住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现(精)

住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现 1 1 引言引言 建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例 在一些发达国家 其比例有的已达 到 40 我国作为一个发展中国家 近年来建筑能耗所占的比重也越来越大 业已占到全 国总能耗的 20 左右 这其中更有 85 的是用于建筑的采暖和空调 1 由于我国用于发电 的一次能源在多为原煤 原煤发电约占总量的 75 左右 而原煤属于不清洁能源 其在 开采 运输 使用过程中都会对环境造成极大的污染 因此 做好建筑能耗的优化管理就 可达到节约能源和保护环境的双重目的 住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水 以满 足用户空气调节的需要 由于集中供冷的规模效应 使得它在防止大气污染 提高能源利 用率 有效利用空间 全国各地和资金 美化城市形象等方面具有十分突出的优点 非常 符合绿色建筑 健康住宅的健康 舒适 节能 环保的要求 因而有着重大的经济效益和 社会效益 是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势 由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂 因此对其进行优化管理必须引进系统工程的 概念 不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑 而应该全面考虑技术 经济 环境 人文等多方面因素 基于以上这种理念 我们经过大量的工作后 提出了基于网络技术 的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径 该系统充分利用控制 计量 废热利用等多 种手段 对住宅小区集中供冷系统的设计 建造 使用等过程进行全程优化管理 2 2 集中供冷优化管理系统集中供冷优化管理系统 本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分 住宅小区集中供冷冷 源决策系统 住宅小区集中供冷最优设计系统 集中供冷系统与人工景观相结合的技术 住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统 2 1 住宅小区集中供冷冷源决策系统住宅小区集中供冷冷源决策系统 2 传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析 而不涉及复杂因素的相互 影响 由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统 其最优性受到技术 经济 环境 文化等多个方面的制约 因此 仅仅只从某个方面进行分析 肯定不能得出一个满意的结 果 本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家 T L Sady 教授在 20 世纪 7 0 年代提出的层次分析法 Analytical Hierarchy Process 简称 AHP 对住宅不区的集中供 冷冷源进行决策 层次分析法是一种把数据 专家意见和分析人员的判断有效结合的方法 是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法 它把一个复杂的问题分解成各组成 因素 然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性 由于住宅小区集中供 冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点 如系统对环境的影响以及系统的可靠性等 因此 层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程 2 2 住宅小区集中供冷最优设计系统住宅小区集中供冷最优设计系统 3 冷源形式确定后 利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计 该系统 采用计算机模拟分析的方法 以整个集中供冷为其优化对象 它首先对住宅小区集中供冷 的全年能耗按变基准温度度日法进行预测 然后采用寿命周期费用 Life Cycle Cost 简 称 LCC 分析法对整个集中供冷系统进行经济分析 从而得出冷源以及冷水输配系统的最 佳配置 冷水的最优供回水温差等 2 3 集中供冷系统与人工景观相结合的技术集中供冷系统与人工景观相结合的技术 3 随着人们生活水平的提高 人们对环境的要求也越来越高 在一些住宅小区中 喷泉 和人造瀑布等人工景观随处可见 集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声 且其形 象与周围环境也极不协调 因此 我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对 循环冷却水进行冷却的方案 图 1 和图 2 采用这种方案后 可以达到美化环境 改善小 区微气候 减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的 从而使得集中供冷系统对 小区环境的影响降到最小 图 1 喷泉冷却方式 图 2 人工瀑布冷却方式 通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明 经过精心的设计 完善的运行管 理 巧妙的布局 将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的 2 4 住宅小区集中供冷协调控制系统住宅小区集中供冷协调控制系统 4 集中供冷系统可以分为四个部分 冷源 冷却水系统 冷水系统和末端用户 由于受 计算机技术 通信技术 电子技术等科学的限制 传统的集中供冷系统一般采用和设备单 体控制的方法 即系统中每个部分的控制都是各自为政 没有考虑集中集中供冷中各个部 分之间的相互影响 每个部分都有着自己独立的控制方案 而不是从系统的整体出发 没 有一个统一的最优控制方案 另外 其每个部分的控制方案都是一成不变的 都是建立在 一些凭经验建立的数学模型上 而没有考虑到具体系统的不同 与传统的控制方案不同 集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统 除开末端用户 部分 作为自己的优化控制目标 不再只是孤立地对各个部分进行控制 而是充分考虑到 各个部分之间的相互影响 在集中供冷协调控制系统中 它不仅利用最新的计算机通信技 术把整个系统有机的联合起来 而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最 优化的处理 最后 它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状 况下运行 2 5 住宅小区集中供冷自动计费系统住宅小区集中供冷自动计费系统 5 在我国 由于各方面的原因 现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方 法 该方法存在着许多的弊端 造成了能源的大量浪费 由于集中供冷计费能够将用户的 自身利益与其能量的消耗结合起来 这势必会增加用户的节能意识 推动节能工作的良性 向前发展 并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善 因此 在集中供冷的住宅小区 中必须进行分户计费 通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后 我们提出了一个基于公平的集中供 冷计费方法 该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响 因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷 增加计费的公平性 在此基础上开发集中供 冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量 并可根据积压用户的围护结构对其消 耗的冷量进行自动调节 采用住宅小区集中供冷自动计费系统后 可以促进用户更加主动地节约能源 从根本 上杜绝集中供冷能源的人为浪费 3 3 集中供冷优化管理系统的网络实现集中供冷优化管理系统的网络实现 通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析 集中供冷优化管理系统采 用 LonTalk 作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统 集中供冷协调控制 系统 集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统 LonWorks 现场总线拓扑结构灵活多变 可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接 方式 具有高度的可靠性 较好的可维护性和扩充性 在 LonWorks 现场总线中 由于采 用统一的数据结构 网络变量 各类设备采集的数据可以共享 因此能节约大量的设备费 用 建立在 LonWorks 现场上的 LonTalk 是一种开放性通信协议 遵守协议的设备和系统 可以直接互连 组成无主站点对点的分布式网络 由于 LonTalk 通信协议已被子世界上 30 00 多家著名企业采用 使得其已成为事实上的行业标准 集中供冷优化管理系统可能通过 Internet 与外界联系 这使得决策人员 操作人员和 管理人员可以集中供冷系统进行远程监控 当系统出现故障时 维修人员可在千里之外对 其进行处理 因而能节省大量的人力和物力 图 3 图 3 集中供冷优化管理系统 在集中供冷优化管理系统中 我们采用密套接字协议层 Security Socket Layer 简称 S SL 技术来保证系统的安全性 允许客户 服务器应用程序之间的通信不会被偷听 篡改和 伪造 协作管理环境 Cooperation Management Enviroment 简称 CME 软件功能模块包括 电子白板 基于 Web 的访问工具 多媒体数据存储 文本信息交流工具和传输工具 通过 这些工具 监控人员即使在千里之外 也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺 4 4 应用实例应用实例 应深圳市某单位的要求 我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳 市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计 该住宅小区位于深圳市区 预计住户总数 将达到 31240 户 根据该小区的规划 我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷 其 中 系统 A 共有住户 13337 户 系统 B 共有住户 8691 户 系统 C 共有住户 9212 户 以下是我们为该小区设计的集中供冷系统部分方案 1 集中供冷冷源使用的能源 可以分为电力方式 热力方式和混合方式 其中热力 方式包括燃气 燃油 燃煤 外部供汽四种情况 混合方式指电力与热力兼有的方式 与 以上三种能耗方式对应 集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式 或螺杆式 制冷机 和吸收式制冷机 包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机 根据本文提出的集中供 冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策 考虑到设备的初投资 包括增容费 运行费用 与当地的电价 燃油价 天然气价等密切相关 工作可靠性 对环境的影响等几个方面的 因素后认为 在该小区的集中供冷系统中采用燃油价 天然气价等密切相关 工作可靠性 对环境影响等几个方面的因素后认为 在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具 有最佳的经济和环境效益 2 由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大 这就使得冷水输送系统的消耗 的能量非常大 而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大 通过对整个系统的优 化分析 发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时 可以提高整个集中供冷 系统的经济性 经过详细计算确定 该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为 T 8 9 3 为了进一步美化该住宅小区的环境 我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔 对循环冷却水进行冷却的方案 具体方案为 在喷泉 瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水 填料 在填料的下部安装有风机 这样就形成一个降低水温用的冷却构筑物 其中 风机 用来加大通风量 而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜 以增大水与空气 的接触面积和延长两者的接触时间 从而加强水与空气的热湿交换 水的冷却过程主要是 在淋水填料中进行 4 小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量 冷冻水流量 冷却水入口温度 冷冻水出口温度 冷却水塔风机功率及开启台数 冷却水泵功率及开 启台数 冷冻水泵功率及开启台数 机组的能耗量 燃料量或耗电量 等参数后 在中央 控制计算机上运用人工智能方法对这些参数进行优化组合 以求出整个集中供冷系统在当 前负荷下的最优状态设定点 然后将优化后的系统控制变量再传送到系统中各设备的现场 执行器 从而达到最大限度地节约能耗的目的 5 集中供冷冷水输送系统采用二次泵分散的变流量系统 对各个分散二级泵的控制 采用开度法进行控制 即根据各自系统内各个控制阀的开度来对变速水泵进行控制 具体 步骤如下 当本系统中所有末端设备的控制阀没有一个处于全开时 且此时系统内所有的 负荷都得到满足时 则水泵慢慢降低速度 当本系统内有负荷没有得到满足 且此时该末 端设备的控制阀处于全开时 则慢慢加大水泵的转速 当本系统中末端设备的所有控制阀 有一个或多个处于全开时 且此时系统内民有的负荷都得到满足时 则水泵速度维持不变 6 集中供冷自动计费系统采用三级结构 计费管理主机 区域管理器和现场数据采 集器 计费内部采用 RS 485 通讯总线 计费管理主机总共可管理 32 台区域管理器 每台 区域管理器可以连接 255 个现场数据采集器 而每个现场数据采集器可对 4 位住户进行管 理 即一个计费系统总共可对 30000 多个用户进行管理 考虑到具体的安装条件和小区建