基于物聯網的冷水機組節能與安全分析

黎天標，毛 力，曾永忠，周 璇，葉向榮

（1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510000；2.華南理工大學，廣州 510000）

綠色發展是我國“十四五”規劃的核心，碳達峰和碳中和貫穿于經濟社會發展全過程和各方面，建筑節能和工業節能是實現工業領域碳達峰行動的重要途徑。冷水機組是建筑空調機組和工業冷卻的主要用能設備，在電子工業、醫藥制造和數據中心等領域趨勢尤其明顯。中央空調系統的總能耗在公共建筑能耗中占的比例約為40%～60%，而冷水機組的能耗又占空調系統總能耗的40%，部分地區甚至高達70%。降低冷水機組的能耗成為了空調節能，甚至建筑節能的重要一環[1]。另外，冷水機組系統中的蒸發器和冷凝器等承壓設備存在爆炸及氨泄漏等危險性[2]。現有冷水機組節能運行監測系統大多僅針對空調系統節能進行監測與故障診斷，而缺少對冷水機組中的冷凝器、蒸發器及油分離器等壓力容器的安全在線監測。目前檢驗機構開展冷水機組節能及其系統中的壓力容器安全檢測均需要測試人員到現場，耗費大量的人力物力，而且只能測出當時狀態下冷水機組的節能及安全狀況，無法測定冷水機組在運行工況變化后的節能與安全狀況，與冷水機組動態負荷頻繁變化的現狀不相符，同時也無法對冷水機組的運行參數進行實時監測，不能滿足節能與安全監測的需要。

為實現冷水機組節能與安全的在線監測，記錄運行數據，并分析不同運行工況下冷水機組節能與系統的安全性，利用物聯網技術研究開發冷水機組節能與安全運行參數在線遠程監測系統，建立集節能數據采集、匯總、統計、分析計算、預報預警及數據共享于一體的統一的信息化監測平臺，不僅能夠滿足建筑業主、工業企業和安全監管部門的現實需要，而且對于冷水機組系統的節能改造和社會實現碳達峰、碳中和意義重大。

1 系統構建

基于物聯網的冷水機組節能與安全監測系統是應用物聯網無線數據傳輸技術，對冷水機組的各種運行參數進行在線監測與預警，該系統具有施工便捷、成本低、監測范圍廣、速度快，以及便于進行長期的全天侯無地域限制動態監測等優勢，特別對一些安裝運行時間較長、自動控制水平較低、缺乏遠程在線監測裝置、布線困難、節能和安全運行等級無法判斷等場合，該物聯網監測系統將發揮不可替代的作用。

基于物聯網的冷水機組節能與安全監測系統主要包括冷水機組運行節能在線監測模塊、節能分析模塊、運行數據標準管理模塊、安全分析模塊及運行節能數據分析模塊等組成。其中，冷水機組運行節能在線監測模塊包括冷水機組蒸發溫度及蒸發壓力、冷凝溫度、冷凝壓力、冷凍供回水溫度和冷卻水進出口溫度等運行參數的可視化在線監測；節能監測分析模塊包括運行節能建模計算、統計分析與低節能報警等功能；運行數據標準管理模塊包括冷水機組冷凝器運行參數閾值、COP閾值與表字段拓展信息維護功能；安全分析模塊包括各類冷水機組特種承壓部件典型安全運行參數庫建立、特種承壓部件安全運行歷史數據展示等功能。

2 系統軟件平臺

軟件平臺遵循J2EE規范，采用組件+分布式架構。最大化組件通用性的優勢，各應用層功能可以靈活通過組件組合的方式實現。組件采用JAVA語言JAR包的形式提供。根據實際需要可靈活擴展組件，也可根據實際情況通過組件組合添加新的功能。平臺架構圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網的冷水機組節能與安全監測系統平臺架構圖

軟件平臺總體功能包括4大核心功能模塊及1個基礎支撐模塊。4大核心功能為標準子系統、節能分析、安全分析及數據分析。基礎支撐模塊包含用戶、角色、權限及數據字典等。總體功能框架圖如圖2所示。

圖2 軟件平臺總體功能框架圖

其中，運行節能建模評價可以實現對多種冷水機組運行特性分析，利用采集的運行參數，結合新興的機器學習算法（如支持向量機、小波分析等）或多元非線性回歸算法等建立各類冷水機組運行節能模型，結合相關標準，對各種工況下冷水機組運行節能等級進行評價，為企業提供冷水機組節能改造依據。

冷水機組特種承壓部件安全運行智能診斷對冷水機組內的各特種承壓部件（冷凝器、蒸發器等）的安全運行參數進行前期調研分析，建立不同類型冷水機組特種承壓組件的安全運行參數庫，利用數據庫建立起運行的安全閾值，對特種承壓設備進行實時監控，根據冷水機組系統中特種承壓設備的在線監測數據，判斷冷水機組特種承壓部件的安全運行狀態，對可能存在的安全問題進行預警，以達到消除安全隱患的目的。

基于物聯網的冷水機組節能與安全監測系統軟件平臺的實施過程主要為：①根據數據來源的不同，軟件平臺具備讀取本地文件和鏈接遠程數據庫的功能，用戶可自由篩選建模和控制算法所需的輸入輸出數據；②軟件平臺具備數據在線預處理功能，實現數據缺失、突變值和累積突變值的在線識別與修復，實現數據的歸一化和平滑操作，保證建模和控制算法的數據質量；③平臺中應有多種能耗預測算法的調用接口，可以對比不同算法的結果從而選擇預測精準度高的算法；④對于每種能耗預測算法，能夠調節超參數，保證預測的精準性；⑤軟件平臺可對原始數據和計算結果進行可視化操作，以圖表形式向用戶展示，便于用戶分析。

2.1 冷水機組運行參數在線監測

冷水機組運行節能在線監測界面包括設備選擇和實時監測界面。可選擇安裝了數據采集儀的各企業的各臺冷水機組，對冷水機組的冷凍水進出口溫度，冷卻水進出口溫度，壓縮機吸氣溫度、排氣溫度，壓縮機吸氣壓力、排氣壓力及運行節能等參數進行實時監測。如圖3所示。

圖3 冷水機組運行節能監測分析界面圖

2.2 冷水機組運行數據標準管理

冷水機組運行數據標準管理界面能夠根據用戶需求，自行設定各種運行參數字段設置、安全運行閾值以及運行節能標準等參數，作為冷水機組的安全運行診斷的標準。冷水機組運行數據監測同樣能夠對冷水機組的各運行參數與已設定的閾值或標準進行對比分析，一旦超出閾值，則在界面進行報警，提示設備維護人員及時進行安全隱患排查。如圖4所示。

圖4 冷水機組運行參數監測分析界面

2.3 冷水機組運行數據安全分析

冷水機組運行數據的安全分析主要包括冷水機組系統中壓力容器設備的數據查詢，壓力容器設備異常歷史數據查詢、節能報告、報警方式及報警字段設置等功能，如圖5所示。

圖5 冷水機組運行報警情況統計分析

2.4 冷水機組運行節能數據分析

冷水機組運行節能數據分析功能目前已實現冷水機組運行節能監測的數據分析，通過抽取2020年廣州地區部分冷水機組節能數據進行分析，可以直觀地反映出各區甚至各臺冷水機組節能狀況，為后期更好地開展冷水機組節能改造等措施提供技術支撐。廣州各區域部分冷水機組運行節能分析總覽，如圖6所示。

圖6 廣州市各區域部分冷水機組運行節能數據分析

3 結束語

本文提出一種基于物聯網的冷水機組節能與安全運行在線監測系統，利用物聯網技術研究開發冷水機組節能與安全運行參數在線遠程監測系統，建立集節能數據采集、匯總、統計、分析計算、預報預警及數據共享于一體的統一的信息化監測平臺，成為建筑業主、工業企業和安全監管部門的現實需要。實現冷水機組節能與安全運行參數快速、準確、實時記錄并遠程在線監視冷水機組的運行情況，通過采集的參數實時計算冷水機組的運行效率，及時發現有關安全、節能參數的異常，并自動報警，使用戶能及時采取措施，保證冷水機組在最優的節能、安全參數下運行，達到冷水機組安全和節能減排的目的。