(yùn)行特性和使用能耗進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫編目。這些收集的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)成為了解特定負(fù)載下設(shè)備**組合和設(shè)定的基礎(chǔ)。

　　例如，常見的BAS控制順序可能是："當(dāng)排序在前的冷凍泵達(dá)到90%的額定轉(zhuǎn)速5分鐘后，啟動(dòng)排序靠后的冷凍泵"。未滿足加載條件時(shí)，BAS通常只運(yùn)行一臺(tái)水泵，而冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)會(huì)在線查看水泵運(yùn)行曲線，按排序運(yùn)行兩臺(tái)水泵。這是因?yàn)閮膳_(tái)水泵低頻運(yùn)行可能比一臺(tái)水泵60HZ運(yùn)行更節(jié)能。

　　這種方法中，現(xiàn)場特定設(shè)備的部分負(fù)荷效率成為固有的分析因子。由于功率與流量的三次方關(guān)系，部分負(fù)荷下水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗是系統(tǒng)能耗的主要輸入。冷機(jī)的部分負(fù)荷效率效率也不是線性的，而是與磨損時(shí)間成函數(shù)關(guān)系。

　　實(shí)際上，冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)是通過自我學(xué)習(xí)，利用運(yùn)行數(shù)據(jù)，選擇最節(jié)能的設(shè)備和設(shè)定值組合。首先使用預(yù)測的方法確定設(shè)備的運(yùn)行方式，觀測產(chǎn)生的能耗，然后適當(dāng)?shù)卣{(diào)整設(shè)定值。(這個(gè)過程類似病人去做視力矯正檢查，當(dāng)病人看向透鏡裝置時(shí)，醫(yī)生會(huì)重復(fù)切換鏡片，詢問病人:這次更好還是更糟?直到看不出區(qū)別，才算是找到了對(duì)癥的藥方。)

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)包含了特定設(shè)備的效率數(shù)據(jù)，可能需要花幾個(gè)月建立數(shù)據(jù)庫，選用各種各樣的設(shè)備組合，優(yōu)化出**效的運(yùn)行場景。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，數(shù)據(jù)量的增長，數(shù)據(jù)庫中將累積更多的運(yùn)行組合和相關(guān)能耗的歷史數(shù)據(jù)。

冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)間的關(guān)系

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)并不能取代BAS，相反，它是對(duì)冷站設(shè)備控制的補(bǔ)充和加強(qiáng)。是對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)控制的優(yōu)化。通過獲取BAS中可用的輸入和輸出指令，優(yōu)化它們的應(yīng)用。

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)不直接控制水泵的啟停，也不直接改變溫度設(shè)定值。它將這些指令推送給BAS，在BAS的應(yīng)用層上直接控制傳感器、變送器、執(zhí)行器和設(shè)備。

　　由于它們間的通信如此緊密，BAS和能源優(yōu)化系統(tǒng)必須說同樣的語言，使用相同的協(xié)議(BACnet，Modbus等)，需要有兼容的網(wǎng)絡(luò)速度，需要在BAS的管理層上為每臺(tái)冷機(jī)留有足夠的通信接口。

　　工程師不能僅因一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)就放棄空調(diào)水系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)和預(yù)定操作程序。冷機(jī)和BAS之間總有可能通信失敗，如果發(fā)生這種情況，冷水機(jī)組應(yīng)該如何工作?在沒有優(yōu)化系統(tǒng)的情況下，BAS需要有足夠的控制序列使空調(diào)水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　前述已提及，BAS廠商可能不太同意冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)的宣傳收益。能源優(yōu)化系統(tǒng)和BAS的安裝人員需要協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制的細(xì)節(jié)，如閥門關(guān)閉的速度和水泵轉(zhuǎn)速上升或下降的持續(xù)時(shí)長。重要的是，兩個(gè)系統(tǒng)的安裝人員需要密切合作，為業(yè)主的項(xiàng)目成功帶來**的產(chǎn)品和安裝實(shí)踐。

冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)何時(shí)有意義

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)是一項(xiàng)額外的開支，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行并非決定性的。當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)的增值超過其成本時(shí)，存在一個(gè)實(shí)用的下限，需要它為自己買單。對(duì)于特定地點(diǎn)的設(shè)備，技術(shù)規(guī)范的一般準(zhǔn)則是：

　　冷凍站內(nèi)至少有3臺(tái)冷機(jī)，總冷量在1500冷噸以上;

　　電力費(fèi)用高于國家標(biāo)準(zhǔn)，無論是容量電費(fèi)還是需量電費(fèi);

　　冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)在空調(diào)水系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)更能證明其價(jià)值。相反的，對(duì)于冬季不運(yùn)行的水系統(tǒng)，因?yàn)榭諝馓幚頇C(jī)組有空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器，當(dāng)室外空氣溫度低于50°F(10℃)時(shí)，無需使用冷凍水，能源優(yōu)化系統(tǒng)的效益并不高。

　　最近，一些冷機(jī)廠商開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)，適用于1500冷噸以下，配置三臺(tái)冷機(jī)的冷凍站。

　　問"冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)的成本是多少?"就像問 "一根繩子有多長?"因?yàn)橄到y(tǒng)的大小、冷機(jī)的數(shù)量、BAS的特性、項(xiàng)目的地點(diǎn)等都不盡相同。如一個(gè)配置三臺(tái)500冷噸的冷機(jī)和一次泵變流量系統(tǒng)的冷凍站，安裝和啟動(dòng)費(fèi)用在90,000美元到140,000美元之間。(這些費(fèi)用用于安裝新的BAS，并預(yù)留冷機(jī)的接口。如果需要變更已有的BAS，增加冷機(jī)接口，用于改造的費(fèi)用可能會(huì)更高)。此外，根據(jù)供應(yīng)商提供的持續(xù)服務(wù)內(nèi)容，如軟件更新或在其他主設(shè)備上實(shí)施，每年的維護(hù)費(fèi)用平均為15%。

　　對(duì)系統(tǒng)的方案進(jìn)行比較選擇時(shí)，通過親自演示或印刷文稿的方式將有助于業(yè)主了解能源優(yōu)化系統(tǒng)的的服務(wù)內(nèi)容及范圍。需考慮的點(diǎn)如下：

　　當(dāng)業(yè)主優(yōu)先考慮長期運(yùn)行的成本節(jié)約而不是初投資時(shí)，冷機(jī)能源優(yōu)化系統(tǒng)是值得投資的。以三臺(tái)500冷噸的冷機(jī)為例，假設(shè)系統(tǒng)全年運(yùn)行，電費(fèi)比國家標(biāo)準(zhǔn)高10%，簡單的投資回報(bào)周期為三到四年。

　　有許多的系統(tǒng)安裝后，業(yè)主非常滿意，但也有失敗的案例。咨詢工程師需要評(píng)估冷站的容量、預(yù)期投產(chǎn)時(shí)間以及電力價(jià)格的優(yōu)先級(jí)，據(jù)此向業(yè)主提供建議。工程師還應(yīng)利用業(yè)主的影響力，與BAS和能源優(yōu)化系統(tǒng)工作人員一起完成系統(tǒng)的安裝部署。