大型建筑群集中能源站智能化设计（天津文化中心） PDF 下载

1工程概况

某大型建筑群(如图1所示)为大型文化综合建筑群,包括博物馆、美术馆、图书馆、大剧院、大型购物中心、青少年活动中心.规划建设项目位于天津市河西区,用地总面积90公顷,建筑面积近100万m2.

配套建设的区域能源站为其采暖、空调系统提供冷、热源,实现可再生能源的集中利用,达到了低碳节能和可持续发展的规划理念.

1.1能源站设置原则

考虑业态特征、管理权属、供冷、供热半径等因素,设置3处集中能源站(供冷/供热),依据3处能源站所处的相对位置,分别称为南区能源站、北区能源站及西区能源站,如图2所示.3个能源站基本信息见表1,各能源站工艺方案(冷、热调峰复合以冰蓄冷技术的三工况地源热泵系统)见表2.1.2冷调峰冷却塔方案冷却塔位置:南区、西区冷却塔的位置位于原博物馆下沉式冷却塔的基坑内,北区冷却塔的位置贴临北区能源站北侧.

1.3供电方案

在西区能源站设35/10kV总变电站,在3个能源站及南、西区集中冷却塔处设10/0.4kV分站,总计5个分站(如图2所示).北区冷却塔取电自北区能源站变电室.室外下沉越秀路两侧还设置有为西区能源站配套的32台深井泵,分别由就近的西区能源站及南区变电站供电.

1.4智能化系统

各能源站主要包括负荷预测及优化控制的工艺控制系统、变电站电力监控、计量及能源管理系统、建筑设备监控系统(BAS)、安全防范系统(SAS)及其它弱电系统.变电站自动化、计量及能源管理系统、建筑设备监控系统、安全防范系统均通过设备通信网络(工业以太网)把各分变电室及能源站的上述系统监控数据引至位于西区能源站的总控制室(总值班室),并设置区域控制管理系统,如图3所示.2集中能源站智能化系统技术特点2.1智能化程度高、可靠性高的控制系统

该能源站集中监控系统包括:北区能源站、南区能源站、西区能源站、冷却塔站、深井设备.各分能源站各自设置控制室,配置SIEMENS冗余PLC、企业级交换机、服务器、工作站等.PLC向上传输数据是通过工业以太网模块与交换机连接,向下传输数据是通过总线与分布式I/O系统连接,与各分站的相关服务器、工作站建立通信后,数据存储至数据库服务器.能源站控制系统网络拓扑如图4所示.

冗余PLC与分布式I/O构成能源站控制下位机,可实现一系列设备联动、模式控制、操作优先级、时间表控制等控制功能,并对其他相关设备进行有序控制.现场级设备既可以通过总线方式与控制器之间进行数据通信,也可以通过硬件干接点方式连接,具有安全、可靠的控制方式.

在西区能源站设置总控中心,设置智能化集成系统平台.该平台采用数据库服务器,将各能源站采集的相关设备的运行数据、状态参数等存储在数据库中,其他各分控中心的数据库服务器与总控中心可实现数据库之间的集成.

2.2基于IP网络的设备网络及集成化的运行管理平台

基于IP网络运行的系统有:变电站自动化监控系统、工艺设备自动控制系统、安防系统(包括:闭路电视监控系统、出入口控制系统)、漏电报警监控系统等.

3个能源站及冷却塔站的工艺控制、变电站电力监控、智能化系统的信号统一集中上传至西区能源站的智能化总控制室,作为区域控制管理室,可以便于运维人员的集中控制,也减少了运维人员的工作量.

该集中控制管理系统的网络系统采用C/S架构,硬件设备包括:企业级交换机(冗余配置)、主备服务器(带磁盘阵列)、客户端工作站、专用的拼屏控制器、FAS工作站、设备管理系统及电力监控系统工作站、安全防范系统、拼接屏显示系统等.显示设备、工作站等在人员监控区设置,服务器、交换机等在设备机柜区设置.区域控制管理系统与核心交换机连接,并预留接入上级控制中心的接口.

2.3基于负荷预测及优化控制的工艺控制系统根据系统历史运行数据记录,预测次日负荷,指导系统运行工况,提高系统效率,最大程度节能.

通过对该大规模建筑群分布式动态负荷变化的研究,搭建了适应于本地区的地源热泵耦合冰蓄冷区域供冷系统的负荷预测模型,通过对模型参数的评价以及负荷预测值的偏差校正,实现了该集中能源系统短期负荷的预测.并且以此预测结果为基准,利用动态规划法优化了能源站的运行费用,通过对制冰量、制冰时间、融冰量、融冰时间的动态控制,以及制冰和供冷双工况的切换,最终得到在全负荷、3/4负荷、半负荷、1/4负荷下的优化控制策略.

针对工艺的节能优化控制指的是乙二醇系统、冷水系统、地源系统以及冷却水系统在不同运行工况下的优化控制方法,需要根据不同工况,切换相应电动阀门.在不同工况下还需要根据不同的控制目标参数对系统内不同执行机构的动作发出控制指令,并严格按照制冷主机所需的设备连锁关系进行设备联动控制.避免了由于人为操作引起的操作间隙,节约了设备连锁启动时间,同时由于设备之间的连锁是通过具体的工艺参数进行逻辑连锁,所以设备的安全得到了保障,设备出现故障时能够第一时间对设备本身和系统起到保护作用,降低设备风险,避免财产损失.节能主要工况包括:制冰工况、融冰工况、主机单供冷工况、联合供冷工况、供热工况.北能源站制冷系统动态运行显示如图5所示.

负荷预测系统采用统计模型和模糊理论,直接分析以往的运行数据来对今后的负荷进行预测.统计模型的具体方法是采集以往的运行数据,对这些数据进行统计分析,找出这些运行数据的规律与变化趋势,再根据预测日的天气等对负荷影响较大的因素进行修正,得出预测日的预测数据.模糊理论主要针对实际运行中存在的诸多不稳定因素,导致采集的部分数据出现错误,或者根本不具有代表性,不能反映负荷变化的真实规律,软件对这些数据进行模糊过滤,模糊处理,使预测结果更能反映实际规律,预测更稳定.

根据设计提供的各区负荷分布,经过负荷预测软件的计算和分析,给出不同条件下的负荷分布预测,自控系统根据负荷预测输出的数据选择不同的负荷分配方案,在保证满足末端负荷的前提条件下,尽量将谷电时段制的冰用在峰电时段,如果不足,采用主机供冷作为补充;同时,保证冰在一天内完全用完,移峰填谷,最大程度地降低运行费用.对整个电网的平衡也起到了帮助,减少了电厂的过度建设.

负荷预测软件会根据填入的信息不同分为节假日、休息日、人员多少等状态,选择不同的供冷工况,在无需开启制冷主机时避免制冷主机低效运行,节能效果明显.

蓄冰装置的蓄冷量可作为备用冷源,在不确定负荷下快速启动(如南区大剧院有演出活动时),缩短管网降温时间,大大提高了区域供冷的及时性.

2.4设备通信总线监控

集成众多协议,将不同协议的设备统一在一个平台管理,降低管理费用,提高管理效率.2.5能源管理系统分析系统能耗,计算系统的效率,对系统优化做出分析及指导.

3投资效益

中央空调系统的能耗占到建筑能耗的30%~40%,在发达地区此比例可能更高,因此中央空调是单体建筑节能的重要领域,而中央空调系统绝大部分能量消耗发生在冷热源系统,需要相应的节能技术措施在满足负荷的前提下尽量减少空调冷热源系统能耗.

在天津文化中心能源站内,由于采用了先进的负荷预测软件,加上能源管理系统,在系统节能方面大大减少了初期投资,减少了各单体建筑的机房面积,提高了系统的整体EER值.控制系统中主要的节能控制手段有:

a.能源管理系统.通过能源管理系统,实时采

集系统能耗值,生成系统的运行记录报表,实时显示系统的能效比,自动生成优化控制策略.

b.末端换热站的管网控制.在末端的热交换站

内,采用了末端的管网控制系统,由回水温度控制板换出水的调节阀,保证实现大温差、小流量的控制策略,节约系统循环泵的能耗.

根据各个换热站的压差,通过最不利点压差的比较程序,选出最不利点压差,控制系统循环泵的频率,在保证最不利点压差的前提下,最大程度降低水泵频率,节约系统能耗.

4运行情况

2012年5月19日起,备受瞩目的该项目各文化场馆向社会试开放,天津博物馆、天津美术馆、天津图书馆文化中心馆区免费接待社会各界群众.能源站如期对外供冷,由于采取地源热泵耦合冰蓄冷技术,各场馆供冷效果明显,得到各单体业主一致好评.

该项目是天津有史以来规模最大的公共文化设施建设工程,包括新建的博物馆、美术馆、图书馆、大剧院、阳光乐园、银河购物广场、市民广场、地铁交通枢纽、基础设施及景观配套工程等多个子项目,包含了4个能源站、13个换热站,供冷面积约78万m2.

在系统投运后已正常运行至今.运行过程中无异常,节能减排效果明显,取得了明显的社会效益和经济效益.区域供热供冷站能源效率经测算:夏季供冷理论计算综合能效值为3.29,系统实际运行过程中负荷区间在25%~40%,实测夏季综合能效比为3.18,一次能源效率为1.11.冬季设计工况下,系统理论计算能效为3.28,实测系统冬季运行负荷区间在35%~60%,冬季供热平均能效为3.21,一次能源效率为1.12(电力系统一次能源效率按0.35计).

实际运行数据详见图6、7.系统正常运转的同时,减少了维护人员的劳动强度,便于管理工作持续、长久的开展.

5结语

以往能源站设计中重电气、轻控制是设计人员的普遍情况,而大型建筑群的多能源站协同工作,统一集中控制的先例更是少之又少.因此在此次设计中可借鉴的以往工程经验几乎没有,为了能够实现能源站节能、优化的运行,在设计后笔者先进行了负荷模拟预测,从而确定了最优的自控工艺流程,并取得了良好的社会、经济效益。