中央空調系統冷卻塔節能優化和智能控制研究

武曉 周宇豪 王亞東

中移系統集成有限公司 北京 100052

1 冷卻塔的PID智能控制框架

改造以節能為目的，對于冷卻塔風機采用PID控制和變頻技術進行溫度控制[1]。以某品牌的多回路智能PID作為控制器，以某品牌熱電阻溫度傳感器作為溫度采集裝置，通過某品牌5.5kW變頻器對電機進行調速，使用可控硅模塊和電動閥進行流量調節。改造前啟動塔風機數量和閥門開啟狀態采用的傳統控制且沒有變頻器。提出的控制系統將應用多回路智能PID控制器、變頻器、可控硅開關、電動閥、溫度傳感器等對冷卻塔進行控制。

2 數據中心中央空調冷卻塔基于節能改造的硬件設計

中央空調系統的冷卻塔控制系統的硬件由多回路智能PID控制器、溫度傳感器、水位保護、高溫保護、變頻器等組成。下面對主要器件的功能進行介紹。

多回路智能PID是整個節能控制系統的核心硬件，對整個冷卻塔節能控制系統起著核心控制作用[2]。對整個系統采集的數據進行記錄、顯示、監測、處理。出水溫度傳感器為PT100溫度傳感器，安裝在能夠靈敏反應中央空調機組冷卻水溫度的地方，其作用是為多回路智能PID控制器采集水溫數據。水位保護器是冷卻塔水位監測裝置，水位過低或者過高都會反饋信息給多回路智能PID控制器。防止某些特殊情況下（如機組水流開關或者壓差開關故障）機組干燒。高溫保護是防止冷卻塔水溫過高的溫度傳感器，冷卻塔水溫過高可能引起中央空調主機踹振，嚴重情況下會使機組報廢，與出水溫度傳感器安裝在同一個地方。

主變頻器是某品牌的5.5kW變頻器。主變頻器控制一臺5.5kW的風機，采用PID方式控制，根據水溫調節頻率。電動閥采用某品牌DN100電動閥，根據冷卻塔進出水溫度的差值調整流量。可控硅模塊通過接收多回路智能PID控制器給出的信號對電動閥門進行控制，其優點在于可以將通斷時間降到1s和通斷電路沒有任何電火花。2號、3號輔助變頻器為某品牌的5.5kW變頻器，輔助變頻器啟動條件是在主變頻器控制的風機滿負荷的情況下不能達到降溫目標時依次啟動，依次啟動的溫差為1.5℃。根據數據中心中央空調冷卻塔節能需求所制定的硬件選型方案如表1所示。

表1 節能控制系統硬件選型方案

綜上所述，數據中心中央空調冷卻塔控制系統的硬件系統通過不同器件采集各種數據傳輸給多回路智能PID控制器，多回路智能PID控制器對接收到的數據進行處理，然后發出指令給各個執行器，實現冷卻塔的節能控制。

3 中央空調冷卻塔的節能需求進行的程序設計

要使中央空調冷卻塔系統安全、節能、高效的運行，就必須對冷卻塔出水溫度和流量進行有效控制，當下用于冷卻塔控制的方式有PID控制和模糊控制兩種方式，而PID在冷卻塔控制方面是應用最為廣泛的算法。采用PID算法對程序進行設計，控制系統的流程圖如圖1所示。

圖1 冷卻塔控制回路系統圖

從圖可以看出對節能系統的控制如下：利用安裝在冷卻塔進出水管上的溫度傳感器測出進出水溫度，根據測出的出水溫度與設定值進行比較，從而進行主變頻器的頻率調節和啟動輔助變頻器，對冷卻塔散熱量進行調整。根據冷卻塔進出水溫差進行電動閥門開度的調節，進而對冷卻水的流量進行調節。設定最高出水溫度保護值，保護值與高溫保護溫度傳感器測出溫度進行對比，以達到保護中央空調主機的目的。水位保護器對水位進行測量，當超過最高水位或者低于最低水位時，水位保護器閉合給出信號，多回路智能PID控制器發出報警信號[3]。

綜合上述過程，運用基于節能需求的數據中心中央空調冷卻塔控制系統對冷卻塔系統進行控制的過程如下：在程序中提前設定冷卻塔出水溫度值和進出水溫差值，通過各個溫度傳感器對冷卻塔系統的溫度進行采集后，將采集的溫度與設定值進行對比，通過PID算法將處理過的信號傳輸給變頻器，通過調節頻率對電機的轉速進行調節，如果偏差值較大則多回路智能PID控制器將根據溫差依次啟動輔助變頻器，從而實現對溫度的控制，以實現冷卻塔節能的目的。

4 結語

針對傳統的中央空調冷卻塔控制系統存在能耗高、效率低的問題，提出改善這一缺點的中央空調冷卻塔控制系統開發應用，通過對其硬件設計、硬件選擇、軟件設計，完成了基于改善能耗高、效率低的控制系統，最后通過對比得出提出的控制系統比傳統的中央空調冷卻塔控制系統在保證安全運行的情況下更加節能且節能效果明顯。