1、概述：

工廠綜合節能控制系統是指通過建筑優化設計，合理地利用自然環境和能量優勢，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、車間照明、通風控制）實現自動化控制，從而達到降低能源消耗、減少運行人員、提高企業管理水平。

2、系統組成：

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

3、網絡結構

網絡結構圖如圖所示。

4、智能通風系統

該廠智能通風系統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，并根據房間二氧化碳含量指數、空氣濁度、室外氣象等自然現象自動控制電動窗戶進行空氣交換，以滿足房間內空氣新鮮。

4.1自然通風系統

自然通風是指通風控制系統根據房間空氣質量，自動將室外新鮮空氣引進，室外空氣與房間內空氣進行中和，以使房間空氣清晰，溫度基本穩定。

4.1.1辦公室自然通風

該廠所在的辦公區域房間都裝有電動控制窗戶（通過控制系統自動開啟與關閉）。每個辦公室內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中央控制器中。中央控制器根據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中央控制器中。

春秋季節，辦公區域的中央空調系統將自動關閉，而由自然通風系統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，中央空調系統自動啟動制冷送風。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，辦公區域室內室溫度由中央空調供熱控制。當室外溫度高于10攝氏度，中央空調系統自動減少供熱量，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，中央空調系統自動供熱。

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，也可以在中央監控中心平臺軟件上進行設定。

春秋季節，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

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有毒器濃度超標時，通風機啟動工作。

當車間發生火災時，強迫排風裝置會自動啟動工作，確保車間煙氣及時排出。

5、地源熱泵空調系統

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能空調設備。

地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現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，供給室內采暖。夏季把室內的熱量取出來，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。機組調節方式為連續容量調節（調節范圍25~100），分別為車間和辦公室中央空調系統提供熱量與冷量。

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。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、熱量冷量調節采用自動化控制。熱泵自動控制裝置能根據設定的運行時間自動投入熱泵機組和相應的循環水泵，并能根據外部用冷用熱情況自動啟動調峰機組，以實現最大化的節能運行。

當熱泵機組設備出現故障后，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，熱泵自動控制系統能完成冷熱和熱冷工況自動切換。

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

5.2車間地熱系統

車間采用地熱盤管采暖及制冷，每個車間地熱采暖系統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域的溫度恒定，必須在盤管供水入口上安裝電動調節閥門，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進行維護，不必擔心由于維護或故障原因而造成整個系統癱瘓。

5.2.1車間地熱盤管所在區域溫度的控制方法

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。

經驗調節：在各個控制器上輸入盤管回水溫度調節曲線，控制系統通過檢測盤管回水溫度和室外溫度，自動調節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（也相當于此區域地板處的溫度），用戶可以在現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，系統將自動調節盤管入口流量從而使盤管出水溫度穩定在此設定值，用戶可以在現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（經驗調節曲線或固定回水溫度），這樣可生成一條更經濟的運行曲線。用戶可以在現場通過液晶鍵盤對此曲線進行修改。

手動調節：用戶可以在現場通過液晶鍵盤手動給定調節閥門的開度，從而調節盤管供水流量。

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節閥門。

5.2.2防止結露控制技術

車間裝有專門用于監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，溫度調節閥門將全部打開，以增大冷量釋放，但當地面溫度過低時，由于冷、熱空氣交匯地面會出現結露、積存冷凝水。當結露傳感器檢測到地面會出現露水時會立刻將信號發送到本區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域的冷水循環供應，以減少結露，當露水消失后，盤管會自動開啟。

5.2.3動態調節式風機盤管

當車間工作負荷過大、人員多、夏季出現極端高溫天氣，冬季出現極端寒冷天氣時，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辦公室中央空調系統

辦公區域全部采用中央空調系統。為了最大化的節約能源，每層樓裝有一臺中央空調處理機組，該機組由冷熱盤管、過濾系統、加濕系統、除濕系統、輔助制熱系統組成。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節，送風溫度由樓層中央空調機組處理器統一處理。中央空調機組的冷熱源由地源熱泵機組提供。

夏季工況：地源熱泵系統為辦公室樓層中央空調處理機組提供8度的冷凍水，由樓層中央空調處理機組統一為本樓層辦公區域提供冷風。中央空調機組每天早上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變風量送風系統會自動加大對此辦公室的送風。

冬季工況：地熱熱泵系統為辦公室樓層中央空調處理機組提供60度的熱水，由樓層中央空調處理機組統一為本樓層辦公區域提供熱風，中央空調機組每天早上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變風量送風系統會自動加大對某一辦公室的送風。

春秋季節：由自然通風系統自動控制，中央空調系統不工作。

6、智能照明系統

工廠燈光照明控制的目的是最大化地節約電能、提高電燈使用壽命、統一管理并合理調配區域照明照度、為工廠電力供應進行電能統計。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，統一由節能控制中心進行統一設置參數和管理。由于路等之間通過LonWorks網絡進行互相通訊，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網絡傳至節能控制中心，由節能控制中心進行計算并指揮路燈的工作。在本系統中，路燈工作模式如下：

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

路燈自動節能調配：當到達22點后，路燈控制程序將開啟自動節能模式，即關閉路燈編號中的偶數路燈（2、4、6...），以減少電能的消耗。進入節能程序2小時后，將自動開啟偶數路燈，關閉奇數路燈（1、3、5…），系統每兩個小時更換一次電燈的開啟與關閉。

關閉路燈：當廠區照度高于5LUX（可設定）時，路燈自動關閉。

優點：采用照度控制，可以根據室外光線來合理地開啟路燈和關閉路燈，避免了傳統定時控制的缺陷，夜間采用循環點燈技術，更有效地節約了電能。

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域的偶數電燈，以增加工人所在范圍的照度，通常照度會超過150LUX，當人體離開工作區域時，偶數電燈會自動關閉，進入節電模式。

6.3辦公室照明控制

該廠辦公區域分為獨立辦公區和綜合辦公區，辦公區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量是根據辦公區域大小和分布情況而定的，綜合辦公區域每隔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工作，并檢測人體是否存在，如果人體離開后10分鐘內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，照明燈繼續開啟。

7、綜合節能控制分析

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

地源熱泵控制系統是當今主流的新型的能源系統，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，地源熱泵系統比傳統冷熱源系統節能電力20%。

中央空調控制系統采用先進的自動化控制技術，合理地與自然通風系統結合使用，定時控制，統一送風，達到了有效的節能。

照明節能控制系統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省50%，大大地減少了耗電量，為企業帶來了很好的效益。

智能通風節能系統車間和辦公室在春秋季節不使用外部能量的情況下完成了所在區域的空氣調節。

由于建立了中央監控中心，以上四個子系統的運行數據都能通過通訊網絡傳輸到監控中心，運行管理人員可以在監控中心遠程設定各分系統的運行參數，并能進行遠程故障查找診斷，減少了對運行人員的需求，提高了企業的運行效率，減少了運行成本。

8、結束語

現代工廠綜合節能控制系統是一個復雜的大型控制系統。在本工程中只涉及到了：中央空調系統、地源熱泵系統、工廠節能系統、智能通風系統。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能控制系統。全方位的自動化節能在設計和工廠建設前期需大量的資金投入，這是導致本行業前進較為緩慢的原因。

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