项目概况

西安人民大厦索菲特酒店位于明代城墙内的城市中心, 紧邻商业和金融的黄金地带,是西安市知名的地标性建筑, 五星级酒店。酒店于 2005 年开业,拥有一流会议、宴会设施, 可承接各种商务会议和社会团体活动。作为高端的星级酒店大厦,中央空调系统为酒店提供舒适的环境及优质的服务有着至关重要的作用。

1. 中央空调系统控制现状

本项目中央空调系统现状如下:

(1) 原控制系统瘫痪,亟需修复。西安人民大厦索菲特酒店此前建设的BKS中央空调节能控制系统由于设备老旧,处于瘫痪状态。同时,中央空调系统负荷较大,使用时间长,运行过程中产生较高的能耗。暖通空调的运行管理对专业度要求较高,系统运行管理和能源消耗给酒店的运行带来了较大的压力。因此,酒店中央空调节能控制系统亟待修复恢复正常使用。

(2) 冷热源系统改造新增设备。酒店2022年改造新增6台风冷热泵机组,6台空气源热水机组及配套循环水泵等设备,需纳入中央空调控制系统进行集中监视及控制。

(3) 由于末端负荷的变化,必然造成系统循环溶液(冷冻水、冷却水、制冷剂溶液)的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态,目前无法有效对主机能效进行监测分析及改善,制冷主机长期在低效率状态下运行,使系统增加不必要的能源消耗。

(4) 目前系统运行数据监测记录主要依靠简单的人工抄表,抄表工作量大,还无法对系统运行数据进行全方位的存储记录,无法通过全面的运行数据对系统进行深层次的管理分析、设备诊断及节能空间挖掘等。

2. 生活热水系统现状

西安人民大厦索菲特酒店采用市政热源提供生活热水,且利用率较低;同时由于区域市政热力公司非供暖季将停供生活热水热源,供暖季结束后西安人民大厦索菲特酒店的生活热水热源将无法得到保障,影响西安人民大厦索菲特酒店的正常运营。

主要建设或改造内容

2022年9月15日新增设备及相关管道改造工程开始施工,到2023年10月15日冷热源管理系统调试验收完成,主要建设内容包含以下:

将能源楼的生活热水市政热源改造为空气源热泵和燃气锅炉双热源耦合系统;将供暖热源改造为空气源热泵及市政集中供暖系统,以解决市政热源非采暖季停供问题。对能源楼原有的中央空调能源管理系统进行升级改造(BKS 软件+工控机+变频柜+1#离心机换新), 并和本次改造新增的热源设备联网进行冷热源集中管控,完善优化联网系统的自控逻辑和控制策略,达到能源楼冷热源设备互联互通、多能互补、节能运行的效果。

1 控制系统改造方案

根据对本项目的现场实际情况,综合考虑投入收益最大化,制定方案如下:

1.1 原系统修复升级改造

原BKS系统修复主要修复内容如下:

(1) 工控机更换。因使用年限较长,且现场机房环境较为潮湿,原工控机老化严重,已经接近使用寿命周期,且故障较多,本次修复将更换一台全新ITC1915工控机,以确保系统正常使用。

(2) 软件升级。将控制系统软件升级为现行最新版本的ECON控制软件,软件配套最新的节能控制策略及算法,升级增加云端功能,可网页或手机APP对系统运行状态进行监视及数据查看等。

(3) 原控制柜模块升级更换。原控制箱/柜内使用的IDU-30/IFCU-30等控制模块现场大量损坏及缺失,因原控制柜内使用模块因技术更新迭代现已停产,因此本项目将采用最新版本的控制模块进行现场改造更换。

(4) 传感器更换。现场传感器因使用时间长,有一部分已损坏,拆除更换新传感器,以确保系统监视数据及控制调节的准确性。

1.2 冷热源系统新增设备扩展控制改造

冷热源系统新增需集成监控的设备主要如下:

冷热源系统新增的风冷热泵机组及空气源热水机组,以及对应的辅机设备,根据现场情况将增加智能控制箱对设备控制及运行状态监视, 3台18.5 kW风冷热泵配套循环泵增加变频接口箱,实现变频调节控制。

1.3 系统改造效果

项目改造完成后,可以实现对人民大厦院内生活热水系统、中央空调系统高效的智慧投运控制、全方位的系统状态监测及全面的数据统计分析等,具体如下:

a. 大幅降低生活热水及中央空调系统能耗,减少运营成本;

b. 实现系统智慧投运/停运,根据参数预设、自动监测外界温湿度变化及建筑内部负荷变化实现自动启/停、自动加减机等;

c. 依据末端需求,自动控制主机(空气源热泵、风冷热泵、冷水机组)及锅炉开启与关闭、冷却塔投运组合的开度控制;调节冷冻水泵运行频率、冷却水泵运行频率,达到系统高效运行,实现系统最大节能降耗;

d. 设备故障自动代偿,及时告警,确保系统高稳定性及可靠性;

e. 实现能源楼机房全年无人值守,减少人员值班巡检工作;

f. 系统完备全面的数据采集、记录、统计、分析、以及20年以上的数据加密存储,替代人工巡检及抄表,全面的数据支撑及评价助力系统不断优化,保持长期高效高可靠运行。

2 智慧管控系统核心控制技术

2.1 基于负荷预测的冷冻水模糊预期控制策略

由于中央空调系统末端负荷的多变性、时滞性,在部分负荷时,冷冻水系统常常在大流量、小温差状态下运行,造成冷冻水泵输送能耗的浪费。为克服中央空调冷冻水系统的大滞后、大惰性特征,智能控制系统采用了一种全新的冷冻水动态控制模式—基于负荷预测的冷冻水模糊预期控制技术,该技术获得了国家发明专利,该技术配合系统能效智能控制装置统计出的能效分布表能做到精确预测末端负荷实现提前控制。

2.2 基于系统效率最佳的冷却水自适应优化控制策略

冷却水系统的功能是将空调系统的热量(冷冻水吸收的热量和冷水机组消耗能量所产生的热量)排放到室外环境中去,由于冷冻侧实现了系统供冷与末端负荷需求的实时匹配控制,系统的制冷量随负荷需求的变化而变化,因此需要通过冷却水系统排走的热量也在发生变化,如果冷却水流量始终保持不变,则冷凝器的进、出水温差将发生改变,导致冷却水工作在大流量、小温差的低效率状态下运行。

在一定的温度范围内,冷却水温度的变化,对制冷主机能耗的影响与对冷却水泵和冷却塔风机能耗的影响正好相反。如:在一定范围内将冷却水出口温度降低,制冷主机效率提高;但冷却水温度降低,将导致冷却水泵和冷却塔风机的能耗升高;相反,若在一定范围内将冷却水温度提升,有利于降低冷却水泵和冷却塔风机的能耗,但冷却水温度的升高导致制冷主机的效率降低、增大制冷主机的能耗;如下图所示:

Figure 2 最佳温度点示意图

因此,需将制冷主机、冷却水泵、冷却塔风机三者建立计算模型统一调节,在每种负荷条件、环境参数及蒸发侧温度下找到一个能保持冷却系统效率最高所对应的冷却水中点温度Tcm,即找到一个冷却系统效率最佳点,才能使整个系统能效比最高。

Figure 3 冷却进化进程一览表

根据上述分析,对于冷却水环节的控制,本方案采用具有独创专利技术的基于冷却系统效率最佳的冷却水自适应优化控制策略。

2.3 运行数据储存及分析

全方位系统设备运行状态、系统操作记录、故障告警信息、系统统计分析数据、系统采集监测数据等,本地自动结存记录。

Figure 5 抄表记录

2.4 云端管理

云端远程实时监控,通过云端设计,无需再本地常驻24小时的值班人员,远程通过手机APP即可查看所有运行数据及系统的投运/停运。云端数据记录及能效分析,可以确保数据完整性20年以上。

Figure 6 云端

Figure 7 运行数据储存及记录分析

项目经济、环境和社会效益

西安人民大厦有限公司索菲特酒店生活热水暨市政供暖节能改造项目节能测试结论:

1.夏季空调系统节能效果

通过对人民大厦索菲特酒店中央空调节能控制系统与原系统交替进行节能测试,结果显示系统综合节能率约为35%,全年制冷系统节能 费用约50~55万元。

2.生活热水系统节能效果

生活热水系统采用空气源热泵+锅炉耦合系统后,天然气消耗量大幅减少,并且实现了费用节约。相比原市政收费,生活热水系统预计全年节省用能费用约70~75万元。

3.过渡季节空调系统节能效果

过渡季节空调和供暖节能测试分析表明,风冷热泵系统在过渡季 节供暖方面,相比市政采暖收费,预计节省费用约35.0~40.0万元; 风冷热泵系统在过渡季节供冷方面,相比原空调系统,预计节省费用 约10~15万元。

综上,西安人民大厦有限公司索菲特酒店生活热水暨市政供暖节能改造项目合计年节能170~180万元。同时,经过上述改造,本系统预计每年减少碳排放约2719吨。