CN100445655C - 基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法及装置,属于暖通空调水输送技术;旨在提供一种动态调节水流量的方法及装置。该方法包括数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量输和调节控制;通过对供、回水温度以及压差三项参数的采集,计算出供回水温差、供回水平均温差、回水温度偏差,然后进行逻辑判断并输出控制量。其装置包括传感器、分水器、集水器、运行参数采集箱、计算机、水力平衡控制器、变频器、循环水泵和电动调节阀;各传感器分别与运行参数采集箱(4)连接,变频器(13)和各电动调节阀I(10)分别与水力平衡控制器(6)连接,运行参数采集箱(4)和水力平衡控制器(6)与计算机(5)连接。

Description

基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法及装置
技术领域:
本发明涉及一种暖通空调水系统水力平衡的调节方法,尤其涉及一种暖通空调水系统的水力平衡动态调节方法;本发明还涉及一种实现该方法的装置。
背景技术:
在建筑物暖通空调系统中,冷媒或热媒由闭式管路系统输配到末端各用户。暖通空调水系统往往根据空调负荷的特点分成若干个区域,每个区域由一个水系统环路组成。在使用过程中水力失调是常见的现象,尽管各个区域的水系统环路可以采用同程式系统,但在负荷不同的情况下仍会造成各环路之间存在阻力不平衡的问题。由于水力失调会使系统流量分配不合理,造成某些区域(环路)流量过剩或不足,导致某些区域(环路)出现冬天不热、夏天不冷的情况;系统冷、热分配不均,还会造成大量的能量浪费。
为解决上述问题,最常用的办法是加大水系统流量和提高水泵扬程,然而这仍会产生冷、热不均以及造成更大的电能浪费。在工程实践中,人们为了获得水力平衡,往往采用节流孔板、调节阀、动态流量平衡阀等节流元件来调节管路的阻力和流量,使各个环路的实际流量符合设计流量的要求或保持一个定值。但即使做到这样,静态的水力平衡仍然无法保证空调各环路对能量的动态需求。这是因为:现代建筑内部功能的复杂性、多样性以及负荷的时变性,空调水系统各个环路对冷、热的需求量不同,而且是动态变化的,同时各环路、各类空调最大负荷出现的时刻也不相同,因此即使做到了各个环路水力静态平衡——水流量符合设计的比例要求,各个环路的空调效果依然不平衡。而且由于一些环路末端负荷开启或关闭的变化,必然会导致系统的水流量产生增大或减少的变化,系统的水力平衡也会随之发生变化,产生新的水力失调。其结果是:对于各个环路都安装有节流孔板、手动调节阀等人工调节元件的定流量水系统来说,会引起系统的阻力和流量分布发生变化,导致其他环路的流量增大或减小;对于各个环路都安装有动态流量平衡阀的定流量水系统而言,当阀门前后的压差仍在其正常工作范围时,仍然能保持各个环路流量不变,但会造成同一环路中其它末端空调设备流量改变,产生各自环路内的水力失衡;当流量变化较大使水系统压差超过阀门的正常工作范围时,阀门的动态平衡功能失效,将导致整个系统的水力失调。
由此可见,暖通空调系统水力失调现象是十分普遍的、随机变化的、动态的,应用水力静态平衡调节的方法无法克服上述缺陷,只有采用动态水力调节方法才能真正有效地解决暖通空调系统水力平衡问题。
发明内容:
针对现有技术中存在的上述缺陷,本发明旨在提供一种基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法,该方法能够动态调节各个环路的水流量,从而保障各个环路的末端负荷都能够获得各自所需要的能量——冷量或热量;本发明的目的还在于提供一种实现该方法的装置。
为了实现上述目的,本发明所提供的方法采用以下技术方案:它包括数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量输出并进行调节控制;通过对系统的供水温度、回水温度以及集水器、分水器之间的压差三项运行参数的采集,计算出各环路的供回水温差、所有环路的供回水平均温差、各环路的回水温度偏差,然后根据上述各温差值以及压差值进行逻辑判断并输出控制量,该控制量经过水力平衡控制器转换后对安装在各环路上的第一电动调节阀直接进行调节控制,同时通过变频器对安装在总供水管上的循环水泵同时进行调节控制;具体方法如下:
(1)数据采集,水温参数由分别安装在总供水管上、各环路回水管上以及总回水管上的水温传感器对水系统的供水温度ti、某环路的回水温度tn以及水系统的回水温度to进行采集,压差参数由安装在分水器和集水器之间的水流压差传感器对供、回水管路之间的压差ΔP进行采集;运行参数采集箱将采集到的数据转换为数字信号后传送计算机;
(2)数据处理,计算机根据上述数据并按下列公式分别计算出某环路的供回水温差Δtn、所有环路的供回水平均温差Δt、某环路的回水温度偏差Δtn′:
Δtn=tn-ti
Δt=(Δt1+Δt2+……+Δtn)/n≈to-ti≈Δt′
Δtn′=tn-tn
在上述公式中,
n——并联在系统中的环路个数
tn′——某环路设定的回水温度
Δt′——所有环路的供回水设定平均温差
(3)逻辑判断,计算机根据步骤(1)采集的数据、步骤(2)的计算结果分以下三种情况进行逻辑判断:
①当水系统各个环路的回水温度要求保持一致时,将各环路的供回水温差与所有环路的供回水平均温差Δt进行比较,并根据两者的大小确定第一电动调节阀的控制量:若某环路的供回水温差Δtn小于所有环路的供回水平均温差Δt,则表明该环路的供水量过剩,需要减小该环路的流量;反之,则表明该环路的供水量不足,需要增大该环路的流量;若某环路的供回水温差Δtn接近所有环路的供回水平均温差Δt,则表明该环路的水流量平衡;同时还要进行水系统供水量判断并确定循环水泵的控制量:若大部分或所有环路的温差Δtn均大于所有环路的供回水平均温差Δt或所有环路的供回水设定平均温差Δt′,则说明系统供水量不足,同时还应增大水系统供水量;反之,则说明水系统供水量过剩,应减小水系统供水量;
②当水系统各个环路的回水温度要求不相同时,根据某环路的回水温度偏差Δtn′的正负值确定第一电动调节阀的控制量:若某环路的回水温度偏差Δtn′为负值,则表明该环路的供水量过剩,需要减小该环路的流量;反之,则表明该环路的供水量不足,需要增大该环路的流量;若某环路的回水温度偏差Δtn′接近零,则表明该环路的水流量平衡;同时还要进行水系统供水量判断并确定循环水泵的控制量:若大部分或所有环路的温差Δtn均大于所有环路的供回水平均温差Δt或所有环路的供回水设定平均温差Δt′,则说明水系统供水量不足,同时还应增大水系统供水量;反之,则说明水系统供水量过剩,应减小水系统供水量;
③当水系统各个环路的负荷动态变化时,根据供、回水管路之间的压差ΔP变化确定循环水泵的控制量:若ΔP增大,则表明水系统的某些环路负荷减小,水系统供水量过剩,需要减小水系统的供水量;反之,则表明水系统的某些环路负荷增大,水系统供水量不足,需要增大水系统的供水量;若ΔP基本没有变化,则表明水系统的某些环路负荷增大、而某些环路负荷减小,水系统供水量平衡;同时还要再按上述情况①或情况②进行温差判断并确定第一电动调节阀的控制量;
(4)控制量输出和调节控制,计算机将控制量传送给水力平衡控制器,该控制器将第一电动调节阀的控制量转变为模拟信号后直接对第一电动调节阀进行调节控制,使各个环路上的水流量与末端负荷的需求相匹配,直至回水温度保持一致或满足预先设定的温度要求;同时,将循环水泵的控制量转变为模拟信号后通过变频器对循环水泵进行调节控制,改变水系统的供水流量,直至分水器与集水器之间的压差恢复到稳定运行值。
为了实现上述方法,本发明所提供的装置采用以下技术方案:它包括第一水温传感器、第二温传感器、第三温传感器、分水器、集水器、运行参数采集箱、计算机、水力平衡控制器、变频器、循环水泵和第一电动调节阀、第二电动调节阀;各个环路的回水干管上设有第一水温传感器,集水器的出口干管上设有第二水温传感器,分水器的入口干管处设有第三水温传感器和循环水泵;各个环路的干管上设有第一电动调节阀,分水器和集水器之间设有第二电动调节阀,水流压差传感器并联在第二电动调节阀的两端;上述各传感器分别通过通信线缆与运行参数采集箱连接,安装在循环水泵上的变频器以及上述各第一电动调节阀分别通过通信线缆与水力平衡控制器连接,运行参数采集箱和水力平衡控制器分别通过通信线缆与计算机连接。
第一电动调节阀设在靠近分水器一端的各环路供水干管上;第一电动调节阀设在靠近集水器一端的各环路回水干管上。
与现有技术比较,本发明由于采用动态调节的方法来控制各个环路的水流量,从而有效地保障了各个环路的末端负荷都能够获得各自所需要的能量——冷量或热量,真正实现了水系统的水力平衡。另外,本发明由于将水力平衡调节与水系统的流量调节有机的结合起来,在实现能量分配平衡的同时实现了水系统流量的按需供给,有效地降低了系统的能量浪费,取到了良好的节能效果。
附图说明:
图1是本发明装置的原理示意图。
图中:第一水温传感器1  集水器2  第二水温传感器3  运行参数采集箱4  计算机5  水力平衡控制器6  循环水泵7  第三水温传感器8  分水器9  第一电动调节阀10  第二电动调节阀11  水流压差传感器12  变频器13
具体实施方式:
下面结合具体的实施例和附图对本发明作进一步说明,以制冷为例具体方法如下:
(1)数据采集,包括水温参数采集和压差参数采集,水温参数由分别安装在总供水管上、各环路回水干管上以及总回水管上的水温传感器对水系统的供水温度ti、各环路的回水温度t1、t2……以及水系统的回水温度to进行采集;压差参数由安装在分水器和集水器之间的水流压差传感器对供、回水管路之间的压差ΔP进行采集;然后由运行参数采集箱将采集到的数据转换为数字信号后传送给计算机。
(2)数据处理,计算机根据采集到的上述数据按下列公式分别计算出各环路的供回水温差Δt1、Δt2……以及所有环路的供回水平均温差Δt:
Δt1=t1-ti
Δt2=t2-ti
……
Δtn=tn-ti
Δt=(Δt1+Δt2+……+Δtn)/n
为了简化计算过程,Δt也可由回水温度to和供水温度ti之差替代:
Δt≈to-ti
根据需要,所有环路的平均温差Δt也可以是一个预先设定值Δt′;此时,不需再进行平均温差值的计算,只需将各个环路的供回水温差Δt1、Δt2……与预先设定的平均温差值Δt′进行比较即可。
计算机根据各环路预先设定的回水温度t1′、t2′……按以下公式计算出各环路回水温度偏差Δt1′、Δt2′……:
Δt1′=t1-t1
Δt2′=t2-t2
……
Δtn′=tn-tn
(3)逻辑判断,计算机根据步骤(1)采集的数据、步骤(2)的计算结果,按以下三种情况进行逻辑判断:
①当水系统各个环路的回水温度要求保持一致时,将各环路的供回水温差Δt1、Δt2……与所有环路的供回水平均温差Δt进行比较,并根据两者的大小确定各第一电动调节阀的控制量:若某环路的供回水温差Δtn小于所有环路的供回水平均温差Δt,则表明该环路的供水量过剩,需要适当关小该环路上的第一电动调节阀以减小其流量;反之,则表明该环路的供水量不足,需要适当开大该环路上的第一电动调节阀以增大其流量;若某环路供回水温差Δtn接近所有环路的供回水平均温差Δt,则表明该环路的水流量平衡,无需调节该环路上的第一电动调节阀开度。与此同时,还要进行水系统供水量的判断并确定循环水泵的控制量:若大部分或所有环路的供回水温差Δt1、Δt2……均大于所有环路的供回水平均温差Δt,或者大部分或所有环路的供回水温差Δt1、Δt2……均大于所有环路的供回水设定平均温差Δt′则说明水系统供水量不足,不能满足末端负荷对能量的需求,还应同时升高循环水泵的运行频率以增大水系统供水量;反之,则说明水系统供水量大于末端负荷对能量的需求,还应同时降低循环水泵的运行频率以应减小水系统供水量。
②当水系统各个环路的回水温度要求不相同时,根据各环路的回水温度偏差Δt1′、Δt2′的正负值确定第一电动调节阀的控制量:若某环路回水温度偏差Δtn′为负值,则表明该环路的供水量过剩,需要适当关小该环路上的第一电动调节阀以减小其流量;反之,则表明该环路的供水量不足,需要适当开大该环路上的第一电动调节阀以增大其流量;若某环路的回水温度偏差Δtn′接近零,则表明该环路的水流量平衡,无需调节该环路上的第一电动调节阀开度。与此同时,还要进行水系统供水量的判断并确定循环水泵的控制量:若大部分或所有环路的供回水温差Δt1、Δt2……均大于所有环路的供回水平均温差Δt,或者大部分或所有环路的供回水温差Δt1、Δt2……均大于所有环路的供回水设定平均温差Δt′则说明水系统供水量不足,不能满足末端负荷对能量的需求,还应同时升高循环水泵的运行频率以增大水系统供水量;反之,则说明水系统供水量大于末端负荷对能量的需求,还应同时降低循环水泵的运行频率以应减小水系统供水量。
③当水系统各个环路的负荷动态变化时,根据供、回水管路之间的压差ΔP变化确定循环水泵的控制量:若ΔP增大,则表明水系统的某些环路负荷减小,水系统供水量过剩,需要降低循环水泵的运行频率以应减小水系统供水量;反之,则表明水系统的某些环路负荷增大,不能满足末端负荷对能量的需求,需要升高循环水泵的运行频率以增大水系统供水量;若ΔP基本没有变化,则表明水系统的某些环路负荷增大、而某些环路负荷减小,水系统供水量保持平衡。与此同时,还要再按上述①、②两种情况之一的方法进行温差判断并确定第一电动调节阀的控制量。
(4)控制量输出和调节控制,计算机将控制量传送给水力平衡控制器,该控制器将第一电动调节阀的控制量转变为模拟信号后直接对第一电动调节阀的开度进行调节控制,待水系统稳定运行一定时间以后(该时间可根据管道最长的环路的水流循环周期来确定),各水温传感器跟踪检测各个环路回水温度的变化,然后再次按上述方法对各环路上第一电动调节阀的开度作进一步地调节;经过多次调节就可逐步实现各环路回水温度趋于一致或满足预先设定的温度要求,使各个环路上的水流量与末端负荷的需求相匹配,达到冷、热效果均衡的目的。与此同时,水力平衡控制器将循环水泵的控制量转变为模拟信号后通过变频器对循环水泵的运行频率进行调节控制,改变水系统的供水流量,直至分水器与集水器之间的压差恢复到稳定运行值。
实现上述方法的装置如图1所示:在各个环路的回水干管上设有第一水温传感器1,集水器2的出口干管上设有第二水温传感器3,分水器9的入口干管处设有第三水温传感器8和循环水泵7;在靠近分水器9一端的各环路供水干管上或靠近集水器2一端的各环路回水干管上设有第一电动调节阀10,分水器9和集水器2之间设有第二电动调节阀11,水流压差传感器12并联在第二电动调节阀11的两端。上述各传感器分别通过通信线缆与运行参数采集箱4连接,安装在循环水泵7上的变频器13以及上述各第一电动调节阀10分别通过通信线缆与水力平衡控制器6连接,运行参数采集箱4和水力平衡控制器6分别通过通信线缆与计算机5连接。

Claims (4)

1.一种基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法,包括数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量输出并进行调节控制;其特征在于:通过对水系统的供水温度、回水温度以及集水器、分水器之间的压差三项运行参数的采集,计算出各环路的供回水温差、所有环路的供回水平均温差、各环路的回水温度偏差,然后根据上述各温差值以及压差值进行逻辑判断并输出控制量,该控制量经过水力平衡控制器转换后对安装在各环路干管上的第一电动调节阀直接进行调节控制,同时通过变频器对安装在总供水管上的循环水泵进行调节控制;具体方法如下:
(1)数据采集,水温参数由分别安装在总供水管上、各环路回水管上以及总回水管上的水温传感器对水系统的供水温度ti、某环路的回水温度tn以及水系统的回水温度to进行采集,压差参数由安装在分水器和集水器之间的水流压差传感器对供、回水管路之间的压差ΔP进行采集;运行参数采集箱将采集到的数据转换为数字信号后传送给计算机;
(2)数据处理,计算机根据上述数据并按下列公式分别计算出某环路的供回水温差Δtn、所有环路的供回水平均温差Δt、某环路的回水温度偏差Δtn′:
Δtn=tn-ti
Δt=(Δt1+Δt2+……+Δtn)/n≈to-ti≈Δt′
Δtn′=tn-tn
在上述公式中,
n——并联在水系统中的环路个数
tn′——某环路设定的回水温度
Δt′——所有环路的供回水设定平均温差
(3)逻辑判断,计算机根据步骤(1)采集的数据、步骤(2)的计算结果分以下三种情况进行逻辑判断:
①当水系统各个环路回水温度要求保持一致时,将各环路的供回水温差与所有环路的供回水平均温差Δt进行比较,并根据两者的大小确定第一电动调节阀的控制量:若某环路的供回水温差Δtn小于所有环路的供回水平均温差Δt,则表明该环路的供水量过剩,需要减小该环路的流量;反之,则表明该环路的供水量不足,需要增大该环路的流量;若某环路供回水温差Δtn接近所有环路的供回水平均温差Δt,则表明该环路的水流量平衡;同时还要进行水系统供水量判断并确定循环水泵的控制量:若大部分或所有环路的供回水温差Δtn均大于所有环路的供回水平均温差Δt或所有环路的供回水设定平均温差Δt′,则说明水系统供水量不足,同时还应增大水系统供水量;反之,则说明水系统供水量过剩,应减小水系统供水量;
②当水系统各个环路的回水温度要求不相同时,根据某环路的回水温度偏差Δtn′的正负值确定第一电动调节阀的控制量:若某环路回水温度偏差Δtn′为负值,则表明该环路的供水量过剩,需要减小该环路的流量;反之,则表明该环路的供水量不足,需要增大该环路的流量;若某环路的回水温度偏差Δtn′接近零,则表明该环路的水流量平衡;同时还要进行水系统供水量判断并确定循环水泵的控制量:若大部分或所有环路的供回水温差Δtn均大于所有环路的供回水平均温差Δt或所有环路的供回水设定平均温差Δt′,则说明水系统供水量不足,同时还应增大水系统供水量;反之,则说明水系统供水量过剩,应减小水系统供水量;
③当水系统各个环路的负荷动态变化时,根据供、回水管路之间的压差ΔP变化确定循环水泵的控制量:若ΔP增大,则表明水系统的某些环路负荷减小,水系统供水量过剩,需要减小水系统的供水量;反之,则表明水系统的某些环路负荷增大,水系统供水量不足,需要增大水系统的供水量;若ΔP基本没有变化,则表明水系统的某些环路负荷增大、而某些环路负荷减小,水系统供水量平衡;同时还要再按上述情况①或情况②进行温差判断并确定第一电动调节阀的控制量;
(4)控制量输出和调节控制,计算机将控制量传送给水力平衡控制器,该控制器将第一电动调节阀的控制量转变为模拟信号后直接对第一电动调节阀进行调节控制,使各个环路上的水流量与末端负荷的需求相匹配,直至回水温度保持一致或满足预先设定的温度要求;同时,将循环水泵的控制量转变为模拟信号后通过变频器对循环水泵进行调节控制,改变水系统的供水流量,直至分水器与集水器之间的压差恢复到稳定运行值。
2.一种实现权利要求1所述的基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法的装置,包括第一水温传感器、第二水温传感器、第三水温传感器、分水器、集水器、运行参数采集箱、计算机、水力平衡控制器、变频器、循环水泵和第一电动调节阀、第二电动调节阀;其特征在于:各个环路的回水干管上设有第一水温传感器(1),集水器(2)的出口干管上设有第二水温传感器(3),分水器(9)的入口干管处设有第三水温传感器(8)和循环水泵(7);各个环路的干管上设有第一电动调节阀(10),分水器(9)和集水器(2)之间设有第二电动调节阀(11),水流压差传感器(12)并联在第二电动调节阀(11)的两端;上述各传感器分别通过通信线缆与运行参数采集箱(4)连接,安装在循环水泵(7)上的变频器(13)以及上述各第一电动调节阀(10)分别通过通信线缆与水力平衡控制器(6)连接,运行参数采集箱(4)和水力平衡控制器(6)分别通过通信线缆与计算机(5)连接。
3.根据权利要求2所述的实现基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法的装置,其特征在于:第一电动调节阀(10)设在靠近分水器(9)一端的各环路供水干管上。
4.根据权利要求2所述的实现基于能量分配平衡的暖通空调水力动态调节方法的装置,其特征在于:第一电动调节阀(10)设在靠近集水器(2)一端的各环路回水干管上。
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