CN101413709A - 一种优化制冷机与冷却水泵总能耗的冷却水流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于中央空调系统节能技术领域，具体涉及一种优化制冷机与冷却水泵总能耗的冷却水流量控制方法。它包括：信号采集、信号处理与转换、初级控制运算、次级控制运算、控制量输出与控制任务的执行。该方法将制冷机与冷却水泵总功率对冷凝压力的偏导数作为表征总功率是否处于接近最优状态的参数，通过采集冷凝压力参数、冷却水温度与流量参数，在线计算出制冷机与冷却水泵总功率对冷凝压力的偏导数，并根据偏导数值控制冷却水流量，以实现制冷机与冷却水泵的总功率接近最小，这时的偏导数值接近于零，能最大程度地发挥冷却水变流量的节能效果。

Description

一种优化制冷机与冷却水泵总能耗的冷却水流量控制方法

技术领域

本发明属于中央空调系统节能技术领域，具体涉及一种优化制冷机与冷却水泵总能耗的冷却水流量控制方法。

背景技术

在中央空调系统运行过程中，空调负荷随着室内外参数和使用频率的变化而变化，一年内达到设计负荷的时间在总运行时间中的比例很小，另外，在确定设计负荷时往往还要乘上安全系数，制冷机的容量往往偏大。因此，制冷机大部分时间都运行在部分负荷下。所以，在部分负荷下如何对系统进行有效的控制成为空调节能的关键。而变流量冷却水泵能够根据空调负荷的变化改变冷却水流量，从而降低冷却水泵的能耗。

现有的冷却水流量控制方法有两种：第一种方法是选择冷却水的进出水温度差作为被控参数；另一种方法是选择冷却水的出水温度作为被控参数。如图1所示，减少冷却水流量不仅会降低冷却水泵能耗，还会使制冷机的冷凝压力升高，效率降低，能耗增加。现有的控制方法没有考虑冷却水变流量是否会使制冷机与冷却水泵的总功率处于接近最优的状态，如图1中的B点便是功率最优的状态。如果冷却水流量减少较多，制冷机与冷却水泵的总功率不会处于接近最优的状态，如图1中的A点。制冷机与冷却水泵的综合节能效果并不理想，没有最大程度地体现出冷却水变流量的节能效益。另外，由于系统中的冷却水存在热惯性，用温差或温度作为被控参数会出现较严重的滞后现象，调节质量不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种能够优化制冷机与冷却水泵总能耗的冷却水流量控制方法。

本发明是通过如下的方法来实现上述目的的：该方法包括信号采集、信号处理与转换、初级控制运算、次级控制运算、控制量输出与控制任务的执行；具体包括如下顺序的步骤：

(一)在每一个控制周期的采样时刻，由温度传感器、流量传感器自动检测冷却水的进水温度t₁、出水温度t₂与流量W，由压力传感器检测制冷机的冷凝压力p；

(二)将第(一)步得来的各传感器的模拟信号输入串级控制单元的模拟量输入模块，进行滤波处理与A/D转换，得到数字信号后，串级控制单元的初级控制模块根据得到的数字信号进行以下的初级控制运算：

(1)用下式计算制冷机冷凝器的实际负荷Q_c：

Q_c＝ρcW(t₂-t₁)

式中，ρ、c——分别为水的密度和比热；

(2)用下式计算制冷机功率对冷凝压力的偏导数：

$\frac{{\∂N}_c}{\∂p}=\frac{k_1{k}_2{Q}_c}{2.302k_{3}p{Q}_m}$

式中，N_c——制冷机功率；

      k₁——常数，满负荷时的制冷剂流量；

      k₂——常数，与制冷剂的种类有关；

      k₃——常数，与压缩机的效率特性有关；

      Q_m——常数，满负荷时的冷凝器负荷，即冷凝器的设计负荷；

(3)计算

t_c、

和

对于一个特定的制冷系统，有专用的计算公式用于计算这四个参数，其中：

$\frac{{\∂N}_p}{\∂W}=\frac{H+3k_4{W}^2}{367\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}};$

t_c、

与制冷剂的种类有关，每一种制冷剂的冷凝温度与冷凝压力存在特定的函数关系；

与冷凝器的构造及实时冷却水流量有关。

式中，N_p——冷却水泵的功率；

·    H——常数，冷却塔要求的入水压力；

      k₄——常数，与冷却水系统的管路特性有关；

      η——常数，冷却水泵与电机的平均综合效率；

      t_c——冷凝温度；

      KA——冷凝器传热系数与传热面积的乘积；

(4)根据(1)至(3)的计算结果，用下式计算总功率对冷凝压力的偏导数：

$f=\frac{k_1{k}_2{Q}_c}{2.302k_{3}p{Q}_m}+\frac{\frac{H+{3k}_4{W}^2}{367\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}[\frac{k_1{k}_2{Q}_c(1-k_5)}{2.302k_{3}p{Q}_m}-\frac{{\∂t}_c}{\∂p}\×\frac{\mathrm{\ρcW}(t_2-t_1)}{t_c-t_1}]}{\mathrm{\ρc}(t_c-t_1)-(t_c-t_2)[\mathrm{\ρc}-\frac{\∂\left(\mathrm{KA}\right)}{\∂W}+\mathrm{\ρ}c\ln \left(\frac{t_c-t_1}{t_c-t_2}\right)]}$

式中，k₅——常数，与压缩机的散热特性有关；

(5)根据计算出的总功率对冷凝压力的偏导数，按照比例控制规律得出冷凝压力给定值的调节量以及新的冷凝压力给定值，并且将新的冷凝压力给定值传递给串级控制单元的次级控制模块；

(三)次级控制模块将检测到的冷凝压力与新的冷凝压力给定值进行比较，按照PID控制规律进行次级控制运算，发出控制信号，经过串级控制单元的模拟量输出模块进行D/A转换后，将控制信号输出给变频器，变频器经过运算后输出相应频率的电源给冷却水泵，从而调节冷却水泵的转速和流量。

本发明的控制方法考虑了制冷机和冷却水泵的总功率是否接近最优状态，并且用总功率对冷凝压力的偏导数作为表征总功率是否处于接近最优状态的参数。从理论上而言，当总功率对冷凝压力的偏导数为零时，总功率达到最小。本发明通过采集冷凝压力参数、冷却水温度与流量参数，在线计算出制冷机与冷却水泵总功率对冷凝压力的偏导数，根据偏导数值计算出冷凝压力的给定值，由此控制冷却水流量，使制冷机与冷却水泵的总功率接近最小，这时总功率对冷凝压力的偏导数值接近于零。

本发明的控制方法能够合理控制冷却水流量，使系统运行在制冷机与冷却水泵总功率接近最小的状态，从而达到优化总能耗的目的，最大程度地发挥冷却水变流量的节能效果。并且，采用冷凝压力作为被控参数，可以减少选择温差或温度作为被控参数时的滞后时间，调节质量得到提高。

附图说明

图1是冷却水流量与制冷机、水泵功率以及两者总功率的关系曲线图。

图2是本发明的控制原理框图；

图3是本发明应用于中央空调冷却水系统的控制装置连接框图；

图4是本发明的电路连接图；

图5是本发明在每一个控制周期的控制流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图3，本发明的控制装置中，出水温度传感器2与进水温度传感器3分别安装在制冷机5的冷凝器的出水端和进水端；流量传感器1安装在制冷机5的冷凝器的出水端；压力传感器4安装在制冷机5的压缩机排气口；被冷却后的冷却水从冷却塔9流入冷却水泵6。结合图2，串级控制单元8由模拟量输入模块、初级控制模块、次级控制模块和模拟量输出模块构成；串级控制单元8的模似量输入模块与各传感器相连接；冷却水泵6通过变频器7与串级控制单元8的模拟量输出模块相连接。参见图4，是本发明的电路连接图。

本发明的控制过程如下：

(一)在每一个控制周期的采样时刻，由流量传感器1、出水温度传感器2与进水温度传感器3自动检测冷却水流量W、出水温度t₂与进水温度t₁，由压力传感器4检测冷凝压力p。其中的冷却水进、出水温度和冷凝压力属于制冷机自检的参数，实施的时候只需要添加流量传感器1。

(二)来自各传感器的模拟信号进入串级控制单元8的模拟量输入模块，进行滤波处理与A/D转换，得到数字信号。串级控制单元8的初级控制模块根据得到的数字信号进行以下的初级控制运算：

(1)用下式计算制冷机冷凝器的实际负荷Q_c：

Q_c＝ρcW(t₂-t₁)

式中，ρ、c——分别为水的密度和比热；

(2)用下式计算制冷机功率对冷凝压力的偏导数：

$\frac{{\∂N}_c}{\∂p}=\frac{k_1{k}_2{Q}_c}{2.302k_{3}p{Q}_m}$

式中，N_c——制冷机功率；

      k₁——常数，满负荷时的制冷剂流量；

      k₂——常数，与制冷剂的种类有关；

      k₃——常数，与压缩机的效率特性有关；

      Q_m——常数，满负荷时的冷凝器负荷，即冷凝器的设计负荷；

(3)计算

t_c、

和

对于一个特定的制冷系统，有专用的计算公式用于计算这四个参数，其中：

$\frac{{\∂N}_p}{\∂W}=\frac{H+3k_4{W}^2}{367\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}};$

t_c、

与制冷剂的种类有关，每一种制冷剂的冷凝温度与冷凝压力存在特定的函数关系；

与冷凝器的构造及实时冷却水流量有关；

式中，N_p——冷却水泵的功率；

      H——常数，冷却塔要求的入水压力；

      k₄——常数，与冷却水系统的管路特性有关；

      η——常数，冷却水泵与电机的平均综合效率；

      t_c——冷凝温度；

      KA——冷凝器传热系数与传热面积的乘积；

(4)根据(1)至(3)的计算结果，用下式计算总功率对冷凝压力的偏导数：

$f=\frac{k_1{k}_2{Q}_c}{2.302k_{3}p{Q}_m}+\frac{\frac{H+{3k}_4{W}^2}{367\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}[\frac{k_1{k}_2{Q}_c(1-k_5)}{2.302k_{3}p{Q}_m}-\frac{{\∂t}_c}{\∂p}\×\frac{\mathrm{\ρcW}(t_2-t_1)}{t_c-t_1}]}{\mathrm{\ρc}(t_c-t_1)-(t_c-t_2)[\mathrm{\ρc}-\frac{\∂\left(\mathrm{KA}\right)}{\∂W}+\mathrm{\ρ}c\ln \left(\frac{t_c-t_1}{t_c-t_2}\right)]}$

式中，k₅——常数，与压缩机的散热特性有关；

(5)根据计算出的总功率对冷凝压力的偏导数，按照比例控制规律得出冷凝压力给定值的调节量和新的冷凝压力给定值，并且将新的冷凝压力给定值传递给串级控制单元8的次级控制模块。如果在线计算出的偏导数值为负值，则冷凝压力给定值的调节量为正值，应通过减小水泵转速来减小水量，提高冷凝压力；如果计算出的偏导数值为正值，则冷凝压力给定值的调节量为负值，应通过加大水泵转速来加大水量，降低冷凝压力。为了防止偏导数值过大或过小时出现调节量过大(例如开机阶段)，导致工况剧烈动荡，需要设定调节量的上、下限值。如果得出的调节量超出了上、下限值，输出的调节量仍为设定的上、下限值。另外，如果偏导数的绝对值小于一定的值，不必进行调节，以避免水泵频繁调节。

(三)串级控制单元8的次级控制模块将检测到的冷凝压力与新的冷凝压力给定值进行比较，按照PID控制规律进行次级控制运算，发出控制信号，经过串级控制单元8的模拟量输出模块进行D/A转换后，将控制信号输出给变频器7，变频器7经过运算后输出相应频率的电源给冷却水泵6，从而调节冷却水泵6的转速和流量。

由于电源频率过低会导致冷却水泵运行不稳定，该方法锁定了变频器频率的下限值，该下限值一般取为25Hz。如果变频器频率达到频率下限值，冷却水泵将定频运行。

参见图5，是本发明在每一个控制周期的控制流程框图。

以上的冷却水流量控制方法能够使制冷机与冷却水泵的总功率处于接近最优的状态，能最大程度地发挥冷却水变流量的节能效果。按照现有的冷却水流量控制方法，如果选择进出水温差作为被控参数，要求在部分负荷下将冷却水温差控制在5℃；如果选择出水温度作为被控参数，在部分负荷下冷却水温差往往会超过5℃。而采用本发明提供的控制方法后，冷却水温差会随着负荷的降低而减小，部分负荷下的冷却水温差低于5℃，高于冷却水泵定流量运行时的冷却水温差。与现有控制方法相比，尽管冷却水泵变流量的幅度有所减小，但是，制冷机效率得到提高，制冷机与冷却水泵的总能耗比采用现有控制方法时的总能耗低。

Claims (1)

1、一种优化制冷机与冷却水泵总能耗的冷却水流量控制方法，其特征在于它包括：信号采集、信号处理与转换、初级控制运算、次级控制运算、控制量输出与控制任务的执行；具体包括如下顺序的步骤：

(一)在每一个控制周期的采样时刻，由温度传感器、流量传感器自动检测冷却水的进水温度t₁、出水温度t₂与流量W，由压力传感器检测制冷机的冷凝压力p；

(二)将第(一)步得来的各传感器的模拟信号输入串级控制单元的模拟量输入模块，进行滤波处理与A/D转换，得到数字信号后，串级控制单元的初级控制模块根据得到的数字信号进行以下的初级控制运算：

(1)用下式计算制冷机冷凝器的实际负荷Q_c：

Q_c＝ρcW(t₂-t₁)

式中，ρ、c——分别为水的密度和比热；

(2)用下式计算制冷机功率对冷凝压力的偏导数：

$\frac{{\∂N}_c}{\∂p}=\frac{k_1{k}_2{Q}_c}{2.302k_{3}p{Q}_m}$

式中，N_c——制冷机功率；

      k₁——常数，满负荷时的制冷剂流量；

      k₂——常数，与制冷剂的种类有关；

      k₃——常数，与压缩机的效率特性有关；

      Q_m——常数，满负荷时的冷凝器负荷，即冷凝器的设计负荷；

(3)计算 $\frac{{\∂N}_p}{\∂W},t_c,\frac{{\∂t}_c}{\∂p}$ 和

对于一个特定的制冷系统，有专用的计算公式用于计算这四个参数，其中：

$\frac{{\∂N}_p}{\∂W}=\frac{H+3k_4{W}^2}{367\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}};$

t_c、

与制冷剂的种类有关，每一种制冷剂的冷凝温度与冷凝压力存在特定的函数关系；

与冷凝器的构造及实时冷却水流量有关；

式中，N_p——冷却水泵的功率；

      H——常数，冷却塔要求的入水压力；

      k₄——常数，与冷却水系统的管路特性有关；

      η——常数，冷却水泵与电机的平均综合效率；

      t_c——冷凝温度；

      KA——冷凝器传热系数与传热面积的乘积；

(4)根据(1)至(3)的计算结果，用下式计算总功率对冷凝压力的偏导数：

$f=\frac{k_1{k}_2{Q}_c}{2.302k_{3}p{Q}_m}+\frac{\frac{H+{3k}_4{W}^2}{367\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}[\frac{k_1{k}_2{Q}_c(1-k_5)}{2.302k_{3}p{Q}_m}-\frac{{\∂t}_c}{\∂p}\×\frac{\mathrm{\ρcW}(t_2-t_1)}{t_c-t_1}]}{\mathrm{\ρc}(t_c-t_1)-(t_c-t_2)[\mathrm{\ρc}-\frac{\∂\left(\mathrm{KA}\right)}{\∂W}+\mathrm{\ρ}c\ln \left(\frac{t_c-t_1}{t_c-t_2}\right)]}.$

式中，k₅——常数，与压缩机的散热特性有关；

(5)根据计算出的总功率对冷凝压力的偏导数，按照比例控制规律得出冷凝压力给定值的调节量以及新的冷凝压力给定值，并且将新的冷凝压力给定值传递给串级控制单元的次级控制模块；

(三)次级控制模块将检测到的冷凝压力与新的冷凝压力给定值进行比较，按照PID控制规律进行次级控制运算，发出控制信号，经过串级控制单元的模拟量输出模块进行D/A转换后，将控制信号输出给变频器，变频器经过运算后输出相应频率的电源给冷却水泵，从而调节冷却水泵的转速和流量。

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