机房群控系统概要

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建筑空调系统最大负荷输出是由最不利环境条件所决定，在最不利环境条件下空调系统实现最大负荷运行。对于商业综合体项目，空调系统在92%的时间内都在70%负荷以下波动运行，如下图为某商业综合体空调负荷频率分布：

过去的几十年，新建项目的中央空调系统大多重建设轻运维，对空调系统的控制基本上只有冷水机组、水泵、冷却塔等设备的启停逻辑。这其中的原因有很多，比如为了降低建设成本、缩减建设周期、没有群控相关的技术支撑、没有利益上的内在驱动力、运维人员技术水平欠缺等等。

目前国内成熟运行的机房群控系统比较少，多数项目的空调系统为追求运行的稳定性和安全性，采取的控制方式较为简单，如水泵长期定频运行，或者只进行水系统变频控制，未能对整个空调系统进行集中控制，以实现运行能耗的优化。

          

机房群控系统的基本架构是以制冷主机为基础，包括空调系统阀门、冷水泵、冷却水泵、冷却塔和补水定压、水处理设备等。根据平衡建筑冷负荷所需要输出的冷量对系统进行全局控制，以达到节约能源的目的。 

机房群控系统的最基本功能是根据设定的加、减机条件和系统当前状态对冷水机组自动执行加、减载控制，并根据设备分组对水泵、冷却塔等设备进行联锁启、停或变频运行，达到节能高效和延长机组使用寿命的目的。同时，机房群控不仅要考虑冷水机组的能耗，还要考虑其附属设备如冷却塔、冷水泵、冷却水泵的能耗。

机房群控系统的核心是群控策略，也就是控制逻辑。依据建筑物的空调负荷需求，自动调节优化控制多台冷水机组及相关设备的运行，使机组制冷能力与系统负荷相匹配。群控系统需要在主机输送给末端的冷量不足时进行加机，冷机负载率较低时进行减机，目的是尽可能减少电量消耗的同时为末端提供足够的冷量。   

       

机房群控系统监控对象

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机房群控系统主要监控对象包括冷水机组监控、冷水系统监控、冷却水系统监控、电动阀门和补水压设备的监控。

1、冷水机组监控

1）监测冷水机组运行状态、故障报警，监测冷机运行情况，使主机安全运行。    2）冷水机组内部参数监控（通过主机通信接口RS-485或Modbus），机组通过通讯协议的方式向群控系统上传运行参数。
冷机监控包括但不限于下列参数：
冷水供/回水温度、冷水温度设定值、当前负载率、负荷需求限定值、冷水机组开关控制、冷却水供/回水温度、冷水及冷却水供回水压差监控。
蒸发器/冷凝器制冷剂压力、压缩机入口导叶阀开度、油压差、压缩机运行电流百分比、蒸发器/冷凝器的饱和温度、压缩机排气温度、油温、压缩机运行时间、压缩机启动次数、压缩机频率（变频机组）、平均线电压等。

3）冷水机组具有流量过小保护控制功能，当冷机变流量工作时，流量低于冷水机组允许值时，启动冷机保护及控制功能。

2、冷水系统监控

1)空调冷水系统供水总管流量。
2)空调冷水系统供水总管温度。
3)供回水压差监测。
4)冷水泵手动/自动状态、冷水泵启停状态、冷水泵故障报警、冷水泵变频器频率反馈、给定值。
5)冷水泵变频器内部参数监控(通过变频器通信接口):可时实了解水泵运行电流、频率、转速、功率、变频器散热器温度、加减速状态等参数。

6）冷水泵运行时发生故障，自动停泵，备用泵自动投入使用的监控;

3、冷却水系统监控

1)冷却水回水总管温度监控。
2)冷却水泵手动/自动状态监控。
3)冷却水泵、冷却塔启停状态，冷却水泵变频器频率反馈、给定值，冷却塔变频器频率反馈、给定值，冷却水泵、冷却塔风机故障报警。
5)冷却水泵、冷却塔电力仪表内部参数监控(通过电力仪表通信接口):可实时对水泵电压、电、功、耗电量、功率因数等参数监控。

6）冷却水泵运行时发生故障，自动停泵，备用泵自动投入使用的监控。

4、电动阀门和补水定压设备监控

1）电动开关阀、电动调节阀、压差旁通阀根据系统控制流程控制并监测反馈状态。
2）冷量表数据监测反馈。
3）对膨胀补水箱的高低液位进行监视并报警反馈。
4）对定压罐、定压补水水泵、补水量进行监控。

5）对水处理器、自动加药装置的监控。

系统冷量需求的判定 

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判断冷源冷量是否满足末端需求一般有两种方式：

1）直接比较末端需求冷量与冷源输出冷量。
末端冷量需求和冷源冷量输出是通过实时监测得到的供水回水温差和流量通过公式计算得出。由于实际工程中流量计安装位置和安装方式都会对流量测量结果产生很大影响，无法保证冷水总管流量的测量精度，而且冷源供水温度（受加减机影响）不同，末端的冷量输出也不同。
因此，在工程上将冷量需求与冷源输出的冷量差作为加减机条件可靠性不高。
2）通过空调冷水系统回水总管温度进行判断。
在实际工程中选用冷水回水总管温度作为判断冷量是否充足的条件更为可靠：当冷源输出冷量足够时，冷冻水回水温度会维持在一定范围之内。

当冷源输出冷量不足时，冷冻水温度会逐渐升高超过冷水回水温度设计值，此时进入加载冷机程序。          

冷量优先的控制方式

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根据节能标准要求，对冷机台数控制采用冷量优先的控制方式：

1）直接测量流量和冷源供回水温差计算得出总冷负荷，再根据总冷负荷确定冷机运行台数。
2）对于定流量系统，只测温度，将设计的恒定流量带入计算。

3）监控冷水机组压缩机实时电流，利用实时电流与额定电流比值来测算机组实际出力，由于对压缩机电流进行了实时监控，也对机组有了很好的保护、压缩机的电流占额定电流百分比是冷水机组的重要参数，一般都回在机组的控制屏幕上显示，这种控制方式目前应用得最多。

业内被广泛使用的美国ASHRAE制冷机房能效分级

主要设备的启停顺序

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冷水机组起动顺序：开（加）机指令---制冷机组冷凝器侧电动蝶阀打开---对应冷却水泵启动---冷却塔按程序投入运行---冷凝器侧水流状态确认---制冷机组蒸发器侧电动蝶阀打开---对应冷水循环泵打开---蒸发器侧水流状态确认---制冷主机开启 。  

 

冷水机组停机顺序：关（减）机指令---制冷主机卸载至关闭---延时10分钟（时间一般能根据项目情况调整）对应冷水循环泵关停---制冷机组蒸发器侧电动蝶阀关闭---对应冷却水泵关停---冷却塔关闭---制冷机组冷凝侧电动蝶阀关闭。

冷机加减载逻辑和冷却塔的控制

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1、加载冷机流程：

1）已经运行的机组有充足的时间由负载0%至接近负载100%。
2）主机内温度传感器测得的冷水供水温度高于当前的冷水供水温度设定点与设定的允许温度偏差值相加后的所得值。
3）正在运行机组的总负载率大于某个设定值(一般为满荷载的90%~95%，一般单台冷机负载率70~100%会有较高的能效水平)。
4）运行冷水机组的温度降低速率小于0.5℃/min（冷水机组出水温度降低过慢，此时可判定冷机蒸发器接近过载）。
系统运行状况满足以上1~4条系统进入机组加载程序如下：

开式启动新的冷水机组→新冷水机组启动的延迟时间已经结束（延迟时间可以设定）→新冷水机组禁止运行的命令未激活→新冷水机组没有处于出错、斜坡加载或处于断电重起阶段→新加载冷水机组立即启动。

2、减载冷机流程

1）目前运行的机组台数多于一台。 

2）在运行机组的平均负载小于设定值。

3）当主机内的温度传感器所测的冷水供水温度低于当前的冷水供水温度设定点与设定的允许温度偏差值的0.6倍相加后的所得值。
以上各项要求1~3条均能满足，进入机组减载程序：

机组停机的延迟时问已经结束(延迟时间可以设定) →达到以上1~3的条件→机组马上停机。

3、加减载冷机顺序
冷水机组使用的先后次序也可以依据每台冷机的累积运行时间，每周自动排序次，比较使用时间，系统优先加载使用时间最短的机组，加载顺序一般按照先开小冷水机组，再开大冷水机组。
加载下一台冷水机组时，系统设置延迟时间，可以稳定可靠地判断是否系统确更多的冷量。同时也让正运行的冷水机组有时间达到满负荷(100%)的运行工况，也就是当冷机达到最大制冷量时，仍需要更多的冷量时再加载另一台待命机组。

这种方式可以提高冷源系统的整体能效(COP)，因为冷水机组在同一冷却水温条件下，单台冷机接近满负荷时认为COP值是最高的（并无绝对，不同品牌的设备可能情况不一样，这个最高效率点需冷机厂家提供）。

4、冷却塔的控制
根据进入冷凝器冷却水温度控制冷却塔，如果温度高于设定值决定开启冷却塔，根据每台冷却塔的运行时间开启运行时间最短的冷却塔风机；如果温度低于设定值，根据每台冷却塔的运行时间关闭运行时间最长的冷却塔风机。

一般情况下，获得较低的冷却水温度可以使冷机获得更到的能效比，因此对于冷却塔变频风机，在冷却塔出水温度达到冷水机组冷却水最低允许温度之后，冷却塔风机才开始调速，以确保冷却塔出水温度不低于最低允许温度。

冷机软启动与软关机控制的必要性

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为避免制冷主机在启动和停止时对电网造成冲击，确保制冷主机和配电站的安全，制冷主机在启动与关机时采用“软启动”与“软关机”控制。

同时，在系统冷冻水供水温度远离其设定点时，软启动模式能够防止系统冷量过量输出，造成能源浪费。

例如，系统夜间停机，早上系统开机时，冷冻水管中的滞留水温较高，群控系统可能会错误地计算出高于实际需求的系统冷负荷。软启动功能可确保冷水机房缓慢的加载，防止过快地产生过多冷量。（当然，对于需要空调区快速制冷的系统，则可考虑主机全开满载输出冷量，将空调水系统温度迅速降下来，以达到空调末端最短时间进入设计工况，达到最大出力的状态）软启动的机制是控制冷机的电流。在软启动模式下，冷机非满载启动（具体负载率根据冷机性能由厂家给出），直到有一个加机要求冷冻机才被允许运转于满载状态。

        

在加载冷机时采用“软启动”模式，中央冷源监测与控制系统在收到加机信号后，首先对已运行主机进行降低负载率运行，然后启动下一台制冷主机，最后将多台制冷主机同时加大运行工况。  

            

在减载冷机时采用“软关机”模式，中央冷源监测与控制系统在收到减机信号后，首先降低多台制冷主机的负载率，然后停止列入减机序列的制冷主机。

在软启动模式下的加机算法与正常模式下的不同。在软启动模式，冷水机房群控监测系统回水温度，如果这个温度下降的速率不够快，这就意味着需要更多冷量。冷水机房群控持续检测每分钟回水温度的变化，如果变化率不大于操作人员的输入值，加机定时器开始工作。   

群控注意事项

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1）群控系统应提供软开机功能，加载新的冷机时，系统可将当前运行冷水机组的负荷降低到50%，这样可以减小新开冷水机组对电网的冲击，同时新开冷水机组可以较快的运行到高效工作区域。         

2）运维人员可以设定冷水总供水温度，或可以依据室外温度来自动微调供水温度，比如当时室内环境对除湿要求不高时，可以适当提高冷水温度，可以提高系统整体运行能效，达到节能的目的。            3）一般而言，冷机运行在70%～100%负荷率时，冷机能效比可以维持在较高水平，因此在已开启冷机平均负荷率较高时进行加机，此时加机能明显提高冷水机组能效比、减少耗电量。          

4）冷水机组在运行过程中如发生故障时，自动投入待命冷水机组。已发生故障的冷水机会被锁定停机，直到该冷水机组故障被排除后，运维管理人员在监控电脑上确认后，该冷水机组才会加入以后的加减载队列。          

5）系统应设定待加载的冷水机组在启动前会确认是否有足够的冷水、冷却水流量，及同时冷水机组自检是否通过，条件满足才会最终开启压缩机。

6）互为备用的冷水泵组、冷却水泵组，根据“均等运行时间”的原则顺序启停各台水泵。部分负荷时，多台同容量的冷水机组，根据“均等运行时间”的原则顺序启停各台冷机。

分享几种冷机加减载方式

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1、群控策略一
冷机加载条件：
1)在运行冷机的平均负载率大于加机负载率设定值（85%～100%)。
2）冷冻回水总管温度大于加机回水温度设定值。
冷机减载条件：
1)运行冷机数量*（加机负载率设定值-冷机平均运行负载率）＞（加机负载率设定值+10%)。
2）冷冻回水总管温度小于减机回水温度设定值。

3）自动运行状态的冷机数量≥1台。由于中央空调系统具有大滞后、高耦合的特性，为避免冷水机组频繁启停，在此基础上设定一个加、减机请求保持时间（15～30min）的条件。  其中，开机时间段和关闭冷冻泵时间段可通过时段管理平台设置，首台开机与末台减机均根据已启动（手动和自动）冷机数量进行判断。    

      

2、群控策略二

1）冷机加载条件：
原则：以压缩机运行电流作为加载制冷机组的依据。当制冷主机运行电流与额定电流的百分比大于100%，并保持15分钟后或此比例5分钟内持续增大时，系统加载一台制冷主机。
加载时优先加载小容量制冷主机，如小容量制冷主机已全部处于运行状态，则启动大容量制冷主机。
加载的制冷机组与已运行的制冷机组当并联运行，无论制冷机组容量匹配与否，运行电流与额定运行电流比值要保持一致。
2）冷机减载条件：
根据温度的减机逻辑检测系统实际供回水温差ΔT1。当系统的实际供回水温差ΔT1小于系统设计的供回水温差ΔT2时，系统发出一个减机请求。如果减机请求持续存在达到减机延迟时间时，一台冷冻机被减去。
降载后，处于运行状态的制冷主机并联运行，无论制冷主机容量匹配与否，运行电流与额定运行电流比值需要保持一致。    
制冷主机减机的依据取决于制冷机组压缩机运行电流，按当前计算制冷主机平均运行电流卸机。
3）冷水泵控制
根据末端最不利端压力差 PID 调节冷冻水泵频率，当末端最不利端压力差变大时，相应的减少所开冷冻水泵的频率。当末端最不利端压力差变小时，相应的增加所开冷冻水泵的频率。
根据冷冻机和冷冻水泵性能特性限定变频水泵最低频率，一般可设定为25~30Hz。
4）冷却水泵控制
通过获取冷水机组冷凝温度或压力变频调节水泵流量与设定值对应，并通过冷水机组冷凝温度或压力情况调节水泵流量。根据冷冻机和冷冻水泵性能特性限定变频水泵最低频率，一般可设定为30~40Hz。
5）冷却塔的控制
每台塔进出水分别设置两个电动开关阀门。冷却塔进出水管上的电动开关阀与冷却塔的启停连锁：冷却塔开，其对应的电动阀门开。冷却塔关，其对应的电动阀门关。
控制系统将根据冷却水供水温度，通过调节冷却塔风机的开启台数及频率运行，调节换热效率，来保证冷却水的供水温度，为冷水机组高效运行创造良好的环境。
冷却水供水温度直接影响冷冻机制冷效率。冷却水供水温度越低，则制冷机效率越高，其耗电量将会越低。但是，降低冷却水温度，却会引起冷却水塔的能耗升高。所以，要想达到主机和冷却塔综合能耗最低，必须找到最佳的冷却水供水温度。
冷却水温的调节通常采用冷却塔风机的变频控制。根据变频风机的节能原理，低速运行是冷却塔本身节能所在。控制方法如下：

• 在室外安装室外湿球温度传感器，根据系统的计算，计算出此时的最优化的冷却水的温度设定值。
  
• 当系统启动时，一台风机先以最低频率启动，如果不能满足最优化的冷却水的温度，则第二台、第三台……依次以最低频率加入。如果此时冷却水温度仍未到设定值，所有风机同频上升来加大风量，直至达到计算的最优化的冷却水的温度设定值。    
  
• 当工况发生变化，计算出的最优的冷却水的温度设定值高于冷却水的实际温度时，全部风机同步降频来维持冷却水的温度，以满足最优温度要求。当所有风机都处在最低频率时，如果还有降频的需求，则依次关闭一台风机，直至冷却塔风机全部关闭。

摘自《杭州某产业园空调冷源群控系统的设计》 建筑热能通风空调 蒯标

3、群控策略三
冷机加机条件：通过机组能效曲线，结合冷机的运行特性，分析其运行的高效区段，对不同能力的多台机组进行优化匹配组合，提高运行效率。 

冷机减机条件：当出现冷水池液位低时，则依次关闭所有设备；当出现某个供液泵过流或变频器报警时，则立即停止相应的设备。

每台机组对应一套比例-积分-微分（PID）调节功能。通过可编程逻辑控制器实时采集机组冷冻水出水温度，不断与目标值进行对比，由节能控制系统计算后，对冷水机组控制器发出指令，进而控制压缩机的变频调节。          

实时采集冷水机组的启停信息，进而判断相应机组冷媒水泵的启停和冷却水调节阀的供电，实现机组开启则相应辅助设备自动开启的功能。机组冷水泵采用变频控制，通过冷冻水供回水温差△T1与目标值△T2 值进行对比，结合流量可调范围来实现变流量调节；机组冷却水，通过供回水温差△T3 与目标值△T4值进行对比，结合流量可调范围来实现变流量调节。    

一般情况下，冷机高效区负荷率为75~100%。因此，控制系统采集当前冷水机组进出水温度和流量信息（或者压差信息），计算系统负荷率和单机负荷率，进行加档和降档程序，尽量使压缩机工作维持75%负载率以上运转。          

加档程序：当出水温度大于设定值，持续时间5min（可根据项目情况设定）并且已运行的机组的负载率都持续大于95%（可根据项目情况设定）时，进行加档程序。         

降档程序：当出水温度小于设定值，持续时间5min（可根据项目情况设定）并且已运行的机组的负载率都持续小于75%（可调整）时，进行减档程序。          

系统加减档的档位设计，考虑实际运行中，末端负荷的大小是实时变化的，因此系统需要频繁切换运行档位，而在切换过程中各设备加载需要一定的响应时间，所以在档位设计时为系统负荷切换触发值留下一定裕量，使相邻两档的系统负荷存在5%的重合区间。

摘自《工业冷冻水集群控制系统新型节能策略研究》 制冷技术 张欢

制冷机房的群控由谁来做？

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制冷机房的群控是以设计院设计图纸为基准，以实现系统高效和降低运行费用为目标，实现的方式主要有两种：
一种是将空调系统并入楼宇控制系统中，由自控公司完成。过去的要求比较简单，基本上是冷水机组、水泵、冷却塔等设备的启停逻辑。由于自控公司技术实力参差不齐，且在空调领域往往没有专门的人才和技术储备，难以胜任大型、超大型公建中的复杂空调系统的群控系统设定与调试。
另一种做法是由冷机厂家提供配套的群控系统。由于厂配群控系统需要增加投入，需要经过培训的专业的运维人员，往往在项目实施过程中因为预算、运维人员技术能力等原因被简化甚至取消。
现在随着双碳战略的实施，空调制冷系统节能潜力巨大，大量空调厂家及专业机电顾问公司开始介入机房群控系统的研发投入，并联合设计院、科研单位等推出高效机房概念并制定相关标准，以实现制冷空调领域在双碳战略中的重大突破。
在制冷空调领域的节能减排能力也成为空调市场新的业务增长点和相关厂家的核心竞争力。