K暖通智能控制系统之应用.docx
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K暖通智能控制系统之应用
K2000暖通智能控制系统的工程应用
一、引言
随着第三次工业革命给人类物质财富带来的巨大贡献，人类同时也面临这一个更加严峻的课题—能源危机日益突出。
改善室内环境的暖通空调能耗占建筑总能耗的30%~50%，个别情况甚至高大70%。
因此，暖通空调系统是否高效节能对建筑的使用者至关重要，它可能影响一个企业在市场竞争中的地位，可能影响企业的经济收益，甚至会影响一个企业能否生存（比如酒店、商场、休闲娱乐场所等）。
全体暖通工作者肩负一个重要的使命—如何为客户设计制造一个性能舒适、能耗相对较低的经济合理暖通空调工程。
节能新技术的研究和采用在现代化的空调建筑中就显现得非常重要。
无数工作者投入了毕生精力来研究开发高性能的空调主机、末端设备；采用保暖性能高的新型建筑材料、介质输送管材；高性能电机；低品位能源回收技术等等。
这方面工作代价巨大，且可挖潜力非常有限，而采用合理的控制方式，根据使用情况降低额外损耗在国内还有很多工作需要做。
目前国内外众多暖通空调耗能设备中，为系统提供冷热源的制冷机组、锅炉等设备本身已经设置了根据实际使用量进行控制调节的装置，但在空调能耗中占50%~60%的介质输送动力设备（循环水泵、风机、冷却塔）本身则不具备控制调节的能力。
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近年来国内不少项目引进了西方基于工业控制技术的一些产品来实现楼宇设备的集中控制，从一定程度上这些产品也达到了节能的目的。
但由于这些产品的关键技术由国外产品制造商控制，其总体使用效果并不理想。
一方面由于其产品的制造技术基于工业控制而产品，应用在暖通空调系统中的针对性不强导致最终达到的节能效果有限；另一方面由于其运行使用对管理者的专业技能要求很高，导致众多的项目在过了设备质量保证期后就形同虚设。
K2000暖通智能控制系统正是在这样的条件下应运而生的。
它基于对空调系统动力输送设备和空调末端设备各种使用条件变化进行节能控制的思路进行设计的，仅实实在在节省了大量使用能耗，而且还解决了常规设计方案中不可避免的系统缺陷。
例如：
空调区域之间负荷转移、部分负荷下系统低温差运行、气流组织随使用季节变化、变水量调节水系统阻力失衡、多泵水系统部分运行时过流、设备型号与实际需求差别、设备随使用年限加长效率降低等一系列问题。
二、K2000暖通智能控制系统与传统控制方式的区别
（一）与普通变频调速器的区别
◆普通变频调速器主要用于交流电机的无级调速，只是交流电机无级调速的执行机构，不能完成交流电机的无级自动调速；
◆普通变频调速器不能满足暖通空调中电机的特殊需要，不能优化用于暖通空调中电机的无级调速；
◆普通变频调速器的功能和资源极其丰富，暖通空调中电机的无级调速只使用普通变频调速器诸多的功能和资源中的一部分；
◆普通变频调速器用于暖通空调电机时，必须能够完成暖通空调目标参数（温度、压力、流量、湿度等）的自动控制（闭环控制）；
◆普通变频调速器用于暖通空调电机的自动控制时，必须另外配置许多暖通空调自动控制的硬件和软件。
◆K2000暖通智能控制系统是在“惠丰”F1500风机水泵专用变频调速器的基础上，根据暖通空调专业的特殊需要，进行二次开发，专门用于暖通空调电机的高度智能化的控制系统；将暖通空调电机的变频、计算、控制一体化；
◆K2000暖通智能控制系统能够完成暖通空调目标参数（温度、压力、流量、湿度等）的自动控制（闭环控制）；
◆K2000暖通智能控制系统不改变原有暖通空调、电气系统和结构。
◆K2000暖通智能控制系统充分利用F1500风机水泵专用变频调速器内部资源，利用软件实现硬件的功能，从设计决策上保障了系统的可靠性和稳定性。
◆K2000暖通智能控制系统充分考虑和体现：
1、设计、安装、调试、使用等人员的各种要求；
2、各种不同类型空调机组和水泵的制造和运行特性；
3、空调主机、空调水泵、冷却塔、空调机组等暖通空调主设备的相互连贯和制约特性；
4、技术人员、管理者、使用者等的各种权限和“傻瓜”级内涵。
◆普通变频调速器用于暖通空调电机时：
1、不能有效达到温度、压力、流量、湿度等的自动控制；
2、只能浅显和有限地降低暖通空调中风机水泵能耗，但不能全面降低暖通空调能耗；
3、不能满足空调主机、空调水泵、冷却塔、空调机组等暖通空调主设备的特殊需要，有可能会导致暖通空调主设备的损坏；
4、不能有效降低暖通空调管理的人力成本。
（二）与基于工业控制的楼宇自控系统（BAS）的区别
◆BAS系统是一个大系统，着眼点为整个集中运行管理、数据保存、远程操控；
◆BAS系统的重点是控制点的操作和反馈，在控制理论上基本上是点对点的控制逻辑，很难实现暖通空调系统中相互制约的控制变量之间的内在联系；
◆BAS系统对暖通空调系统中占总能耗50%~60%输送动力的能耗的节省考虑得很少，大部分BAS系统中无对循环水泵和风机的调速控制，即使少部分项目对此采取了一些措施都是简单利用变频调速器的内置PID调节功能实现变速输出很难达到动力能耗的高效节省；
◆BAS系统工程涉及到综合布线；
◆经过国内大量实践证明BAS系统存在如下问题：
1、由于是一个大系统，造价昂贵；
2、不能解决许多中国特有的暖通空调问题（如：
噪音）
3、控制过程不直观，使用者往往对其不了解，控制设备形同虚设；
4、系统设计、安装、调试、使用和维护过于复杂,所以许多BAS系统“带病”投入运行，造成后期存在大量问题，如：
寿命短、控制失灵等；
◆K2000暖通智能控制系统是一个小系统，着眼点为暖通空调系统局部设备的独立运行调节；
◆K2000暖通智能控制系统着重解决暖通空调动力输送设备的运行工况与室内环境的动态变化关系，针对性的发掘能源浪费的内因，从而在运行控制的过程中发挥更大的节能潜力；
◆K2000暖通智能控制系统以每一个控制局部带动整个大控制系统的良好运行；
◆K2000暖通智能控制系统主要对空调机组采用变风量加变水量结合的控制、对空调水泵采用变流量加压差旁通阀变水量结合的控制、空调主机采用台数控制；
◆K2000暖通智能控制系统从理论和实践上解决了暖通空调的控制和节能完美结合的问题；
◆K2000暖通智能控制系统工程不涉及到综合布线；
◆经过国内大量实践证明K2000暖通智能控制系统解决了BAS系统存在的问题。
1.由于是一个小系统，造价适中；
2.能解决许多中国特有的暖通空调问题（如：
噪音）
3.控制过程直观，使用者不需要对其了解，即能很好使用；
4.系统设计、安装、调试、使用和维护简单,寿命长、控制灵活；
5.对输送动力设备（风机水泵电机）能进行有效的保护。
三、K2000暖通智能控制系统的节能原理
（一）空调机组恒温型
根据中央空调设计要求，空调机组的输入参数（空调机组电机功率等）及输出参数（冷量、风量等）的选择必须满足设计工况（最不利工况）的要求。
但在实际运行过程中，大部分时间的室内负荷远远低于设计工况，从而造成系统设备的各输出参数过剩。
若不针对以上情况进行调节一方面造成空调房间温度失控，另一方面造成系统设备动力设备功耗浪费。
K2000空调机组智能恒温控制系统就是通过对空调房间或空调通风系统回风温度的监控，自动PID调节电机输入频率减少因负荷降低而不必要的空调送风量，从而节省了减少的风量所需要的循环动力能耗。
资料显示大多民用中央空调系统年平均负荷只有系统设计负荷指标的50%，当全空气系统水量恒定的情况下通风量下降至50%时，其全热输出下降至70%，但为了保证室内通风气流组织，通常系统下限风量（频率）设定为60%，全年平均流量为额定流量的70%。
根据以上数据和流体力学原理，在循环风量为额定风量的70%左右，K2000空调机组智能恒温控制系统节能效率达65%。
（二）空调机组恒压型
大多数情况下运用于中央空调全空气系统中一个空调系统不同使用功能区域负荷分布差别较大和使用时段不一致的场合。
根据中央空调设计原则，空调机组风机功率必须在理论计算功率的基础上附加安全系数；而对于运用与洁净空调系统的空调机组更是要考虑洁净设备脏堵严重的情况下风机功率仍能满足送风要求。
因此，在实际运行过程中，大部分时间的风机的额定功率对系统总需求过剩。
若不针对以上情况进行调节一方面造成空调房间风量、噪音等指标失控，另一方面造成系统设备动力设备功耗浪费。
K2000空调机组智能恒压变频控制系统通过对空调通风系统静压的监控，自动PID调节电机输入频率（系统表象为调节风机输出风量），从而达到空调房风量和空调风机节能的目的。
一般中央空调设计原则是风机额定功率必须在理论功率的基础上附加15%~20%的安全系数，而洁净空调系统在洁净设备脏堵情况下的功率消耗比正常情况下高30%~40%。
因此，即使不考虑送风区域的变化，根据流体力学原理，K2000空调机组智能恒压控制系统节能效率达40%~52%。
（三）空调机组恒温变风变水量型
空调机组恒温变风变水量型的节能原理与空调机组恒温型的节能原理相同，其控制目标均是空调环境的温度，只是由于对环境湿度、通风换气的特殊要求调节对象除空调机组的循环风量外还有循环水量。
空调机组恒温变风变水量控制系统的空调机组循环风量和循环水量实现一体化控制，无须外设其他控制设备，保证其内在的调节关联。
（四）空调机组恒压恒温恒湿型
空调机组恒压恒温恒湿型的节能原理与空调机组恒压型的节能原理相同，对空调机组本身动力能耗相关联的控制目标均是空调系统风压，只是由于空调环境对空调机组控制的多样性要求调节对象除空调机组的循环风量外还有循环水量、加湿量等。
空调机组恒压恒温恒湿控制系统的空调机组循环风量、循环水量和加湿量实现一体化控制，无须外设其他控制设备，保证其内在的调节关联。
（五）空调水泵恒温差型
与中央空调空调机组相同，在工程设计过程中，由于中央空调主机和相应的循环水泵都必须按照最不利条件来进行选择。
在系统运行的大部分时间内，由于系统所需制冷制热负荷低于额定值，若水泵不能根据系统负荷进行调节就会导致系统供回水温差降低（实际运行的工程也表明，大多数情况下分集水器供回水温差只有2℃左右），一方面温差太低将降低换热器的换热效率；另一方面低温差大流量的运行会大量浪费水泵能耗。
K2000空调水泵智能恒温差控制系统就是通过对空调系统供回水温度的自动监测，自动PID调节水泵电机输入频率减少因负荷降低而不必要的循环水量，从而节省了减少的循环水量所需要的循环动力能耗，达到供回水温差恒定的控制目的。
资料显示大多民用中央空调系统年平均负荷只有系统设计负荷指标的70%，而一般空调机组换热器水量量下降至50%时，其空调全热输出下降为70%，潜热输出下降为30%。
正常情况下当夏季系统空调负荷下降为70%时，室外空气含湿量已不太高，对于对湿度要求并不太高的民用中央空调系统，其循环水流量下降到50%以下并不存在太大的问题。
但为了保证空调系统中部分空调机组关闭后不对其他机组产生太大的影响，通常系统下限流量（频率）设定为70%，年平均流量为系统额定流量的80%。
根据以上数据和流体力学原理，在水泵循环流量为额定流量80%时，K2000空调水泵智能恒温差控制系统节能效率为48%。
若考虑在工程设计过程中循环水泵电机功率的安全系数，则实际节能效率能达到60%以上。
（六）空调水泵恒压差型
空调水泵恒压差控制系统使用于使用侧变流量系统中，末端空调设备设置电动调节阀。
当房间负荷下降时，末端设备空调设备电动阀会关小或则关闭。
而中央空调系统设计原则是循环水泵的输出功率必须满足所有末端空调设备电动阀全部完全开启时的压力需求，实际使用过程中由于末端空调设备电动阀门开启数量和程度的变化导致水系统供回水压力发生变化。
若水泵不能根据系统负荷变化自动调节一方面会导致系统压差过大使未调节阀门的末端流量增加，从而产生水力失调；另一方面低温差大流量的运行会大量浪费水泵能耗。
K2000空调水泵智能恒压差控制系统就是通过对空调系统供回水压差的自动监测，自动PID调节水泵电机输入频率祛除因末端阀门关闭或关小而过剩的循环流量，从而节省了减少的循环水量所需要的循环动力能耗，达到供回水压差恒定和末端水力平衡的控制目的。
K2000空调水泵智能恒压差控制系统的节能效率取决于实际工程中同时使用设备的数量占总数量的比例，但广大工程实践表明其综合节能效率达40%以上。
K2000空调水泵智能恒压差控制系统综合节能效率相对于K2000空调水泵智能恒温差控制系统节能效率低是原于在使用K2000空调水泵智能恒压差控制系统控制空调水泵流量的过程中还必须考虑制冷机组的运行安全要求等因素（由于篇幅限制在此不做详细解释）。
（七）换热站智能供回水恒温型
换热站智能供回水恒温型的节能原理与空调水泵恒温差型相同，对循环水泵本身能耗节省相关联的控制目标均是循环水供回水温差，只是由于换热站智能供回水恒温控制型运用与换热站时不仅控制循环水流量，还必须根据循环水出水温度来控制高温热源的消耗量。
换热站智能供回水恒温控制系统的循环水泵流量和高温热源消耗量实现一体化控制，无须外设其他控制设备，保证其内在的调节关联。
（八）换热站智能供水恒温供回水恒压差型
换热站智能供水恒温供回水恒压差型的节能原理与空调水泵恒压差型相同，对循环水泵本身能耗节省相关联的控制目标均是循环水供回水压差，只是由于换热站智能供回水恒温控制型运用与换热站时不仅控制循环水流量，还必须根据循环水出水温度来控制高温热源的消耗量。
换热站智能供水恒温供回水恒压差控制系统的循环水泵流量和高温热源消耗量实现一体化控制，无须外设其他控制设备，保证其内在的调节关联。
四、K2000暖通智能控制系统的使用前景
建筑名称
A宾馆
B宾馆
C宾馆
C宾馆
E宾馆
空调区域总面积
100000
80000
33000
60000
37000
用电指标kwh/m2
86
71
66
42
47
冷机
26%
25%
37%
36%
30%
冷冻泵
8%
11%
12%
8%
12%
冷却泵
9%
5%
8%
8%
9%*
采暖泵
5%
9%
11%
5%
10%
冷却塔
2%
1%
3%
3%
0%
空调箱
38%
39%
23%
35%
34%
风机盘管
12%
10%
6%
5%
5%
第一步，我们来简要分析以下常规空调系统中各部分设备在整个系统中能耗分配比例。
下表是有关人员对北京具有代表性的五座星级宾馆空调系统用电情况的统计数据，简单分析我们可以看到，空调系统中除中央主机以外的输送能耗占总系统能耗的60%以上，根据系统实际负荷需求进行节能控制的重要性决不亚于中央主机。
第二步，我们来研究一下典型暖通空调负荷变化情况。
一般办公建筑，运行时间最长的情况在50%设计负荷左右工况，年度平均负荷不足50%；旅馆建筑，年均负荷为最大负荷的50%左右，日平均负荷仅有日高峰负荷的60%左右，即年平均使用负荷不足设计工况负荷的40%，并且所有的旅游宾馆开房率随季节变化差别较大，非旅游高峰期开房率都普遍较低，实际消耗负荷将更低；商场建筑，影响空调负荷的关键因素是客流量大小，如图所示日平均客流量和年均客流量均为设计客流量的80%左右，即人员负荷平均值也仅为设计负荷的65%左右。
通过以上典型建筑负荷变化情况分析，空调建筑空调系统大部分时间处于部分负荷状态下运行，且年平均负荷低于设计工况很多，对系统输送设备和空调末端设备等根据空调负荷变化调节输送介质流量而调节能耗的潜力非常巨大。
第三步，我们来研究空调末端设备随空调负荷变化调节介质流量的可行性。
附图左是空气处理设备（AHU）随风量改变其输出热量的变化关系。
大家可以看到，当空调机组风量改变时，其全热变化并不是等比下降，当循环风量下降至50%时，其热量输出为额定值的70%，而当系统负荷下降为50%时，其风量为额定风量的30%。
说明随输出热量改变其风量可调节性能较好，风机电功率节能潜力较大。
附图右是空气处理设备（AHU）随水流量改变其输出热量的变化关系。
大家可以看到，当空调机组循环水流量改变时，对其显热变化和潜热变化的影响程度是不一致的，当循环水流量在80-100%之间变化时，其显热量输出值基本不改变，当显热输出下降为50%时，其水流量仅为额定流量的20%，而潜热输出量的变化基本与水流量成正比，下降趋势非常明显。
可看到对系统湿度要求不太严格的情况随热量变化调节循环水流量的潜力也非常大，但对潜热负荷比例较高的系统水流量调节应谨慎。
第四步，我们来研究目前全国用电形式和暖通空调在国民电量消耗中的总量情况。
到2003年底全国城市既有建筑面积为141亿m2，其中住宅面积89亿m2，公共建筑和工业建筑面积52亿m2。
采暖空调能耗占总建筑能耗的55%，全国各电网空调冷负荷达4500万kw，相当于2.5个三峡水电站满负荷出力。
随着空调制冷的日益普及，预计到2010年全国制冷电力高峰负荷将增加一倍以上，即相当于5个三峡水电站满负荷出力，到2020年全国制冷电力高峰负荷再翻一番，达到10个三峡水电站满负荷出力。
多数电网负荷连续创历史新高，至少10个以上省市不得不限电拉闸，企业蒙受巨大经济损失，家庭苦不堪言。
尽管国家投入大量资金来建设电站和电网，但全国用电紧张的局势暂时很难得到缓解。
下面是北京市近几年的电力负荷和制冷电力负荷增长状况。
随着全国电力局势的紧张，国家相关部委已经发布了众多的技术规范了行政令，重点强调暖通空调节能技术的推广应用，因此能解决暖通空调系统重要能耗节约的K2000暖通智能控制系统将大有前途。
五、K2000暖通智能控制系统的使用场合
总体来讲只要有采暖、通风、空气调节系统的建筑都是K2000暖通智能控制系统的应用对象。
从发挥巨大经济潜能情况来讲公建项目如办公、商业、酒店、写字楼、运动场、休闲娱乐建筑以及工业建筑是K2000暖通智能控制系统运用的重点。
下面从各个系列在暖通建筑中具体环节的使用做详细划分。
（一）空调机组智能恒温控制系统
该系列主要使用与空调使用负荷变化范围较大的空调系统的变风量机组或分段组合式空调机组。
例如：
酒店写字楼大堂、办公会议室、商场、超级市场、体育场管的等待厅等等。
这种场所的空调负荷变化与人员活动量有极大关联，而人员的数量变化是非常频繁且变化范围大，人员滞留之间相对较短。
使用空调机组智能恒温控制系统可以在很大范围内调节空调送风量，节能意义明显。
（二）空调机组智能恒压控制系统
该系列主要使用与空调使用区域变化范围较大的空调系统的变风量机组或全新风机组以及空调系统对送风量控制要求较高的风机。
例如：
酒店写字楼标准层新风、教学实验楼空调系统、休闲娱乐场所新风、洁净空调系统、与前列建筑空调系统配套使用的房间排风系统、地下车库的排风等等。
这种场所的风机运行风量与建筑各部位的使用情况变化有极大关联，而使用情况变化是非常频繁且变化范围大。
使用空调机组智能恒压控制系统可以在保证在用部位空调通风需求的前提下很大范围内调节风机风量，节能意义明显。
（三）空调机组智能恒温变风变水量控制系统
该系列主要使用与空调使用区域变化范围较大，空调场所对通风换气量要求相对较高的空调系统的变风量机组或分段组合式空调机组。
例如：
展览馆、宴会厅、影院运动场所的观众厅、车站机场的等待厅等等。
这种场所的风机运行风量与建筑各部位的使用情况变化有极大关联，而使用情况变化是非常频繁且变化范围大。
使用空调机组智能恒压控制系统可以在保证在用部位空调通风需求的前提下很大范围内调节风机风量，节能意义明显。
（四）空调机组智能恒压恒温恒湿控制系统
该系列具有强大的控制功能，能同时控制温度、湿度和风量，主要使用与洁净场所的变风量机组或分段组合式空调机组。
例如：
手术室、医药车间、电子厂房、食品车间等场所。
这种场所对风机运行风量要求极高，同时也需要精确的温湿度控制。
使用空调机组智能恒压恒温恒湿控制系统是为了满足工艺需求，控制的意义明显高于节能的意义，但与常规的洁净空调控制手段仍具有较大的节能效果。
（五）空调水泵能恒温差控制系统
该系列是因为空调水系统消耗热量的变化导致循环水温差缩小，应用该系列产品能达到高度的运行节能目的。
它适合与所有空调制冷系统的冷却水泵控制，也适合空调水系统末端定水量控制的冷冻水泵控制（由于现行设计规范对运行节能要求较严格，所以在新建项目中空调水系统末端采用定水量控制的已不多见，因此空调水泵恒温差控制系统应用于冷冻水泵基本上是在用的老项目）。
由于建筑空调负荷的变化和冷却水温差的变化基本是线性关系（在不受控的前提下），而空调制冷系统的冷却水系统管路简单对冷却水流量的控制只考虑制冷主机的热交换问题，因此使用空调水泵恒温差控制系统来控制冷却水泵的运行具有极大的节能意义，通常的使用项目节能效率都在50%以上。
（六）空调水泵能恒压差控制系统
该系列是应用制冷空调系统冷冻水系统内在运行机理，当空调水系统末端采用变水量控制时，随建筑空调负荷变化进入末端的水流量改变而导致空调冷冻循环水系统压力变化，而温差的变化则不明显。
传统的控制方式是在冷冻循环水系统的分集水器或供回水总管间加设旁通调节阀，当进入末端的水流量减少时其他水流量通过旁通直接流回水泵吸水侧而水泵始终按最大流量运行导致大量水泵能耗白白浪费。
使用空调水泵恒压差控制系统后，控制系统能根据末端水流量变化后的压差反馈自动调节冷冻水泵的运行流量，从而使水泵的实际运行功耗大大节省。
因此空调水泵恒压差控制系统几乎能使用于当前所有空调制冷系统的冷冻水泵控制。
（七）换热站智能供回水恒温控制系统
如控制节能原理所述，该系列与空调水泵恒温差控制系统的差别在于它同时控制了高温热源的消耗量，因此它适合与所有与空调水泵恒温差控制系统在动机使用热交换器的场合。
（八）换热站智能供水恒温供回水恒压差控制系统
如控制节能原理所述，该系列与空调水泵恒压差控制系统的差别在于它同时控制了高温热源的消耗量，因此它适合与所有与空调水泵恒压差控制系统在动机使用热交换器的场合。
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