CN101655272A - 一种网络中央空调节能控制管理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网络中央空调节能控制管理系统及其方法，控制管理系统包括中央控制柜，采用TCP/IP协议为网络控制协议的通用网络控制器，INTERNET网络构架和网络空调设备，通用网络控制器将空调设备的运行参数通过INTERNET网络构架传送给中央控制机柜，同时接收并执行中央控制机柜的控制指令，本发明还包括实现节能控制管理的方法，提出了系统能效比COP_sys作为空调系统能效标识，该方法通过计算系统动态能效比来调节空调设备的运行参数，从而使系统动态能效比始终处于最大，保证中央空调系统能工作在最为节约能源的状态之下。

Description

一种网络中央空调节能控制管理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种由电子信息技术、自动化控制技术、网络控制管技术、建筑节能技术相交叉结合应用的网络中央空调节能控制管理领域，具体来说是一种新型网络中央空调的控制管理系统及方法，本发明的具体适用范围包括：国内外各类建筑物的机电设备及系统的控制管理及系统节能；工业生产、宾馆、酒店、医疗、楼宇等大型建筑中的空调制冷系统的节能改造；冷冻冷藏设备及系统控制管理及节能；工业、民用、军用、冶金、石化工、电力、地铁、奥运场馆等领域机电设备及系统控制管理及节能；以及其它领域机电及群组设备系统的智能化、网络化控制管理与节能。

背景技术

当前，国内外空调设备、中央空调系统、空调部分楼宇自控等方面，普遍采取离散式建设与管理，导致空调使用效果差、可靠性低、能耗费用高、运行费用高、难以定量分析等不良结果。另外，中央空调系统的楼宇控制部分开放性与兼容性较差、控制困难且造价昂贵。尤其在北京，半数以上的中央空调系统都运行在低效高能耗状态中，且缺乏系统节能措施和技术手段。

国际上的网络中央空调节能控制管理系统通常采用美国ASHREI35-90标准(BACnet协议)的楼宇控制技术或LONWORK或厂家自行的传输协议，这就导致设备之间兼容性差，造价昂贵及操作控制困难，管理十分复杂，并且已有空调系统网络化控制对空调系统中耗能最高的制冷主机只能进行监测，而不能进行节能控制，不能实现冷源和末端的匹配运行，达不到节能的目标。因此，如何通过LAN网络实现空调系统的网络化节能控制和管理，就成为网络中央空调节能控制管理的关键，本发明就是基于传统网络中央空调的以上缺点，进行网络中央空调结构和控制方法上的改进实现最终的结构简单，造价低廉，运行稳定性和兼容性高的目的。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术中，机组控制与网络通讯传输之间通讯传输可靠性和兼容性的难题，特别是解决了冷水机组的高能耗、效率低、管理难等问题，使传统的设备控制与网络技术相融合，实现了大型高能耗设备的网络化，具有极强的抗干扰性，通过LAN网络实现系统的网络化控制和管理，并通过INTERNET实现专家级的管理，使机组和空调设备，可以通过楼宇局域网构建网络中央空调节能控制管理系统，并进一步通过因特网与全球网络中央空调管理系统连接，从而最终实现对机组和系统运行的监控、节能管理和专家级的服务。

实现上述目的本发明的技术方案为：一种网络中央空调节能控制管理系统，包括包括中央控制柜，通用网络控制器，INTERNET网络构架和网络空调设备，通用网络控制器分别连接网络空调设备和INTERNET网络构架，中央控制柜也连接在INTERNET网络构架当中，网络空调设备的运行参数通过通用网络控制器后经过INTERNET网络构架的传送至中央控制柜，中央控制柜发出的控制指令通过INTERNET网络构架传送通用网络控制器，由其实现对各网络空调设备的控制，通用网络控制器是一种采用开放协议的TCP/IP网络控制器，网络空调设备包括空调制冷机组，传输水泵，冷却塔，冷站辅助设备，空调机组，新风机组，热回收机组，新风换气机，各设备的运行参数和中央控制柜发出的控制指令均通过开放的ICP/IP协议在INTERNET网络构架中通讯。本发明所述的网络中央空调节能控制管理方法通过以下步骤实现：(1)通用网络控制器根据网络空调设备的初值计算实际需求热负荷；(2)根据计算所得的热负荷计算动态系统能效比COPsys；(3)根据动态系统能效比COPsys的最大值选择网络空调设备的运行参数；(4)通过网络控制器改变网络空调设备的运行参数，以保持动态系统能效比始终处于最大值。在上述控制方法中，动态系统能效比是实实监测并通过变频方法实现网络空调设备运行参数的调节，从而达到系统的运行综合参数最大化，即网络空调系统的能量输出、能量输配和能量需求相一致。

本发明结构简单、操作方便，和已有的相关技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用开放的TCP/IP协议，使传统的设备控制与网络技术很好地融合，实现了中央空调系统各设备的网络化。该技术的使用打破了BACNET、LONWORK等传输协议的垄断地位，创新性的把互联网发展到楼宇自控技术中，使空调系统各设备可以通过因特网与网络中央空调管理系统连接，实现对空调设备运行的集中监控和管理。更重要的是它可以实现“OA+CA+BA”三网合一，真正实现了数字楼宇；同时先进的网络中央空调在线管理系统(BCMS)，可以为广大的中央空调客户提供在线的专家级管理服务。以下是基于BACnet和LonWork的空调系统网络化控制与INTERNET网络中央空调对比：

2、本发明的网络中央空调节能控制管理系统可将不同品牌、不同型号、不同规格的冷水机组统一进行节能控制管理，兼容性强。

3、本发明的网络中央空调控制节能管理方法中通过对动态系统能效比的实时控制，使空调系统始终处在高效的运行状态。

4、本发明的网络中央空调控制节能管理方法中引入了节能参数，费用参数，和实时高效参数，通过参数之间的综合优化达到了节能目的。

附图说明

图1是本发明所述的网络中央空调节能控制管理系统结构图；

图2是本发明所述的中央空调系统网络化示意图；

图3是本发明所述的网络中央空调总能耗模型图；

图4是本发明所述的网络中央空调控制节能管理方法流程图；

图5是本发明所述的网络中央空调控制管理总体框架图；

图6是冷站节能运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理进行具体描述：如图1所示为本发明所述的网络中央空调节能控制管理系统结构图，利用INTERNET网络构架进行中央控制柜和通用网络控制器的通讯联系，网络空调设备直接与通用网络控制器连接后，其运行参数经过通用网络控制器传送至中央控制机柜，同样中央控制柜发出的控制指令通过INTERNET网络构架传送至通用网络控制器再由其实现对各网络空调设备的控制。

图2是中央空调系统网络化示意图，如图所示，网络空调设备所包括的空调制冷机组，传输水泵，冷却塔，冷站辅助设备，空调机组，新风机组，热回收机组，新风换气机，均与通用网络控制器直接连接，其运行参数通过通用网络控制器传输至INTERNET网络构架上，同时从通用网络控制器来的控制指令操作改变各网络空调设备的运行参数。

图3是网络中央空调总能耗模型图，如图所示将本发明所述的空调系统能耗简化为三个层次：层次一中主要是冷水机组根据实时冷负荷需求进行能调后消耗的能量，层次二中为冷源系统能耗和空调子系统的能耗，层次3为中央空调整体能耗，通过调节系统的运行参数使总能耗最低。

图4是网络中央空调控制节能管理方法流程图，如图所示，通用网络控制器将初始运行参数例如，水量、供、回水温度等传送至控制系统，并根据冷量公式Q＝CMΔT实时对需求侧的负荷进行动态计算，并实时计算系统的动态能效比COPsys(x)，此时节能控管系统会在运行模式数据库中计算在满足空调系统目前需求侧负荷Q状况下的各种模式的系统动态能效比COPsys(x)，然后会选择COPsys(x)最大的一种运行模式，相应选择冷源、输配系统和末端设备优化的运行参数，将指令下发至通用网络控制器，再由通用网络控制器将指令发给空调设备，对空调设备的运行参数进行调整，使之运行在趋近优化的参数状态下，然后通过数据采集线，再将空调设备实际运行的参数反馈给通用网络控制器，参数由通用网络控制器传至网络中央空调节能控管系统中，再由节能控制系统计算需求侧的动态需求负荷，循环如上，使得系统在动态运行中能够实时处于趋近于系统能效比最大的状态下，达到系统的综合节能。

图5是本发明所述的网络中央空调控制管理总体框架图，同样基于图2中各层次的能耗状况，采取措施降低用户端需求负荷，根据需求负荷实时调节主机能级，提高单机能效比。通过水泵变频、辅助设备台数控制与主机匹配运行等措施降低输配系统的能耗，最终在冷站COP_sysm高效的情况下，根据系统负荷需要，对其进行定性、定量分析，通过变风量、变流量、变水温等动态管理，匹配空调负荷，科学调节新风与循环送风，实现系统的动态控制与管理，在保障空气品质下，有效降低空调需求的负荷，避免能量浪费，保证冷热源能量输出、能量输配和空调末端需求的平衡，即：Q_输出＝Q_传输＝Q_需求。保持最佳运行状态，使系统的动态能效比处于最佳值，达到降低系统运行能耗的目标，最终实现系统的综合节能、节费。

冷水机群COP_C值为：

${\mathrm{COP}}_C=\frac{\mathrm{\Σ}{Q}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{Ci}}}$

冷站系统COP_sysm值为：

${\mathrm{COP}}_{\mathrm{sysm}}=\frac{\mathrm{\Σ}{Q}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{Ci}}+\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{Pi}}}$

空调系统COP_sys值为：

${\mathrm{COP}}_{\mathrm{sys}}=\frac{\mathrm{\Σ}{Q}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{Ci}}+\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{Pi}}+\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{Ai}}}$

其中：Q_Ci表示各台机组的制冷量，以V_Ci表示各台机组的功耗，以N_Pi表示其它运转设备(水泵、冷却塔、风机等)的功耗，N_Ai表示系统末端各设备的功耗。

图6是冷站节能运行流程图，当主机开启后，计算空调的实际冷负荷与实际开启主机实时进行对比，根据能量匹配的原则Q_输出＝Q_需求来决定制冷机组及冷站水泵、冷却塔等辅助设备开启的台数，冷站设备运行过程中，实时采集主机和辅助设备功率的瞬时值，计算主机动态能效比COP_C(x)及冷站动态能效比COP_sysm(x)，以主机IPLV性能曲线为依据，采用变水量、变水温等节能手段，最终对主机进行能调，实现动态冷站能效比COP_sysm(x)实时最高的目标。具体冷负荷计算公式如下：

Q_T＝C·W·(t_h-t_g)KW

式中QT-用户侧需求空调冷负荷，KW

C-冷冻水的比热，C＝4.186kJ/kg·℃

W-冷冻水流量(冷冻水总管上的流量传感器反馈)，kg/s

Th-冷冻水回水温度(冷冻供水管上的温度传感器反馈)，℃

Tg-冷冻水供水温度(冷冻回水管上的温度传感器反馈)，℃

本发明所述的网络中央空调节能控制管理系统工作时，(1)计算空调系统实时冷负荷，采集网络空调设备的运行能耗，计算制冷主机动态能效比COP_C(x)及冷站动态能效比COP_sysm(x)；(2)调节冷站设备的运行参数，实现动态冷站能效比COP_sysm(x)为最高；(3)以系统实时高效节能、综合节费和为目标设置，在不同时期，不同环境下选择不同的节能理论模型，采用不同的节能技术手段来改变网络空调设备的运行参数，最终调节动态能效比COP_sys(x)以达到系统运行综合节能节费。建立节能理论模型如下：

模型1：冷站运行实时高效max f(x)＝COP_sysm(x)

模型2：系统运行实时高效max f[x(t)]＝COP_sys[x(t)]

模型3：系统整体节费参数min f(x)＝C_O(x)

模型4：系统综合节能节费max f(x)＝λ₁COP_sys(x)+λ₂COP_sys(x)-λ₃C_O(x)

以上模型边界条件为：

s.t.h_i(x)＝0，i＝1，...，m

g_j(x)≤0，j＝1，...，l

x∈Ω

注：f[x(t)]-模型的目标函数；

C_O(x)-系统的运行费用。

x(t)-t时刻决策变量，用向量x(t)＝(x₁(t)，x₂(t)，...，x_n(t))^T表示；

COP_sys(x)-系统静态COP；COP_sys[x(t)]-t时刻系统动态COP；

h_i[x(t)]，g_j[x(t)]-系统优化模型约束条件，主要是部件之间的约束关系以及房间舒适性、空气品质要求。

λ₁，λ₂，λ₃-权系数，λ₁+λ₂+λ₃＝1；

COP_sys(x)-系统动态COP在考察时段T内的时均值，可按下式计算：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{COP}}}_{\mathrm{sys}}\left(x\right)={\∫}_{t_1}^{t_1+T}{\mathrm{COP}}_{\mathrm{sys}}\left[x\left(t\right)\right]\mathrm{dt}$

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种网络中央空调节能控制管理系统，包括中央控制柜，通用网络控制器，INTERNET网络构架和网络空调设备，其特征在于，通用网络控制器分别连接网络空调设备和INTERNET网络构架，中央控制柜也连接在INTERNET网络构架当中，网络空调设备的运行参数通过通用网络控制器后经过INTERNET网络构架的传送至中央控制柜，中央控制柜发出的控制指令通过INTERNET网络构架传送通用网络控制器，由其实现对各网络空调设备的控制。

2、根据权利要求1所述的网络中央空调节能控制管理系统，其特征在于，通用网络控制器是一种采用开放协议的TCP/IP网络控制器。

3、根据权利要求1所述的网络中央空调节能控制管理系统，其特征在于，网络空调设备包括空调制冷机组，传输水泵，冷却塔，冷站辅助设备，空调机组，新风机组，热回收机组，新风换气机。

4、根据权利要求1所述的网络中央空调节能控制管理系统，其特征在于，网络空调设备的运行参数和中央控制柜发出的控制指令均通过开放的ICP/IP协议在INTERNET网络构架中通讯。

5、根据权利要求1所述的网络中央空调节能控制管理系统，其特征在于，可将不同品牌、不同型号、不同规格的冷水机组统一进行节能控制管理。

6、一种网络中央空调节能控制管理方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)通用网络控制器根据网络空调设备的初值计算实际需求冷、热负荷；

(2)根据计算所得的冷、热负荷计算动态系统能效比COPsys；

(3)根据动态系统能效比COPsys的最大值选择网络空调设备的运行参数；

(4)通过网络控制器改变网络空调设备的运行参数，以保持动态系统能效比始终处于最大值。

7、根据权利要求6所述的网络中央空调节能控制管理方法，其特征在于，动态系统能效比达到最大时，网络空调系统的能量输出、能量输配和能量需求相一致。

8、根据权利要求6所述的网络中央空调节能控制管理方法，其特征在于，动态系统能效比是实时监测和调节。

9、根据权利要求6所述的网络中央空调节能控制管理方法，其特征在于，可以通过变频方法实现网络空调设备运行参数的调节，达到节能效果。

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