智能化用电管理系统(空调部分)市场技术详细调研报告资料

1、文件名XX细分市场技术详细调研报告生效日期XX/XX/XX文件号FPI/版本号A密 级秘密页 码 智能化楼宇自控产品市场技术详细调研报告日期版本号编写者(修改者)审核备注2014-7-16A覃智2014-8-17B覃智目录目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc396082478 1 概况 PAGEREF _Toc396082478 h 2 HYPERLINK l _Toc396082479 2、技术现状与对比 PAGEREF _Toc396082479 h 3 HYPERLINK l _Toc396082480 3、技术详细 PAGEREF _Toc396082

2、480 h 3 HYPERLINK l _Toc396082481 3.1空调制冷的原理 PAGEREF _Toc396082481 h 5 HYPERLINK l _Toc396082482 3.3智能化产品监控原理 PAGEREF _Toc396082482 h 6 HYPERLINK l _Toc396082483 3.4压差旁路调节原理 PAGEREF _Toc396082483 h 6 HYPERLINK l _Toc396082484 3.5冷水机组的节能技术-流量控制技术 PAGEREF _Toc396082484 h 7 HYPERLINK l _Toc396082485 3.

3、6水泵变频控制和大流量小温差技术 PAGEREF _Toc396082485 h 9 HYPERLINK l _Toc396082496 4、技术对比 PAGEREF _Toc396082496 h 18 HYPERLINK l _Toc396082497 4.1、纵向比较 PAGEREF _Toc396082497 h 18 HYPERLINK l _Toc396082498 4.2、横向比较 PAGEREF _Toc396082498 h 20 HYPERLINK l _Toc396082499 5、结论与建议 PAGEREF _Toc396082499 h 20 HYPERLINK l

4、_Toc396082500 参考文献 PAGEREF _Toc396082500 h 20 TOC o 1-3 h z u 1 概况 1.1技术调研范围为建筑楼宇的客户提供空调节能技术服务，为建筑物的能耗管理提供科学的管理方式1.2冷水机组节能技术汇总 1空调制冷原理2智能化控制产品控制原理技术3智能化控制产品监控原理技术2流量控制技术3大温差，小流量与水泵变频节能技术节能效果计算公式： 节能率 = (A B) / A * 100% A = 去年相同时间段未改造前同比用电量 B = 今年相同时间段完成改造之后用电量 2、技术现状与对比国内有众多工控公司都有相应的楼宇智能化用电管理产品，并且都有

5、多种可选择的功能模块，但其对空调系统自动化的调节都是基于以下描述的具体技术。如CQI，研华BEMS,中电技术CET，北方德瑞等。3、技术详细3.1空调制冷的原理人工制冷是借助于一种专门的技术装置，通常是由压缩机、热交换设备和节流机构等组成，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，传递给温度较高的环境介质，得到人们所需要的各种低温。单级蒸汽压缩式制冷是目前采用比较广泛的一种制冷方式，它是利用液体汽化时需要吸收周围热量的原理，使得周围温度降低，进而起到制冷。对完成制冷循环来说，单级蒸汽压缩式制冷机由压缩机、冷凝器、节流机构及蒸发器这四大部件组成，使用管道将这四大部件连接成一个封闭的循环

6、系统，如下图所示压缩机：压缩机是制冷系统的心脏，它可以将低压的气体压缩成为高压的气体。压缩机首先吸入了低温低压的气体，然后便通过活塞将其压缩，之后排出高温高压的液体，从而提供动力给制冷剂，最终完成压缩冷凝膨胀蒸发的制冷循环。冷凝器冷凝器是制冷机完成制冷循环的主要换热设备之一，是制冷剂与冷却水之间进行热交换的装置。它通过冷却水流经冷凝器中的热交换管，能将管子中的热量以很快的方式传到管子附近的空气。节流机构节流机构不仅是一种热力装置，同时对流量也起到控制的作用。常用的节流机构有电子膨胀阀、热力膨胀阀、毛细管等。蒸发器蒸发器是制冷四大件中很重要的一个部件，低温的冷凝“液”体通过蒸发器，与外界的空气进

7、行热交换，“气”化吸热，达到制冷的效果。3.2智能化产品逻辑控制原理 PID算法即比例、积分、微分控制。由于其诸多优点，如结构简单，稳定性好，调试方便等从而成为工业控制的主要技术之一。经典PID控制算法主要用于以下情况，即当被控制对象不是很复杂，可以通过建立数学模型来对系统进行理论分析时，或是对象的各项参数可以以一定的方式进行量化时，则可以用传统PID控制规律 事实上，PID算法只是控制领域诸多算法中的一种，其性能并非优于其它算法。许多不同的算法理念及研究成果都应用到了实际的工程当中，有些可能完全替代PID算法，甚至优于PID算法。但是，PID算法作为一种基本算法，其应用己经比较成熟，有其广阔

8、的用武之地。一个传统的PID控制器结构如下图所示:PID控制器作为一种线性控制器，其最重要的一个输入参数就是误差: e(t)=r(t)一y(t)其中，r(t)系统的设定值，亦是期望值; y(t)是系统的反馈值，也是系统的输出值。对于计算机处理系统来说，反馈值一般还要经过A/D变化才能转换成计算机能接收的数据。 PID算法的表达式为: 其中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。 PID表达式中各校正环节的作用如下: 比例环节。比例环节用于成比例的反映误差信号e(t)。一旦有误差产生，就立即产生控制作用。当Kp较大时，可以很快的校正误差。但Kp太大，容易使被控制对象产生过冲，即

9、容易出现超调;于是系统又超相反的方向抵制超调，于是就出现正超调与负超调轮换出现，即产生振荡。当Kp太小时，则控制器对误差的反应会比较迟缓，控制效果将不明显。一般来说，在误差较大时，Kp也较大;误差较小时Kp也变小。积分环节。积分环节主要用于消除系统静态误差，提高系统的无差度。T越小，积分作用越强;反之积分作用越弱。积分环节亦可以抵制系统的超调与振荡。即系统的输出量只能在积分时间不内增大或是减小。T越大，积分作用亦越弱，被控制量在较长的不时间内缓慢上升或是下降。过大的T会使得当系统在负载陡然变化时难以使系统回到稳定状态。 微分环节。微分环节反映了误差信号e(t)的变化趋势，并能在偏差信号变得太大

10、之前在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。例如，当积分时间太大时，系统会反应比较迟钝。这时，适当加大微分环节的作用，可以克服系统恢复滞后的问题。合理的选择微分作用，有得于系统的快速稳定。但同时微分作用也会放大干扰信号。3.3智能化产品监控原理冷水机组既承担了整个空调系统的冷负荷又消耗了空调系统大部分的能量，是空调水系统的一个重要设备。关于冷冻机的控制内容主要包括了冷冻机出水温度的控制和冷冻机运行台数的控制。冷水机组产出的冷冻水供给末端系统进行热交换，冷冻水吸热升温回到冷水机组重新制冷，这样就形成冷冻水的循环过程通过监控冷冻水回水温度、流量、压力检测和差压旁调

11、节、冷水机运行台数、循环水泵运行台数，来实现对冷水系统的控制从而满足需求并达到节能目的。需要监控的制冷系统运行参数有以下：冷水机组进水口/出水口温度，以了解冷水机组的制冷温度是否处在合理的范围2冷冻水供/回水流量，结合冷冻水的供回水温度，可以计算出空调系统工程的冷量，以此作为能耗计量和系统效率评价的依据，冷量计算公式如下：Q=CprVsTQ:热负荷(KW)Cp:定压比热(KJ/kg.)4.1868KJ/Kg.r:比重(Kg/m3)1000Kg/m3Vs:水流量(m3/h)T:水温差()T=T2(出入温度)-T1(进水温度) 3.冷水机组运行状态和故障检查，这两个参数可以从机组的显示面板上读取。

12、 4.冷冻水循环泵的运行状态，在水泵的配电柜安装接触器和水泵出水管上安装水流指示器，两者一同监测，水泵运行时，水流动时候水流开关迅速动作显示出水泵的工作状态3.4压差旁路调节原理此原理为冷冻水回路冷水机组侧恒流量与空调末端设备变流量运行，由于空调末端水流量常发生变化，但对于冷水机组来说，是不宜进行变流量运行的，冷水机组内部设有自动保护元件，水流量过小时，自动停止运行，保护机组。在冷冻水供回水管路之间设置旁通，同时根据末端流量变化来调节旁路流量从而抵消末端流量变化带来的影响，即用供回水之间的压力差来控制旁路上的电动二通阀的开度使得供回水之间的压力维持恒定，从而保证冷水机组在恒定流量的工作状态，下

13、图是示意图： 3.5冷水机组的节能技术-流量控制技术冷水机组一般都是按照满足最大负荷需求设计冷量的，然而系统满负荷运行的时间有限，其余时间段内机组并不是满负荷运行，这就要求我们选择合适的负荷来达到节能的目的。 当系统负荷的变化超过一台冷水机组的制冷量时，就需要对冷水机组做适当的启停控制。这一方面是系统热舒适性的要求，可以避免过冷、过热现象的产生，并可以降低冷机和相应水泵能耗;另一方面，积极的控制方案可以合理地安排各机组运行时间，有助于延长机组使用寿命，并提高设备利用率。 流量控制法用于一次泵变流量系统中时，可以通过测量系统总的循环水量并较之于冷水机组的额定流量，来决定冷水机组的运行台数。当流量

14、控制法用于二次泵系统时，其可以演变为旁通流量盈亏的控制方法，其一般做法为当旁通管内水量盈余(一次水量大于二次水量)大于单台机组额定流量的110%时，则关闭一台冷水机组及相应一次泵;当旁通内水量亏损(一次水量小于二次水量)达到单台机组额定流量的20%到30%时，则开启一台冷水机组及相应一次泵。一次泵冷水系统的流量控制可以参考旁通管流量盈亏的控制方法，但由于其用户侧水量不一可能大于机组侧水量，所以其启动指令可以设置为旁通管内无水量时。此外，也可根据旁通阀开度及其限位开关来实现机组启停控制;如当其开度达到90%时，关闭一台机组及相应一次泵，而当其开度达到10%时，则开启一台机组及相应一次泵;因为旁通

15、阀的开度能反映用户侧的实际水量需求，所以这种控制实质上也是流量控制的一种方式。技术优缺点优点：根据负荷情况自动控制冷水机组，冷冻水泵的运行台数，从而达到节能目的缺点：其控制过程复工作要求也高;另一方面，其缺备检测、系统调试等手段掌握一些实制方程和理想的控制效果，而且会增加系统前期投资，造成回收期增加，并且需花费一定时间精力现场跟进调试。3.6水泵变频控制和大流量小温差技术 目前，随着中国科学的不断发展，变频器的应用更加的广泛。无论是在工业的各种设备上，还是我们家庭用的各种电器上都会应用到变频器，如变频空调等家电产品。因此可以说，只要是有用到三相异步电动机的领域，同时就会有变频器的存在。水泵是中

16、央空调冷冻水系统最主要的设备之一。根据流体力学的相关理论知识可以得出，水泵流体的流量与泵的转速一次方成正比。 在上面的式子中：Q表示水泵的流量，Q。表示水泵的额定流量，n表示水泵的转速，n。表示水泵的额定转速。泵的转矩与泵转速的平方成正比，那么它的功率与转速的三次方成正比。 在上面的，P为水泵的功率，Po为水泵的额定功率。由此可知，若是转速减低，则电机的能耗会以它的三次方的速度降低。因此，变频调速的节能及其显著。可以通过阀门控制与变频控制的比较来分析能耗状况。 水泵的功率P=QH/1000。在此式子中，Q, H,分别表示水泵的流量、出口压力及总的效率。阀门/变频控制流量时，泵的压力与其流量的关

17、系如下图所示 由上图可知曲线1及曲线2分别代表水泵在不同转速下，压力、流量间的关系。曲线3及曲线4代表不同的网管阻力曲线。系统消耗的有效功率反映在网管阻力曲线相对应的压力H及流量Q，而泵的输出功率反映在水泵特性曲线上相对应的H及Q上，水泵的实际工作点就是两曲线的交点。假设水泵的额定工作点在A点，在降低流量时阀门开度也随之减小，由于受到节流的影响，泵后的管网阻力变大，水泵运行点沿恒转速曲线1的点A上升到点B，使得泵的出口压力增大，流量变小。若是用变频控制水流量时，因为阀门是处于全开的状态，改变的只是水泵的转速并没有改变泵后的网管压力，所以在水泵转速减小时，它的压力/流量曲线向下移动，运行点由点A

18、沿着网管阻力曲线4降到曲线2的C点，使水泵的流量变小，出口压力降低，节能部分如图中阴影部分的所示。变频调速有下列一些优点:1调速范围更广;2可以实现无级调速;3能实现对交流异步电机的软起动，减小了启动电流对电网的冲击。冷冻水泵将经过冷水机组处理过的冷冻水通过输水管道输送到空调的末端的风机盘管，起到空调房间降温的效果。冷冻水的流量正比于冷冻水泵的转速，当水泵电机的转速高时，冷冻水流过空调末端的风机盘管，没有充足的时间释放完所携带的冷量就回到制冷机组，这样电机做了很多无用功，浪费了能源。如果可以控制电机的转速，按照实际中负荷的多少来控制水的流量，使冷冻水在空调末端的设备中有足够的时间释放冷量，这样

19、就可以降低电机的能耗。通过以上分析，对冷冻水泵加装与功率容量相当的变频器来拖动水泵的运行。在保证主机冷冻水供水温度固定的基础上，通过检测冷冻水的回水温度。当回水的温度比设定值高时，表明空调末端的负载增大，则需增加冷冻水的流量;当回水的温度比设定值低时，表明空调末端负载减少，则需减少冷冻水的流量。这便是冷冻水系统跟踪空调负荷变化，实时的改变冷冻水流量的变流量节能原理。使用变流量冷冻水系统的目的之一就是要使冷冻水所载的冷量与不断变化的末端负荷所需的冷量相匹配，从而节约冷冻水输送环路能耗。根据负荷实际变化改变冷冻水的流量，并控制水泵转速，调节冷水机组启停，使冷水机组的供冷量满足空调房间实际负荷的需求

20、。水泵变频节能运用最适合“大温差，小流量”系统上，节能效果显著。大温差的目的是为了优化空调系统各设备间的能耗配比，在保证舒适度的前提下，减少冷量输配的能耗，减少冷却塔和末端空调箱的能耗，同时降低初投资。大温差可以在冷水侧，冷却水侧实现，也可以在空气侧实现。本文主要介绍冷水侧和冷却水侧的大温差。 在过去的 30 年中，随着冷水机组的技术改进和机载控制技术的革新，冷水机组的单位能耗大大下降，目前冷水机组的最高效率COP为7.8 (Trane ARI额定工况) 。过去通常一个冷站的年能耗中，冷水机组所占的比例为73%，冷水泵和冷却水泵所占的能耗为18%， 冷却塔所占的能耗为9%。如今的冷水机组，机组

21、的年运行能耗下降了，占机房年能耗58%，而冷水泵和冷却水泵（占26%）以及冷却塔（占16%）的相对占机房能耗的比例上升了。其实水泵和冷却塔的效率并没变差，只是相对于冷水机组的能耗比例上升了。 考虑冷量计算的基本公式 Q = m Cp TQ：冷负荷m：流量Cp：水的比热容T：温差假定比热Cp为常数。为保持冷量Q不变，既可以提高水的流量 m 并减小温差T，又可以降低水的流量且增大温差。这意味着既可以增加水泵耗功并减少机组耗功。为了理解大温差系统在运行上的低能耗特点，选择一个实际案例来说明。中保大厦位于上海市浦东陆家嘴， 是一座高38层，建筑面积为7.3万平方米的5A智能化办公楼。中保大厦于99年4

22、月竣工，由于采用大温差小流量系统设计，不仅节省了空调水系统的初投资，而且降低了空调水系统的整体能耗，每年可节约人民币约50万元。大厦业主及物业管理部门对特灵的设备及节能效果比较满意。该大厦空调系统为1800冷吨（6329kW）的型空调系统，全年空调运行时间为月至月共计7个月。对比1常规温差2大温差供回水温度冷水7-12冷却32-37 冷水5-13冷却32-40 3台冷水机组COP=5.97冷量2110kW扬程320kPaCOP=5.61冷量2110kW扬程320kPa4台冷水泵 功率 55 kW 流量100 l/s扬程280kPa功率 37 kW 流量63 l/s扬程280kPa冷却塔 功率1

23、1 Kw 8台功率11 Kw 6台最终能耗数据见下表计算全年主机水泵和冷却塔的运行能耗，如上图。能耗分析表明，采用大温差以后：冷却塔的年能耗从1,006,332kWh降低到756,593kWh，降低33%； 水泵的年能耗从 1,082,495kWh 降低到679,724kWh，降低59%； 冷水机组的年能耗从 2,801,312kWh 上升到2,996,110kWh，增加7%； 以上三项汇总，年冷水机房总能耗从4,890,140kWh 降低到4,432,427kWh，降低10%。上海中保大厦的实例说明大温差设计的节能效果。实验部分:下面以胥城大厦水泵数据来探究冷冻水出水温度的变化对主机COP的

24、影响一、测试目的：1、冷冻水出水温度变化对主机COP的影响2、冷冻水温差变化为主机COP的影响二、测试方案1、主机COP计算公式：主机COP=主机制冷量/主机功率主机制冷量=流量Q温差（T2-T1）主机功率=根号3电流I电压U功率因数cos流量Q=根号（P1-P2）/管道阻力系数2、现场采集参数参数1：2号机组冷冻水出水温度T1参数2：2号机组冷冻水回水温度T2参数3：2号机组电流参数4：2号机组电压参数5：4号水泵出水压力P1参数6：4号水泵回水压力P2参数7：5号水泵出水压力P1参数8：5号水泵回水压力P23、现场测量数据时间2号机组冷冻水出水温度T12号机组冷冻水回水温度T22号机组电流

25、I冷冻水温差T4号冷冻水泵供水压力P14号冷冻水泵回水压力P25号冷冻水泵供水压力P35号冷冻水泵供水压力P4功率WCLcop10:40:258.6111972.45.73.56.13128.7 4323.4 10:40:318.5111972.55.73.56.13128.7 4503.5 10:40:378.4111972.65.73.46.13128.7 4683.6 10:40:438.411197.52.65.73.56.13129.1 4683.6 10:40:498.4111982.65.73.56.13129.4 4683.6 10:40:558.4111982.65.73.5

26、6.13129.4 4683.6 10:41:018.4111732.65.73.56.13113.1 4684.1 10:41:078.4111172.65.73.56.1376.5 4686.1 10:41:138.4111182.65.73.56.1377.1 4686.1 10:41:198.7111232.35.73.46.1380.4 4145.2 10:41:25910.91421.95.73.56.1392.8 3423.7 10:41:319.310.91911.65.73.56.13124.8 2882.3 10:41:379.210.91961.75.73.56.1312

27、8.1 3062.4 10:41:438.910.919725.73.56.13128.7 3602.8 10:41:498.710.91972.25.73.56.13128.7 3963.1 10:41:558.510.91982.45.73.56.13129.4 4323.3 10:42:018.410.91762.55.73.46.13115.0 4503.9 10:42:078.410.91182.55.73.46.1377.1 4505.8 10:42:138.410.91192.55.73.56.1377.8 4505.8 10:42:198.610.81242.25.73.56.

28、1381.0 3964.9 10:42:25910.81531.85.73.56.13100.0 3243.2 10:42:319.210.81911.65.73.56.13124.8 2882.3 10:42:379.110.81961.75.73.56.13128.1 3062.4 10:42:438.810.819725.73.56.13128.7 3602.8 10:42:498.610.81982.25.73.56.13129.4 3963.8 10:42:558.410.81982.45.73.56.13129.4 4323.8 4、数据分析 由上表数据可以看出水泵的压差可以认为在

29、实验阶段处于不变，而管道类型也维持不变故而认为管道系数也不变，从而可以判定冷冻水的流量处于不变的状态，为了简化计算，取水泵设计流量数值93m/h。上表最右3列数据都是计算值。由这些数据我们可以得出以下2个折线图结论：1、可以看出冷冻水回水温度不变的情况下，冷冻水出水温度与机组的COP值是成反比关系。 2、由第一组和最后一组的数据，第10组数据和第20组数据的比较。在温差不变的情况下，冷冻水出口温度的提高，主机COP值几乎不变甚至略有下降趋势。 当然本次实验的数据不排除偶然性，故而进一步详细的验证，需更为严谨的实验条件得出的数据来说明。4、技术对比4.1、纵向比较空调自动化最基本的功能：保证系统

30、运行的安全可靠保证环境参数的要求提供系统运行的经济性，最大限度地节省能源消耗提供系统运行的管理水平 空调冷冻水系统作为空调系统冷、热量输送的重要环节，其特性状况很大程度上影响着整个空调系统的运行品质。 早期空调水系统的运行控制主要以满足系统负荷为目的，而能耗问题并不是主要的矛盾。因此，其控制手段主要是手动或启动装置，但其很难保证系统调整的稳定性和及时性;所以此后在较为复杂的水系统中出现了电子控制装置，其大大提高了水系统控制的精度和稳定性。自从70年代的能源危机以来，尤其在是越来越强调可持续发展的今天，空调水系统的控制从满足负荷、保证系统稳定的要求发展为更注重水系统的经济、节能运行效果。在近几十

31、年间，随着直接数字控制器在暖通空调领域的应用越来越多，以及水系统本身越来越复杂的促进下，水系统的控制调节技术也有了长足的发展。 空调冷冻水系统的控制非常的复杂。首先，其控制变量众多，比如连续型控制变量有冷冻水出水温度、AHU送(回)风温度、供回水压差(温差)等;离散型控制变量有冷水机组、水泵运行台数控制等;其次，冷冻水系统控制中干扰因素和运行工况众多，负荷的变化、使用情况的变化、建筑因素、机电因素乃至不同控制环路的动作都会通过系统热力和水力情况的变化而对控制效果产生影响;再次，水系统控制是个不可分割的整体控制，不能因为追求局部控制的优化而丧失整体控制的合理性。如较低的冷冻水供水温度固然可以减少

32、水泵的输送量，但其也会增加冷机的能耗，在实际工程中类似这样的问题须协调考虑;最后，冷冻水系统控制层次又可分为上、下位机控制，下位机控制一般通过反馈控制来实现、维持预先给定的控制变量设定值;上位机控制则是通过其实现对下位机各控制变量的控制，从而优化系统运行、降低能耗。冷冻水系统的自动控制主要任务包括有:阀门节流调节、设备台数控制和水泵变频控制。其控制方法主要基于压差(压力)控制、温度(温差)控制、流量控制、热量控制及其各种组合形式。阀门节流调节通过改变管路特性曲线，并使之与水泵的运行工况点发生变化，从而达到调节流量的目的。其是水系统控制调节中最基础和必要的手段，控制环路简单、直接，能有效控制冷冻

33、水流量却增加了水泵扬程，但节能作用不明显。 最初的供水系统，直接采用电机带动水泵。目前这种方式逐渐淘汰。应用较多的是用变频器控制电机。通用变频器中都内置了PID调节器，可以满足一般的饮用水以及灌溉系统的要求。如无极调速，启动平滑，具有多种信号输入输出接口等等。但是，这种单一的控制方式用在某些变化较大的复杂场合，其反应速度则跟不上系统的变化，其控制性能不能达到稳定性，控制精度以及可靠性要求。由此，国内外外许多厂家推出了新的供水专用变频器，针对特定系统的性能，采取更加智能的算法，从而提高控制品质。例如日本的三菱公司，其推出的水泵专用变频器可以集成了PLC与PID控制器二者的功能，从而更加方便控制。但目前为止，尚且没有针对性PID参数自整定的解决方案，无一例外都是通过人工的经验将调试好的一组PID参数事先写入控制器。这种基于当前系统工况的参数，随着时间的推移，将逐渐失去效用，以至于控制效果越来越差。 基于这种实际状况，国内许多公司都研制出了专用PID控制器，通过一系列特定的算法，最终得出一组具有参考性PID参数，然后以通讯的方式输送给变频器或是PLC从而用来控制变频器的输出。事实上，PID调节器的出现己经有70多