CN101644588B - 空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法与系统，其方法为通过测量单一功能建筑冷源的瞬时总冷量或综合建筑不同功能区的瞬时总冷量，计算空调末端的显热冷负荷，用于测算空调末端全热冷负荷；其系统包括本地数据中心、末端智能节点装置及前端智能节点装置，本地数据中心与前端智能节点装置之间设有数据转换模块；前端智能节点装置为冷源智能节点装置或管网智能节点装置；末端智能节点装置设于空调系统中的空调末端设备，冷源智能节点装置设于单一功能建筑的冷源部分，管网智能节点装置设于综合建筑各功能区的冷冻水管网上。本发明具有成本较低、施工便捷、计量简单等特点，适用于各类既有建筑空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量，同时也适用于新建建筑。

Description

空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法与系统

技术领域

本发明涉及一种中央空调系统末端设备冷负荷及冷量消耗的实时监测技术，具体是指空调末端设备的冷负荷实时监测及冷量计量方法与系统。

背景技术

当今社会经济快速发展，中央空调系统作为能耗大户，已普遍应用于各类建筑，在改善人们生产生活条件的同时，也消耗了大量电能。简单实用、成本低廉的中央空调系统的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法和装置，可为中央空调系统的集中监管、能耗监测、计费提供技术支持，同时也为建立建筑能耗监测平台提供基本数据。

现有空调末端设备的冷量计量方法通常采用检测空调末端冷冻水流量和供回水温差，然后计算冷量。这种计量方法虽然计量准确，但是对于既有建筑来说，由于空调管路大多安装在天花板内，增设流量测量装置存在着安装困难，实施改造成本造价较高、旧楼改造项目实施难度较大、施工不当将影响计量和使用效果等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，有效实现了空调末端冷负荷的有效监测与冷量计量，对既有建筑来说，施工便捷、成本较低，同时也适用于新建建筑。

本发明的目的还在于提供实现上述方法的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统。

本发明通过以下技术方案实现：本发明一种空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，通过测量空调末端的显热冷负荷、单一功能建筑冷源的瞬时总冷量或综合建筑不同功能区的瞬时总冷量，然后计算出空调末端的全热冷负荷(简称，冷负荷)及其在某一时间段内提供的冷量。具体步骤如下：

(1)本地数据中心数据初始化，设定建筑类别，设定各个前端智能节点 装置和末端智能节点装置的地址和相应信息编码，每个前端智能节点装置和末端智能节点装置均对应唯一的地址；

(2)本地数据中心定时检测建筑内前端智能节点装置的开关和运行状态，通过前端智能节点装置的运行状态判断单一功能建筑内空调冷源或综合建筑各个功能区内空调子系统是否开启；当检测到单一功能建筑内空调冷源或综合建筑任一功能区内空调子系统开启时，前端智能节点装置采集数据，并存储到前端智能节点装置内相应数据区，本地数据中心通过数据转换模块从前端智能节点装置读取数据；

(3)本地数据中心通过各个末端智能节点装置判断各个空调末端设备是否开启，当检测到空调末端设备开启时，末端智能节点装置采集数据，并存储到末端智能节点装置内相应数据区，本地数据中心通过数据转换模块从该末端智能节点装置读取数据；

(4)第k采样周期内，本地数据中心根据从前端智能节点装置和末端智能节点装置读取的数据，计算各空调末端的显热冷负荷、冷负荷、冷量和累计冷量，并将计算结果存储于本地数据中心中；若系统设有远程数据中心，则同时将计算结果发送给远程数据中心；

(5)第k采样周期结束后，返回步骤(2)，开始对第(k+1)采样周期的数据进行采集与计算。

步骤(1)所述建筑类别为单一功能建筑或综合建筑，所述综合建筑包括多个功能区；对于单一功能建筑，认为内部各空调房间的温、湿度设计参数基本相同；对于综合建筑，内部具有多个功能区，认为每个功能区内部各空调房间的温、湿度设计参数基本相同。

所述前端智能节点装置分为用于单一功能建筑的冷源智能节点装置和用于综合建筑不同功能区的管网智能节点装置。单一功能建筑内冷源智能节点装置只有一个；综合建筑内每个功能区各有一个管网智能节点装置。

所述末端智能节点装置分为风机盘管智能节点装置和风柜智能节点装置两类。

所述各个前端智能节点装置和末端智能节点装置的相应信息编码分别包括其所在的建筑识别编码、建筑类别、功能区编号、智能节点装置类型、设备编号等信息；末端智能节点装置的相应编码信息还包括利用风量测量装置测量得到的风机盘管或风柜实际风量的标定值。

所述风量测量装置为风速仪。

所述风机盘管实际风量的标定值为分别将风机盘管的风速设定为高速、中速、低速档三档时用风量测量装置测得的实际风量q_j，H，q_j，M，q_j，L。

所述风柜的实际风量为用风量测量装置测得的实际风量q_j，B。

所述采样周期较短，可用该采样周期内某参数的测量值代表该参数在此采样周期内的平均值。

以上方法中，步骤(2)判断单一功能建筑内空调冷源或综合建筑各个功能区内空调子系统是否开启具体如下：

当建筑为单一功能建筑时，冷源智能节点装置采集的冷源冷水流量超过下限值时，认为建筑物内空调系统开始运行；

当建筑为综合建筑时，不同功能区管网智能节点装置采集的管网冷水流量超过下限值时，认为功能区内空调子系统开始运行；

前端智能节点装置采集数据具体如下：

冷冻水供水温度T_c1(k)、冷冻水回水温度T_c2(k)、冷冻水质量流量q_w(k)；

步骤(3)中空调末端设备分为风机盘管和风柜两类。

所述判断空调末端设备是否开启具体如下：

当空调末端设备为风机盘管时，当检测到风机盘管的高速、中速或低速继电器中有一个闭合时，认为风机盘管开启。

当空调末端设备为风柜时，当检测到风机的三相交流接触器闭合时，认为风柜开启。

末端智能节点装置采集数据具体如下：

当空调末端设备为风机盘管时，通过末端智能节点装置采集以下数据：风速设定值(风速设定值对应三速风机的高速、中速、低速档)、风机盘管出风口处的干球温度T_{1， j}(k)、室内回风口处的干球温度T_2，j(k)。

当空调末端设备为风柜时，通过末端智能节点装置采集以下数据：风柜出风口处的干球温度T_1，j(k)、室内回风口处的干球温度T_2，j(k)；

步骤(4)所述各空调末端的显热冷负荷、冷负荷、冷量和累计冷量计算过程具体如下：

(a)计算第k采样周期单一功能建筑内冷源智能节点装置或综合建筑不同功能区管网智能节点装置对应的瞬时总冷量，即冷负荷：

Q_t(k)＝C_w×[T_c2(k)-T_c1(k)]×q_w(k)

式中，C_w：水的定压比热，kJ/kg·℃；

q_w(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水质量流量，kg/s；

T_c1(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水供水温度，℃；

T_c2(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水回水温度，℃。

(b)确定单一功能建筑内或综合建筑不同功能区各空调末端的实际风量q_j(k)；

空调末端设备为风机盘管时，当风速的设定值为高速档时，空调末端的实际风量q_j(k)＝q_j，H，，当风速的设定值为中速档时，空调末端的风量q_j(k)＝q_j，M，当风速的设定值为低速档时，令空调末端的风量q_j(k)＝q_j，L；若空调末端设备为风柜，则按定风量运行考虑，取测量前已标定并存入末端智能节点装置中控制器的实际风量q_j，B，即q_j(k)＝q_j，B；

(c)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内各空调末端的显热冷负荷：

Q_s，j(k)＝C_a×[T_2，j(k)-T_1，j(k)]×q_j(k)

其中：

Q_s，j(k)：第k采样周期内任一时刻第j个空调末端的显热冷负荷，kW；

C_a：空气的比热，kJ/kg·℃；

T_1，j(k)、T_2，j(k)：分别为第k采样周期内第j个空调末端出风口、回风口处空气的干球温度的测量值，℃；

q_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端的风量，kg/s；

(d)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内的总显热冷负荷Q_s，t：

$Q_{s,t}\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}\left(k\right)$

式中，M：单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内空调末端总数，台；

(e)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内显热冷负荷与冷负荷之比：

${\mathrm{\ϵ}}_j\left(k\right)\≅\mathrm{\ϵ}\left(k\right)=\frac{Q_{s,t}\left(k\right)}{Q_t\left(k\right)}$

式中，ε(k)：第k采样周期内单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内总显热冷负荷与总冷负荷之比；

ε_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比；

对于单一功能建筑或综合建筑不同功能区，由于其内部各空调房间的温、湿度设计参数基本相同，所以可认为单一功能建筑或综合建筑不同功能区各空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比ε_j近似分别等于单一功能建筑或综合建筑不同功能区所有空调末端的显热冷负荷之和与总冷负荷的比ε；

(f)计算第k采样周期各空调末端的总冷负荷：

Q_j(k)＝Q_s，j(k)÷ε_j(k)

式中，Q_j(k)：第k采样周期内任一时刻第j个空调末端的冷负荷，kW；

(g)计算第k采样周期各空调末端的总冷量：

E_j(k)＝Q_j(k)×Δt

式中，E_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端提供的冷量，kJ；

Δt：采样周期，s。

(h)计算到第k个采样周期为止各空调末端的累计总冷量：

∑E_j(k)＝∑E_j(k-1)+E_j(k)

式中，∑E_j(k)：到第k采样周期为止第j个空调末端的累计冷量，kJ；

∑E_j(k-1)：到(k-1)采样周期为止第j个空调末端的累计冷量，kJ。

本发明用于实现上述方法的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统，包括本地数据中心、末端智能节点装置及前端智能节点装置，本地数据中心与前端智能节点装置之间设有数据转换模块；所述前端智能节点装置为用于单一功能建筑的冷源智能节点装置，或用于综合建筑不同功能区的管网智能节点装置；所述冷源智能节点装置安装于单一功能建筑空调系统中冷源部分，所述管网智能节点装置安装于综合建筑空调系统中不同功能区的冷冻水管网上；所述末端智能节点装置为风机盘管智能节点装置或风柜智能节点装置，所述末端智能节点装置安装于空调系统中的空调末端设备。

所述本地数据中心还可与远程数据中心连接，当需要向远程数据中心传送数据时，系统通过网络实现本地数据中心与远程数据中心之间的通讯。

所述冷源智能节点装置和管网智能节点装置仅在空调系统中的安装位置不 同，两者硬件结构相同。

所述风机盘管智能节点装置设有风机盘管控制器、风机盘管出风口温度传感器、风机盘管回风口温度传感器和风机盘管数据通讯模块，其中，风机盘管控制器设有AI端口、DO端口和数据端口，通过2个AI端口分别与风机盘管出风口温度传感器和风机盘管回风口温度传感器连接，通过4个DO端口分别与4个继电器线圈相连，4个继电器的辅助触点分别与电磁阀、三速风机的高速、中速、低速档对应的端子连接，通过数据端口与风机盘管数据通讯模块相连，数据通讯模块的另一端与数据传输线路连接；所述风柜智能节点装置设有风柜控制器、风柜出风口温度传感器、风柜回风口温度传感器、风柜数据通讯模块，其中，风柜控制器设有AI端口、AO端口、DO端口和数据端口，通过2个AI端口分别与风柜出风口温度传感器和风柜回风口温度传感器相连，通过1个AO端口与电动调节阀连接，通过1个DO端口与1个继电器线圈连接，继电器辅助触点与风机三相交流接触器线圈连接，通过数据端口与风柜数据通讯模块相连，风柜数据通讯模块的另一端与数据传输线路连接。

所述前端智能节点装置设有前端控制器、供水管温度传感器、回水管温度传感器、流量计和前端数据通讯模块，其中前端控制器设有AI端口和数据端口，通过3个AI端口分别与供水管温度传感器、回水管温度传感器和流量计相连，通过数据端口与前端数据通讯模块相连，前端数据通讯模块的另一端与数据传输线路连接。

本发明的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其工作原理是通过测量各空调末端的显热冷负荷、单一功能建筑内冷源的瞬时总冷量或综合建筑内不同功能区的瞬时总冷量Q_t，间接的计算出空调末端的冷负荷以及提供的冷量，从而实现空调末端冷负荷的实时监测与冷量计量。

对于单一功能建筑而言，其工作原理是通过在冷源部分安装冷源智能节点装置，检测空调系统的冷源部分的运行参数，在本地数据中心计算总冷负荷；在空调末端设备上安装末端智能节点装置，检测各个空调末端的运行参数，在本地数据中心计算各个空调末端显热冷负荷，并在此基础上测算空调末端的冷负荷(即全热冷负荷)与冷量来实现的；而对于综合建筑而言，则是通过在不同功能区的冷冻水管网上安装管网智能节点装置，检测不同功能区管网的运行参数，在本地数据中心计算总冷负荷；在空调末端设备上安装末端智能节点装置，检测各个空调末端的运行参数，在本地数据中心计算显热冷负荷，并在此 基础上进一步计算空调末端的冷负荷与冷量来实现的。

其原理具体如下：

某一时刻，空调末端将流量为q的空气由状态2冷却到状态1所消耗的瞬时冷量，即冷负荷可按下式计算：

Q＝(i₂-i₁)×q

式中，Q：空调末端的冷负荷，kW；

i₁，i₂：分别为空调末端出风口、进风口处空气的焓，kJ/kg；

q：空调末端处理的风量，kg/s。

由于上述公式中空气的焓需要测量空气的干球温度、相对湿度(或湿球温度)，然后才能计算出来。在实际工程应用中，由于空调末端设备数量众多，相对湿度或湿球温度检测装置成本较高，这样就导致计量成本很高。

空调末端的冷负荷包括显热冷负荷与潜热冷负荷两部分。若能计算出空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比ε，则可以通过显热冷负荷、显热冷负荷与冷负荷之比ε计算出空调末端的冷负荷。计算空调末端的显热冷负荷的只需测量其出风口、进风口处空气的干球温度、处理风量三个参数，不需要对空调末端的出风口、进风口处的焓进行计算，因此本发明也不需要测量相对湿度或湿球温度，节省了这方面的计量成本。

当忽略冷冻水管的冷量损失时，单一功能建筑冷源或综合建筑不同功能区管网在某一时刻提供的瞬时总冷量Q_t等于单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内所有的空调末端的冷负荷之和，即，

$Q_t=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j$

式中，Q_j：第j个空调末端的冷负荷，kW；

单一功能建筑冷源或综合建筑不同功能区管网的瞬时总冷量Q_t可通过单一功能建筑冷源智能节点装置或综合建筑不同功能区管网智能节点装置采集冷源运行参数或综合建筑不同功能区冷冻水管网运行参数，在本地数据中心计算得到。

第j个空调末端冷负荷可通过以下公式计算出来：

$Q_j=\frac{Q_{s,j}}{{\mathrm{\ϵ}}_j}$

式中，Q_j：第j个空调末端的冷负荷，kW；

Q_s，j：第j个空调末端的显热冷负荷，kW，由下式计算得到：

Q_s，j＝C_a×[T_2，j-T_1，j]×q_j

ε_j：第j个空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比，由下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_j=\frac{Q_{s,j}}{Q_j}\≅\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}}{Q_t}$

以上计算过程中，对于单一功能建筑，由于其内部各空调房间的温湿度设计参数基本相同，所以可认为各空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比ε_j近似等于整个建筑物内所有空调末端的显热冷负荷之和与总冷负荷的比ε；而综合建筑内部具有多个功能区域，每个功能区内部各空调房间的温湿度设计参数基本相同，所以可认为每个功能区内的各空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比近似相等，因此对于综合建筑，各功能区空调末端的显热冷负荷之和与总冷负荷之比要按功能区域分别计量。

本发明相对于上述现有技术，具有如下有益效果：

附图说明

本发明提出了利用空调末端显热负荷测算空调末端设备全热负荷的方法，与空调末端的实际冷量相比，误差较小，能够较准确地反应空调末端全热负荷大小。同时，实现本发明方法的系统安装较简单，成本较低，施工难度不大，可以很好地运用于既有建筑改造及新建工程等各种项目。

图1是本发明空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统的结构原理图。

图2是本发明空调末端设备冷负荷与冷量计算过程的流程图。

图3是本发明前端智能节点装置结构图。

图4是本发明末端(风机盘管)智能节点装置结构图。

图5是本发明末端(风柜)智能节点装置结构图。

图6是本发明前端智能节点装置的电力线结构图。

图7是本发明末端(风机盘管)智能节点装置的电力线结构图。

图8是本发明末端(风柜)智能节点装置的电力线结构图。

具体实施方式

下面结合实施实例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例提供一种空调末端设备的冷负荷实时监测及冷量计量方法，是通过测量空调末端的显热冷负荷，单一功能建筑冷源的瞬时总冷量或综合建筑不同功能区的瞬时总冷量，间接的计算出空调末端的冷负荷以及提供的冷量，从而实现空调末端冷负荷的实时监测与冷量计量，如图2所示，具体步骤如下：

(1)本地数据中心数据初始化，设定建筑类别，设定各个前端智能节点装置和末端智能节点装置的地址和相应信息编码，每个前端智能节点装置和末端智能节点装置均对应唯一的地址；

(2)本地数据中心定时检测建筑内前端智能节点装置的开关和运行状态，通过前端智能节点装置的运行状态判断单一功能建筑内空调冷源或综合建筑各个功能区内空调子系统是否开启；当检测到单一功能建筑内空调冷源或综合建筑任一功能区内空调子系统开启时，前端智能节点装置采集数据，并存储到前端智能节点装置内相应数据区，本地数据中心通过数据转换模块从前端智能节点装置读取数据；

(3)本地数据中心通过各个末端智能节点装置判断各个空调末端设备是否开启，当检测到空调末端设备开启时，末端智能节点装置采集数据，并存储到末端智能节点装置内相应数据区，本地数据中心通过数据转换模块从该末端智能节点装置读取数据；

(4)第k采样周期内，本地数据中心根据从前端智能节点装置和末端智能节点装置读取的数据，计算各空调末端的显热冷负荷、冷负荷、冷量和累计冷量，并将计算结果存储于本地数据中心中；若系统设有远程数据中心，则同时将计算结果发送给远程数据中心；

(5)第k采样周期结束后，返回步骤(2)，开始对第(k+1)采样周期的数据进行采集与计算。

以上方法中，建筑类别为单一功能建筑或综合建筑，综合建筑包括有多个功能区；对于单一功能建筑，认为内部各空调房间的温湿度设计参数基本相同；而综合建筑内部具有多个功能区，认为每个功能区内部各空调房间的温湿度设 计参数基本相同。

前端智能节点装置分为用于单一功能建筑的冷源智能节点装置和综合建筑不同功能区的管网智能节点装置。单一功能建筑内冷源智能节点装置只有一个；综合建筑内则是不同功能区各有一个管网智能节点装置。

末端智能节点装置分为风机盘管智能节点装置和风柜智能节点装置两类。

各个前端智能节点装置和末端智能节点装置的相应信息编码分别包括其所在的建筑识别编码、建筑类别、功能区编号、智能节点装置类型、设备编号等信息；末端智能节点装置的相应编码信息还包括利用风量测量装置测量得到的风机盘管或风柜实际风量的标定值；

其中风量测量装置为风速仪；风机盘管实际风量的标定值为分别将风机盘管的风速设定为高速、中速、低速档三档时用风量测量装置测得的实际风量q_j，H，q_j，M，q_j，L；风柜的实际风量为用风量测量装置测得的实际风量q_j，B。

当采样周期较短时，可用该采样周期内某参数的测量值代表该参数在此采样周期内的平均值。

以上方法中，步骤(2)判断单一功能建筑内空调冷源或综合建筑各个功能区内空调子系统是否开启具体如下：

当建筑为单一功能建筑时，冷源智能节点装置采集的冷源冷水流量超过下限值时，认为建筑物内空调系统开始运行；

当建筑为综合建筑时，不同功能区管网智能节点装置采集的管网冷水流量超过下限值时，认为功能区内空调子系统开始运行；

前端智能节点装置采集数据具体如下：

冷冻水供水温度T_c1(k)、冷冻水回水温度T_c2(k)、冷冻水质量流量q_w(k)；

步骤(3)中空调末端设备分为风机盘管和风柜两类。

判断空调末端设备是否开启具体如下：

当空调末端设备为风机盘管时，当检测到风机盘管的高速、中速或低速继电器中有一个闭合时，认为风机盘管开启。

当空调末端设备为风柜时，当检测到风机的三相交流接触器闭合时，认为风柜开启。

末端智能节点装置采集数据具体如下：

当空调末端设备为风机盘管时，通过末端智能节点装置采集以下数据：风速设定值(风速设定值对应三速风机的高速、中速、低速档)、风机盘管出风口 处的干球温度T_1，j(k)、室内回风口处的干球温度T_2，j(k)。

当空调末端设备为风柜时，通过末端智能节点装置采集以下数据：风柜出风口处的干球温度T_1，j(k)、室内回风口处的干球温度T_2，j(k)；

步骤(4)中各空调末端的显热冷负荷、冷负荷、冷量和累计冷量计算过程具体如下：

(a)计算第k采样周期单一功能建筑内冷源智能节点装置或综合建筑不同功能区管网智能节点装置对应的瞬时总冷量，即冷负荷：

Q_t(k)＝C_w×[T_c2(k)-T_c1(k)]×q_w(k)

式中，C_w：水的定压比热，kJ/kg·℃；

q_w(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水质量流量，kg/s；

T_c1(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水供水温度，℃；

T_c2(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水回水温度，℃；

(b)确定单一功能建筑内或综合建筑不同功能区各空调末端的实际风量q_j(k)；

空调末端设备为风机盘管时，当风速设定值为高速档时，空调末端的实际风量q_j(k)＝q_j，H，，当风机盘管风速设定值为中速档时，空调末端的风量q_j(k)＝q_j，M，当风机盘管风速设定值为低速档时，令空调末端的风量q_j(k)＝q_j，L；若空调末端设备为风柜，则按定风量运行考虑，取测量前已标定并存入末端智能节点装置中控制器的实际风量，为q_j，B，即q_j(k)＝q_j，B；

(c)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内各空调末端的显热冷负荷：

Q_s，j(k)＝C_a×[T_2，j(k)-T_1，j(k)]×q_j(k)

其中：

Q_s，j(k)：第k采样周期内任一时刻第j个空调末端的显热冷负荷，kW；

C_a：空气的比热，kJ/kg·℃；

T_1，j(k)、T_2，j(k)：分别为第k采样周期内第j个空调末端出风口、回风口处空气的干球温度的测量值，℃；

q_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端的风量，kg/s；

(d)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内的总显热 冷负荷Q_s，t：

$Q_{s,t}\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}\left(k\right)$

式中，M：单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内空调末端总数，台；

(e)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内显热冷负荷与冷负荷之比：

${\mathrm{\ϵ}}_j\left(k\right)\≅\mathrm{\ϵ}\left(k\right)=\frac{Q_{s,t}\left(k\right)}{Q_t\left(k\right)}$

式中，ε(k)：第k采样周期内单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内总显热冷负荷与总冷负荷之比；

ε_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比；

对于单一功能建筑或综合建筑不同功能区，由于其内部各空调房间的温湿度设计参数基本相同，所以可认为单一功能建筑或综合建筑不同功能区各空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比ε_j近似分别等于单一功能建筑或综合建筑不同功能区所有空调末端的显热冷负荷之和与总冷负荷的比ε；

(f)计算第k采样周期各空调末端的总冷负荷：

Q_j(k)＝Q_s，j(k)÷ε_j(k)

式中，Q_j(k)：第k采样周期内任一时刻第j个空调末端的冷负荷，kW；

(g)计算第k采样周期各空调末端的总冷量：

E_j(k)＝Q_j(k)×Δt

式中，E_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端提供的冷量，kJ；

Δt：采样周期，s。

(h)计算到第k个采样周期为止各空调末端的累计总冷量：

∑E_j(k)＝∑E_j(k-1)+E_j(k)

式中，∑E_j(k)：到第k采样周期为止第j个空调末端的累计冷量，kJ；

∑E_j(k-1)：到(k-1)采样周期为止第j个空调末端的累计冷量，kJ。

本实施例一种用于实现上述方法的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统，如图1所示，包括本地数据中心、前端智能节点装置及末端智能节点装置，本地数据中心与前端智能节点装置之间设有数据转换模块；其中前端智 能节点装置为用于单一功能建筑的冷源智能节点装置，或用于综合建筑不同功能区的管网智能节点装置，如图6的前端智能节点装置电力线结构图所示，冷源智能节点装置安装于单一功能建筑空调系统中的冷源部分，管网智能节点装置安装于综合建筑空调系统中不同功能区的冷冻水管网上；末端智能节点装置为风机盘管智能节点装置或风柜智能节点装置，如图7和图8的末端智能节点装置电力线结构图所示，末端智能节点装置安装于空调系统中的空调末端设备。

如图1所示，本地数据中心还可与远程数据中心连接，当需要向远程数据中心传送数据时，系统通过网络实现本地数据中心与远程数据中心之间的通讯。

冷源智能节点装置和管网智能节点装置仅在空调系统中的安装位置不同，两者硬件结构相同。

如图3和6所示，前端智能节点装置设有前端控制器、供水管温度传感器、回水管温度传感器、流量计和数据通讯模块，其中前端控制器上设有AI端口和数据端口，3个AI端口(AI-1、AI-2、AI-3)分别与供水管温度传感器、回水管温度传感器和流量计连接；数据通讯模块一端与前端控制器的数据端口连接，另一端外接数据传输线路。

如图4和7所示，风机盘管智能节点装置设有风机盘管控制器、出风口温度传感器、回风口温度传感器和数据通讯模块，其中，风机盘管控制器设有AI端口、DO端口和数据端口，风机盘管控制器通过2个AI端口(AI-1、AI-2)分别与出风口温度传感器和回风口温度传感器连接，通过4个DO端口(DO-1、DO-2、DO-3、DO-4)分别与4个继电器(P1、P2、P3、P4)线圈相连，4个继电器的辅助触点分别与电磁阀、三速风机的高速、中速、低速档对应的端子连接，风机盘管控制器通过数据端口与数据通讯模块相连，数据通讯模块的另一端与数据传输线路连接，。

如图5和8所示，风柜智能节点装置设有风柜控制器、出风口温度传感器、回风口温度传感器、数据通讯模块，其中，风柜控制器设有AI端口、AO端口、DO端口和数据端口，风柜控制器通过2个AI端口(AI-1、AI-2)分别与出风口温度传感器和回风口温度传感器连接，通过1个AO端口与电动调节阀连接，通过1个DO端口与1个继电器线圈(P5)连接，继电器辅助触点(P5)与风机三相交流接触器线圈连接，风柜控制器通过数据端口与数据通讯模块相连，数据通讯模块的另一端与数据传输线路连接。

本实施例的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其工作原理是通过各空调末端的显热冷负荷、单一功能建筑内冷源的瞬时总冷量或综合建筑内不同功能区的瞬时总冷量Q_t，间接的计算出空调末端的冷负荷以及提供的冷量，从而实现空调末端冷负荷的实时监测与冷量计量。

对于单一功能建筑而言，其工作原理是通过在冷源部分安装冷源智能节点装置，检测空调系统的冷源部分的运行参数，在本地数据中心计算总冷负荷；在空调末端设备上安装末端智能节点装置，检测各个空调末端的运行参数，在本地数据中心计算显热冷负荷，并在此基础上进一步计算空调末端的冷负荷(即全热冷负荷)与冷量来实现的；而对于综合建筑而言，则是通过在不同功能区的冷冻水管网上安装管网智能节点装置，检测不同功能区管网的运行参数，在本地数据中心计算总冷负荷；在空调末端设备上安装末端智能节点装置，检测各个空调末端的运行参数，在本地数据中心计算显热冷负荷，并在此基础上进一步计算空调末端的冷负荷与冷量来实现的；

其原理具体如下：

某一时刻，空调末端将流量为q的空气由状态2冷却到状态1所消耗的瞬时冷量，即冷负荷可按下式计算：

Q＝(i₂-i₁)×q

式中，Q：空调末端的冷负荷，kW；

i₁，i₂：分别为空调末端出风口、进风口出空气的焓，kJ/kg；

q：空调末端处理的风量，kg/s。

由于上述公式中空气的焓需要测量空气的干球温度、相对湿度(或湿球温度)，然后才能计算出来。在实际工程应用中，由于空调末端设备数量众多，相对湿度或湿球温度检测装置成本较高，这样就导致计量成本很高。

空调末端的冷负荷包括显热冷负荷与潜热冷负荷两部分。若能计算出空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比ε，则可以通过显热冷负荷、显热冷负荷与冷负荷之比ε计算出空调末端的冷负荷。计算空调末端的显热冷负荷的只需测量其出风口、进风口处空气的干球温度、处理风量三个参数。不需要对空调末端的出风口、进风口处的焓进行计算，因此本发明也不需要测量相对湿度或湿球温度，节省了者方面的计量成本。

当忽略冷冻水管的冷量损失时，单一功能建筑冷源或综合建筑不同功能区管网在某一时刻提供的瞬时总冷量Q_t等于单一功能建筑内或综合建筑不同功 能区内所有的空调末端的冷负荷之和，即，

$Q_t=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j$

式中，Q_j：第j个空调末端的冷负荷，kW；

单一功能建筑冷源或综合建筑不同功能区管网的瞬时总冷量Q_t可通过单一功能建筑冷源智能节点装置或综合建筑不同功能区管网智能节点装置采集冷源运行参数或综合建筑不同功能区管网运行参数，在本地数据中心计算得到。

第j个空调末端冷负荷可通过以下公式计算出来：

$Q_j=\frac{Q_{s,j}}{{\mathrm{\ϵ}}_j}$

式中，Q_j：第j个空调末端的冷负荷，kW；

Q_s，j：第j个空调末端的显热冷负荷，kW，由下式计算得到：

Q_s，j＝C_a×[T_2，j-T_1，j]×q_j

ε_j：第j个空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比，由下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_j=\frac{Q_{s,j}}{Q_j}\≅\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}}{Q_t}$

以上计算过程中，对于单一功能建筑，由于其内部各空调房间的温湿度设计参数基本相同，所以可认为各空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比ε_j近似等于整个建筑物内所有空调末端的显热冷负荷之和与总冷负荷的比ε；而综合建筑内部具有多个功能区域，每个功能区内部各空调房间的温湿度设计参数基本相同，所以可认为每个功能区内的各空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比近似相等，因此对于综合建筑，各功能区空调末端的显热冷负荷之和与总冷负荷之比要按功能区域分别计量。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明专利要求说要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，利用测量参数计算出的空调末端显热负荷值测算全热负荷，实现空调末端冷负荷的有效监测与冷量计量，即通过测量空调末端的显热冷负荷，单一功能建筑冷源的瞬时总冷量或综合建筑不同功能区的瞬时总冷量，间接的计算出空调末端的冷负荷以及提供的冷量，从而实现空调末端冷负荷的实时监测与冷量计量，包括以下步骤：

(1)本地数据中心数据初始化，设定建筑类别，设定各个前端智能节点装置和末端智能节点装置的地址和相应信息编码，每个末端智能节点装置和前端智能节点装置均对应唯一的地址；

(2)本地数据中心定时检测建筑内前端智能节点装置的开关和运行状态，通过前端智能节点装置的开关和运行状态判断单一功能建筑内空调冷源或综合建筑功能区内空调子系统是否开启；当检测到单一功能建筑内空调冷源或综合建筑功能区内空调子系统开启时，前端智能节点装置采集数据，并存储到前端智能节点装置内相应数据区，本地数据中心通过数据转换模块从前端智能节点装置读取数据；

(3)本地数据中心通过各个末端智能节点装置判断各个空调末端设备是否开启，当检测到空调末端设备开启时，末端智能节点装置采集数据，并存储到末端智能节点装置内相应数据区，本地数据中心通过数据转换模块从该末端智能节点装置读取数据；

(4)第k采样周期内，本地数据中心根据从前端智能节点装置和末端智能节点装置读取的数据，计算各空调末端的显热冷负荷、冷负荷、冷量和累计冷量，并将计算结果存储于本地数据中心中；若系统设有远程数据中心，则同时将计算结果发送给远程数据中心；

(5)结束第k采样周期，返回步骤(2)，开始对第(k+1)采样周期的数据进行采集与计算。

2.根据权利要求1所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，所述建筑类别为单一功能建筑或综合建筑，所述综合建筑包括有多个功能区；当建筑类别为单一功能建筑时，所述前端智能节点装置为冷源智能节点装置；当建筑类别为综合建筑时，所述前端智能节点装置为管网智能节点装置；所述末端智能节点装置为风机盘管智能节点装置或风柜智能节点装置。

3.根据权利要求2所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，所述各个前端智能节点装置和末端智能节点装置的相应信息编码分别包括其所在的建筑识别编码、建筑类别、功能区编号、智能节点装置类型及设备编号；末端智能节点装置的相应编码信息还包括利用风量测量装置测量得到的风机盘管智能节点装置或风柜智能节点装置的实际风量的标定值。

4.根据权利要求3所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，所述风量测量装置为风速仪；所述风机盘管智能节点装置的实际风量的标定值为设定的风速值，分别为高速、中速、低速档三档时风量测量装置测得的实际风量q_j，H、q_j，M、q_j，L；所述风柜智能节点装置的实际风量为风量测量装置测得的实际风量q_j，B。

5.根据权利要求2所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，步骤(2)所述判断建筑物内空调系统是否开启具体如下：

当建筑类别为单一功能建筑时，冷源智能节点装置采集的冷水流量超过下限值时，判断结果为建筑物内空调系统开始运行；

当建筑类别为综合建筑时，功能区的管网智能节点装置采集的冷水流量超过下限值时，判断结果为该功能区内空调子系统开始运行；

所述通过前端智能节点装置采集的数据包括冷冻水供水温度T_c1(k)、冷冻水回水温度T_c2(k)和冷冻水质量流量q_w(k)；其中，T_c1(k)为第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水供水温度，T_c2(k)为第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水回水温度，q_w(k)为第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水质量流量。

6.根据权利要求2所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，步骤(3)所述判断空调末端设备是否开启具体如下：

当空调末端设备为风机盘管时，当检测到风机盘管的高速、中速或低速继电器中有一个闭合时，风机盘管开启；

当空调末端设备为风柜时，当检测到风机的三相交流接触器闭合时，风柜开启；

所述通过末端智能节点装置采集的数据具体为：

当末端智能节点装置为风机盘管智能节点装置时，通过末端智能节点装置采集以下数据：设定的风速值、风机盘管智能节点装置出风口处的干球温度T_1，j(k)和室内回风口处的干球温度T_2，j(k)，T_1，j(k)、T_2，j(k)分别为第k采样周期内第j个空调末端出风口、回风口处空气的干球温度的测量值；

当末端智能节点装置为风柜智能节点装置时，通过末端智能节点装置采集以下数据：风柜出风口处的干球温度T_1，j(k)和室内回风口处的干球温度T_2，j(k)，T_1，j(k)、T_2，j(k)分别为第k采样周期内第j个空调末端出风口、回风口处空气的干球温度的测量值。

7.根据权利要求4所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量方法，其特征在于，步骤(4)所述各空调末端的显热冷负荷、冷负荷、冷量和累计冷量的计算过程具体如下：

(a)计算第k采样周期单一功能建筑内冷源智能节点装置或综合建筑不同功能区管网智能节点装置对应的瞬时总冷量，即冷负荷：

Q_t(k)＝C_w×[T_c2(k)-T_c1(k)]×q_w(k)

式中，C_w：水的定压比热，kJ/kg·℃；

q_w(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水质量流量，kg/s；

T_c1(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水供水温度，℃；

T_c2(k)：第k采样周期内前端智能节点装置采集的冷冻水回水温度，℃；

(b)确定单一功能建筑内或综合建筑不同功能区各空调末端的实际风量q_j(k)；

空调末端设备为风机盘管时，当风速设定值为高速档时，空调末端的实际风量q_j(k)＝q_j，H，，当风机盘管风速设定值为中速档时，空调末端的风量q_j(k)＝q_j，M，当风机盘管风速设定值为低速档时，令空调末端的风量q_j(k)＝q_j，L；若空调末端设备为风柜，则按定风量运行考虑，取测量前已标定并存入末端智能节点装置中控制器的实际风量，为q_j，B，即q_j(k)＝q_j，B；

(c)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内各空调末端的显热冷负荷：

Q_s，j(k)＝C_a×[T_2，j(k)-T_1，j(k)]×q_j(k)

其中：

Q_s，j(k)：第k采样周期内任一时刻第j个空调末端的显热冷负荷，kW；

C_a：空气的比热，kJ/kg·℃；

T_1，j(k)、T_2，j(k)：分别为第k采样周期内第j个空调末端出风口、回风口处空气的干球温度的测量值，℃；

q_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端的风量，kg/s；

(d)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内的总显热冷负荷Q_s，t：

$Q_{s,t}\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{s,j}\left(k\right)$

式中，M：单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内空调末端总数，台；

(e)计算第k采样周期单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内显热冷负荷与冷负荷之比：

${\mathrm{\ϵ}}_j\left(k\right)\≅\mathrm{\ϵ}\left(k\right)=\frac{Q_{s,t}\left(k\right)}{Q_t\left(k\right)}$

式中，ε(k)：第k采样周期内单一功能建筑内或综合建筑不同功能区内总显热冷负荷与总冷负荷之比；

ε_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端的显热冷负荷与冷负荷之比；

(f)计算第k采样周期各空调末端的总冷负荷：

Q_j(k)＝Q_s，j(k)÷ε_j(k)

式中，Q_j(k)：第k采样周期内任一时刻第j个空调末端的冷负荷，kW；

(g)计算第k采样周期各空调末端的总冷量：

E_j(k)＝Q_j(k)×Δt

式中，E_j(k)：第k采样周期内第j个空调末端提供的冷量，kJ；

Δt：采样周期，s；

(h)计算到第k个采样周期为止各空调末端的累计总冷量：

∑E_j(k)＝∑E_j(k-1)+E_j(k)

式中，∑E_j(k)：到第k采样周期为止第j个空调末端的累计冷量，kJ；

∑E_j(k-1)：到(k-1)采样周期为止第j个空调末端的累计冷量，kJ。

8.用于权利要求1～7任一项所述方法的空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统，其特征在于，包括本地数据中心、末端智能节点装置及前端智能节点装置，本地数据中心与前端智能节点装置之间设有数据转换模块；所述前端智能节点装置为用于单一功能建筑的冷源智能节点装置，或用于综合建筑不同功能区的管网智能节点装置；所述冷源智能节点装置安装于单一功能建筑空调系统中冷源部分，所述管网智能节点装置安装于综合建筑空调系统中不同功能区的冷冻水管网上；所述末端智能节点装置为风机盘管智能节点装置或风柜智能节点装置，所述末端智能节点装置安装于空调系统中的空调末端设备；对于单一功能建筑而言，通过在冷源部分安装冷源智能节点装置，检测空调系统的冷源部分的运行参数，在本地数据中心计算总冷负荷；在空调末端设备上安装末端智能节点装置，检测各个空调末端的运行参数，在本地数据中心计算显热冷负荷，并在此基础上进一步计算空调末端的冷负荷与冷量来实现的；而对于综合建筑而言，则是通过在不同功能区的冷冻水管网上安装管网智能节点装置，检测不同功能区管网的运行参数，在本地数据中心计算总冷负荷；在空调末端设备上安装末端智能节点装置，检测各个空调末端的运行参数，在本地数据中心计算显热冷负荷，并在此基础上进一步计算空调末端的冷负荷与冷量来实现的。

9.根据权利要求8所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统，其特征在于，所述本地数据中心还外接远程数据中心。

10.根据权利要求8所述空调末端设备冷负荷实时监测及冷量计量系统，其特征在于，所述风机盘管智能节点装置设有风机盘管控制器、风机盘管出风口温度传感器、风机盘管回风口温度传感器和风机盘管数据通讯模块，其中，风机盘管控制器上的2个AI端口分别与风机盘管出风口温度传感器和风机盘管回风口温度传感器连接，风机盘管控制器上的4个DO端口分别与4个继电器线圈相连，4个继电器的辅助触点分别与电磁阀、三速风机的高速、中速、低速档对应的端子连接，风机盘管数据通讯模块一端与风机盘管控制器的数据端口连接，另一端外接数据传输线路；

所述风柜智能节点装置设有风柜控制器、风柜出风口温度传感器、风柜回风口温度传感器、风柜数据通讯模块，其中，风柜控制器上的2个AI端口分别与风柜出风口温度传感器和风柜回风口温度传感器连接，风柜控制器上的1个AO端口与电动调节阀连接，1个DO端口与1个继电器线圈相连，继电器的辅助触点与风机的三相交流接触器连接，风柜数据通讯模块一端与风柜控制器的数据端口连接，另一端外接数据传输线路；

所述前端智能节点装置设有前端控制器、供水管温度传感器、回水管温度传感器、流量计和前端数据通讯模块，其中前端控制器上的3个AI端口分别与供水管温度传感器、回水管温度传感器和流量计连接，前端数据通讯模块一端与前端控制器的数据端口连接，另一端外接数据传输线路。

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