1、概述：

工廠綜合節(jié)能控制系統(tǒng)是指通過建筑優(yōu)化設計，合理地利用自然環(huán)境和能量優(yōu)勢，減少對能源（電力、水、燃氣）的消耗。利用科技手段對工廠基礎設施（中央空調(diào)、車間照明、通風控制）實現(xiàn)自動化控制，從而達到降低能源消耗、減少運行人員、提高企業(yè)管理水平。

2、系統(tǒng)組成：

本節(jié)能控制系統(tǒng)由智能通風系統(tǒng)、地源熱泵控制系統(tǒng)、中央空調(diào)控制系統(tǒng)、照明節(jié)能控制系統(tǒng)組成。四個分系統(tǒng)通過LONWORKS、MODbus-RTU總線與主監(jiān)控中心計算機連接，管理人員可以在監(jiān)控中心計算機上對以上四個分系統(tǒng)進行獨立配置、運行狀況監(jiān)控、遠程參數(shù)設定。

3、網(wǎng)絡結構

網(wǎng)絡結構圖如圖所示。

4、智能通風系統(tǒng)

該廠智能通風系統(tǒng)由辦公室和車間兩部分組成，通風自動控制是指能通過中央空氣控制器，并根據(jù)房間二氧化碳含量指數(shù)、空氣濁度、室外氣象等自然現(xiàn)象自動控制電動窗戶進行空氣交換，以滿足房間內(nèi)空氣新鮮。

4.1自然通風系統(tǒng)

自然通風是指通風控制系統(tǒng)根據(jù)房間空氣質(zhì)量，自動將室外新鮮空氣引進，室外空氣與房間內(nèi)空氣進行中和，以使房間空氣清晰，溫度基本穩(wěn)定。

4.1.1辦公室自然通風

該廠所在的辦公區(qū)域房間都裝有電動控制窗戶（通過控制系統(tǒng)自動開啟與關閉）。每個辦公室內(nèi)裝有一只二氧化碳傳感器與一只溫度傳感器。傳感器所測量的信號被送入通風系統(tǒng)中央控制器中。中央控制器根據(jù)所設定的房間溫度自動控制電動窗戶的開啟與關閉，進行空氣交換。

在辦公室樓頂裝有一只風速傳感器和雨滴傳感器，辦公室窗戶兩側分別裝有一只雨滴傳感器。雨滴和風速傳感器信號送入到通風系統(tǒng)中央控制器中。

春秋季節(jié)，辦公區(qū)域的中央空調(diào)系統(tǒng)將自動關閉，而由自然通風系統(tǒng)完成對辦公室的空氣控制。早上8點時，室外是微風或小風時，電動窗戶自動開啟，為辦公室引入早晨新鮮的空氣。當辦公室工作人員9點到達辦公室，能第一時間感受到大自然給予的清新空氣。當辦公室室外氣象溫度變化（下雨或刮風）時，電動窗戶會自動關閉。下午16時，電動窗戶會自動關閉。

夏季時，自動通風系統(tǒng)每天早上7點自動打開全部電動窗戶，引入室外新鮮空氣，8時電動窗戶自動關閉，中央空調(diào)系統(tǒng)自動啟動制冷送風。陰天或室外溫度低于25攝氏度時電動窗戶會自動開啟，下雨時自動關閉。

冬季時，辦公區(qū)域室內(nèi)室溫度由中央空調(diào)供熱控制。當室外溫度高于10攝氏度，中央空調(diào)系統(tǒng)自動減少供熱量，電動窗戶自動開啟30分鐘，引進室外新鮮空氣，30分鐘后電動窗戶自動關閉，中央空調(diào)系統(tǒng)自動供熱。

4.1.2車間自然通風

車間頂部都安裝有電動窗戶，每個車間有60扇電動窗戶，由6套獨立的通風控制器自動控制，每個車間頂部裝有兩只雨滴傳感器，信號分別送入相應的通風控制器。

車間電動窗戶開啟和關閉的時間可以在通風控制器進行設定，也可以在中央監(jiān)控中心平臺軟件上進行設定。

春秋季節(jié)，每天早上6點時，室外是微風或小風時，電動窗戶全部自動開啟，為車間引入早晨新鮮的空氣，當室外氣象溫度變化（下雨或刮風）電動窗戶會自動關閉。下午18時，電動窗戶會自動關閉。

夏季，車間電動窗戶每天6時開啟，中午12時關閉，下午15時開啟，18時關閉。

冬季，車間電動窗戶在室外溫度超過10度時分組開啟，第一次自動開啟10扇，電動窗戶共分6組每天自動輪換開啟。

4.2強迫通風系統(tǒng)

加工車間分別裝有強迫排風自動控制裝置，每個車間有10組直徑1米的強迫排風機，每個車間都裝有二氧化碳傳感器、可燃氣體泄漏探測器、有毒氣體傳感器。傳感器所測量的信號送入強迫通風分布式控制器中，由通風控制器控制通風機進行工作。

當加工車間二氧化碳傳感器測量到車間二氧化碳濃度過高時，所在區(qū)域的通風機自動開啟工作；可燃氣體傳感器實時在線工作，監(jiān)控車間可燃氣體情況，當探測到車間有可燃氣體時通風機開啟工作；當有毒氣體傳感器探測到車間內(nèi)有毒器濃度超標時，通風機啟動工作。

當車間發(fā)生火災時，強迫排風裝置會自動啟動工作，確保車間煙氣及時排出。

5、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源（也稱低能，包括地下水、土壤、地表水等）既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設備。

地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)由低溫位熱能向高溫位熱能的轉移。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源。冬季把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖。夏季把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量。

該廠地源熱泵系統(tǒng)采用地埋管與土壤交換技術，土壤溫度在10-18℃之間，制冷制熱系數(shù)可以達到3.5~4.7。

5.1熱泵機組

該廠設有專用熱泵機房，由8臺地源熱泵機組組成。制冷工況：制冷量619kW，功率98kW，COP=6.3。制熱工況：制熱量637kW，功率128kW，COP=5.0。機組調(diào)節(jié)方式為連續(xù)容量調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)范圍25~100），分別為車間和辦公室中央空調(diào)系統(tǒng)提供熱量與冷量。

在冷熱源機房自動化控制中，設備最前端由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、水流開關等組成測量系統(tǒng)。傳感器我們選用管道安裝式一體化變送器，變送器全部選用2線制方式（DC24V供電）4-20mA輸出型。具有很強的抗干擾能力，特別適于信號遠距離傳輸。熱泵機組的啟動停止、熱量冷量調(diào)節(jié)采用自動化控制。熱泵自動控制裝置能根據(jù)設定的運行時間自動投入熱泵機組和相應的循環(huán)水泵，并能根據(jù)外部用冷用熱情況自動啟動調(diào)峰機組，以實現(xiàn)最大化的節(jié)能運行。

當熱泵機組設備出現(xiàn)故障后，備用熱泵機組及附屬設備自動啟動運行，并能切除損壞的機組。

夏季冬季切換時，熱泵自動控制系統(tǒng)能完成冷熱和熱冷工況自動切換。

機房控制系統(tǒng)提供標準的工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP）通訊網(wǎng)絡介質(zhì)、標準RJ45接口。用戶可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)中央管理工作站與現(xiàn)場控制機之間的信息傳輸。以太網(wǎng)通訊具有速度快、傳輸距離遠、抗干擾性強、成本低廉等眾多優(yōu)點。通訊協(xié)議支持西門子標準S7300-DP、MPI、MODEBUS協(xié)議，很方便將來與車間控制中央站組成網(wǎng)絡控制。

5.2車間地熱系統(tǒng)

車間采用地熱盤管采暖及制冷，每個車間地熱采暖系統(tǒng)由獨立的小型地熱盤管組成，所有盤管全部分布在車間地板下面不同的位置，為了達到車間某一區(qū)域的溫度恒定，必須在盤管供水入口上安裝電動調(diào)節(jié)閥門，并在此組盤管的回水管上安裝溫度傳感器（最佳的測溫位置應該是此盤管的供熱區(qū)域表面，但是由于車間地面無法安裝溫度傳感器，所以只能裝在回水管道上）。通過理論推導，當回水溫度達到設定溫度時，在一定時間后盤管所在的地面溫度也接近此溫度，所以我們選用回水溫度間接的控制盤管所在區(qū)域的溫度。

總體的一個原則是將相鄰距離較近的盤管集中在一個控制柜中，控制柜采用壁掛式安裝，安裝位置選擇在維護方便環(huán)境較好的地方。選用此種控制模式有以下三個有點：（1）采用就近編組控制減少了集中控制時的布線煩惱；（2）采用就近編組控制減少了控制系統(tǒng)的總投資；（3）采用就近編組控制維護人員可以方便的對系統(tǒng)進行維護，不必擔心由于維護或故障原因而造成整個系統(tǒng)癱瘓。

5.2.1車間地熱盤管所在區(qū)域溫度的控制方法

我們對盤管回水溫度的控制方式大致分為以下幾種，管理人員可在現(xiàn)場盤管溫度控制柜液晶屏上直接選擇盤管溫度工作模式。

經(jīng)驗調(diào)節(jié)：在各個控制器上輸入盤管回水溫度調(diào)節(jié)曲線，控制系統(tǒng)通過檢測盤管回水溫度和室外溫度，自動調(diào)節(jié)盤管入口的閥門開度，從而達到盤管實際回水溫度在設定的回水溫度值范圍內(nèi)（也相當于此區(qū)域地板處的溫度），用戶可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤對此曲線進行修改。

固定回水溫度：用戶可任意設定回水溫度值，系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)盤管入口流量從而使盤管出水溫度穩(wěn)定在此設定值，用戶可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤對此設定值進行修改。

分時段修正運行：本方式支持在不同的時間段修正固定的回水溫度設定值（經(jīng)驗調(diào)節(jié)曲線或固定回水溫度），這樣可生成一條更經(jīng)濟的運行曲線。用戶可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤對此曲線進行修改。

手動調(diào)節(jié)：用戶可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤手動給定調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)盤管供水流量。

緊急手動功能：我們在盤管溫度控制柜上設置有手動緊急操作按鈕，即使是溫度控制器完全被損壞也能正常開啟和關閉溫度調(diào)節(jié)閥門。

5.2.2防止結露控制技術

車間裝有專門用于監(jiān)測地面結露的專用傳感器。當夏季工況時，車間地熱盤管中流動的是14度的低溫水，溫度調(diào)節(jié)閥門將全部打開，以增大冷量釋放，但當?shù)孛鏈囟冗^低時，由于冷、熱空氣交匯地面會出現(xiàn)結露、積存冷凝水。當結露傳感器檢測到地面會出現(xiàn)露水時會立刻將信號發(fā)送到本區(qū)域的地熱盤管溫度控制裝置，溫度控制裝置會立刻切斷本區(qū)域的冷水循環(huán)供應，以減少結露，當露水消失后，盤管會自動開啟。

5.2.3動態(tài)調(diào)節(jié)式風機盤管

當車間工作負荷過大、人員多、夏季出現(xiàn)極端高溫天氣，冬季出現(xiàn)極端寒冷天氣時，地熱所供應的能量在極端天氣下不夠時，安裝了大功率風機盤管作為補償。每個車間裝有12臺功率55kW的大功率風機盤管，風機盤管高度安裝為離地3米，當夏季室外溫度超過38℃時，中午12時后，12臺風機盤管自動開啟，將以最大送風速度為車間送冷，以彌補地熱提供能量不足的情況，當室外溫度降至35℃以下，風機盤管自動關閉，由地熱系統(tǒng)為車間提供冷量。冬季當室外氣溫降至-10℃及以下時，風機盤管啟動，為車間送熱風；溫度高于-5℃時，風機盤管停止工作。

5.3辦公室中央空調(diào)系統(tǒng)

辦公區(qū)域全部采用中央空調(diào)系統(tǒng)。為了最大化的節(jié)約能源，每層樓裝有一臺中央空調(diào)處理機組，該機組由冷熱盤管、過濾系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、輔助制熱系統(tǒng)組成。每個辦公室有不同的送風口和回風口。送風機采用VAV變風量控制技術，送風大小可分別在房間進行調(diào)節(jié)，送風溫度由樓層中央空調(diào)機組處理器統(tǒng)一處理。中央空調(diào)機組的冷熱源由地源熱泵機組提供。

夏季工況：地源熱泵系統(tǒng)為辦公室樓層中央空調(diào)處理機組提供8度的冷凍水，由樓層中央空調(diào)處理機組統(tǒng)一為本樓層辦公區(qū)域提供冷風。中央空調(diào)機組每天早上7時啟動工作，下午18時自動關閉。各辦公室房間溫度基本一致。當某辦公室負荷較大時，辦公室VAV變風量送風系統(tǒng)會自動加大對此辦公室的送風。

冬季工況：地熱熱泵系統(tǒng)為辦公室樓層中央空調(diào)處理機組提供60度的熱水，由樓層中央空調(diào)處理機組統(tǒng)一為本樓層辦公區(qū)域提供熱風，中央空調(diào)機組每天早上7時啟動工作，下午18時自動關閉，各辦公室房間溫度基本一致，當某辦公室負荷較大時，辦公室VAV變風量送風系統(tǒng)會自動加大對某一辦公室的送風。

春秋季節(jié)：由自然通風系統(tǒng)自動控制，中央空調(diào)系統(tǒng)不工作。

6、智能照明系統(tǒng)

工廠燈光照明控制的目的是最大化地節(jié)約電能、提高電燈使用壽命、統(tǒng)一管理并合理調(diào)配區(qū)域照明照度、為工廠電力供應進行電能統(tǒng)計。該廠照明控制分為工廠路燈控制、車間照明控制、辦公室照明控制等組成。

6.1智能路燈控制

路燈全部采用智能路燈控制技術，路燈核心控制器采用當今主流的LonWorks控制器，每一盞燈都帶有一個獨立智能控制。各路燈控制之間通過LonWorks電子載波模塊進行連接，統(tǒng)一由節(jié)能控制中心進行統(tǒng)一設置參數(shù)和管理。由于路等之間通過LonWorks網(wǎng)絡進行互相通訊，路燈的開啟與關閉是由室外照度和時間雙重進行控制。照度的測量由室外一只高性能照度傳感器測量，照度傳感器將測量結果通過LonWorks網(wǎng)絡傳至節(jié)能控制中心，由節(jié)能控制中心進行計算并指揮路燈的工作。在本系統(tǒng)中，路燈工作模式如下：

開啟路燈：當廠區(qū)照度低于0.2LUX（可設定）時，廠區(qū)路燈將自動開啟，路燈開啟時采用分區(qū)域、分等級方式開啟，先開啟重要區(qū)域和人員活動密集區(qū)域，直到最后一盞路燈開啟。

路燈自動節(jié)能調(diào)配：當?shù)竭_22點后，路燈控制程序將開啟自動節(jié)能模式，即關閉路燈編號中的偶數(shù)路燈（2、4、6...），以減少電能的消耗。進入節(jié)能程序2小時后，將自動開啟偶數(shù)路燈，關閉奇數(shù)路燈（1、3、5…），系統(tǒng)每兩個小時更換一次電燈的開啟與關閉。

關閉路燈：當廠區(qū)照度高于5LUX（可設定）時，路燈自動關閉。

優(yōu)點：采用照度控制，可以根據(jù)室外光線來合理地開啟路燈和關閉路燈，避免了傳統(tǒng)定時控制的缺陷，夜間采用循環(huán)點燈技術，更有效地節(jié)約了電能。

6.2車間照明控制

該廠共有6個（分別F1、F2、F3、F4、F5、F6）生產(chǎn)加工車間，每個車間裝有240盞防眩無極頂燈，頂燈間平行間距6米，距離地面20米，方形排布，燈分布在整個車間頂部，每4個燈組成一個控制回路，車間四周側壁每隔10米裝有一盞超強抗震大功率泛光燈，安裝高度為離地10米，燈具工作電源為220V交流供電。

每個車間裝有4個照度傳感器，分別布置在10,100,200米的空間位置，照度傳感器負責將車間空間內(nèi)的照度測量傳送給燈光控制器。車間每隔12米裝有一個高性能人體移動感應傳感器，人體移動感應器由紅外和雷達波雙簽組成，人體探測信號通過信號系統(tǒng)送入燈光控制器。車間照明的燈的開啟和關閉由車間燈光管理控制器控制。

車間照明燈的開啟：數(shù)控及結構加工車間照度低于50LUX（可設定）時，車間照明燈自動開啟奇數(shù)頂燈，以確保車間基本的照明，當有工人在車間走動時，移動傳感器會探測到人體，此時燈光控制器會自動開啟工人所在區(qū)域的偶數(shù)電燈，以增加工人所在范圍的照度，通常照度會超過150LUX，當人體離開工作區(qū)域時，偶數(shù)電燈會自動關閉，進入節(jié)電模式。

6.3辦公室照明控制

該廠辦公區(qū)域分為獨立辦公區(qū)和綜合辦公區(qū)，辦公區(qū)域燈光控制由人體移動傳感器和照度傳感器組成，每個辦公室至少裝有一只照度傳感器和一只人體移動感應傳感器，人體移動傳感器的數(shù)量是根據(jù)辦公區(qū)域大小和分布情況而定的，綜合辦公區(qū)域每隔6米安裝一只人體移動傳感器，以加大人體探測密度。照度和人體移動感應信號全部送入辦公室照明燈光控制器中，各辦公室電燈組由燈管控制器分組控制。

標準辦公室照明照度為150LUX，當辦公室低于80LUX時，人體移動傳感器會自動檢測是否有人體存在，如辦公室有人存在時且照度低于80LUX，所在區(qū)域的照明燈會自動開啟。照明燈開啟后，照度傳感器停止工作，人體移動傳感器持續(xù)工作，并檢測人體是否存在，如果人體離開后10分鐘內(nèi)照度傳感器沒有檢測到人體，辦公室照明燈將自動關閉。當再次檢測到人體時，照明燈繼續(xù)開啟。

7、綜合節(jié)能控制分析

工廠綜合節(jié)能控制系統(tǒng)是由多系統(tǒng)組成的，在該工廠中，由地源熱泵控制系統(tǒng)、中央空調(diào)控制系統(tǒng)、照明節(jié)能控制系統(tǒng)及智能通風系統(tǒng)組成。每一個獨立的系統(tǒng)都由自動化儀表、傳感器完成測量，并將所測量的信號送入控制單元，控制單元根據(jù)設定的程序和外界變化情況對所控制的對象進行調(diào)節(jié)，以達到節(jié)能運行。

地源熱泵控制系統(tǒng)是當今主流的新型的能源系統(tǒng)，能以較少的電力提取更高的土壤中的冷熱量，能效比高，再加上自動化控制技術對熱泵機組進行合理的控制、能量的匹配，地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)冷熱源系統(tǒng)節(jié)能電力20%。

中央空調(diào)控制系統(tǒng)采用先進的自動化控制技術，合理地與自然通風系統(tǒng)結合使用，定時控制，統(tǒng)一送風，達到了有效的節(jié)能。

照明節(jié)能控制系統(tǒng)引入了當今主流的科技手段，通過智能控制器結合照度、人體感應等技術來完成燈光控制，采用此控制技術全廠照明燈可節(jié)省50%，大大地減少了耗電量，為企業(yè)帶來了很好的效益。

智能通風節(jié)能系統(tǒng)車間和辦公室在春秋季節(jié)不使用外部能量的情況下完成了所在區(qū)域的空氣調(diào)節(jié)。

由于建立了中央監(jiān)控中心，以上四個子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)都能通過通訊網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，運行管理人員可以在監(jiān)控中心遠程設定各分系統(tǒng)的運行參數(shù)，并能進行遠程故障查找診斷，減少了對運行人員的需求，提高了企業(yè)的運行效率，減少了運行成本。

8、結束語

現(xiàn)代工廠綜合節(jié)能控制系統(tǒng)是一個復雜的大型控制系統(tǒng)。在本工程中只涉及到了：中央空調(diào)系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、工廠節(jié)能系統(tǒng)、智能通風系統(tǒng)。而工廠中可以進行智能化控制與管理的設備遠遠大于以上四部分，如車間用電設備的智能監(jiān)控，通過電流記錄可以判斷出設備和工人的操作效率、全方位視頻監(jiān)控與跟蹤，給排水和燃氣供應自動化控制等等，都可以加入工廠綜合節(jié)能控制系統(tǒng)。全方位的自動化節(jié)能在設計和工廠建設前期需大量的資金投入，這是導致本行業(yè)前進較為緩慢的原因。

隨著我國工業(yè)化進程的加快，對能源需求日益增高，國家對環(huán)境保護意識的不斷提高和相關鼓勵政策的出臺，工廠綜合節(jié)能系統(tǒng)將是未來發(fā)展的主要方向。