CN101769586A - 中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，其特征是循环回路的空调机组出水端分别有温度和压力检测；空调负荷出水端分别有温度和压力检测；水泵和空调机组进水间分别有温度和压力检测，冷(温)水分流旁路阀为电控阀，通过对机组和负荷的检测，分别控制变流量泵和电控阀。通过对空调机组和空调负荷两端温度和压力的分别检测，调节水泵和/或旁路分流阀，既能满足空调机组，又能满足空调负荷空调效果对流量的要求，达到在最佳使用效果下，系统工作在最佳能效状态，以及具有自适应能力，节省电能可达50％以上。

Description

中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，特别涉及一种既能确保用户需要空调效果，又能最大限度节约能耗的中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法。

背景技术

中央空调冷(温)水循环，由空调机组，空调负荷(室内风机盘管)，水泵串联组成闭合回路，在空调负荷两端还并联跨接有阀控冷(温)水分流旁路，通过冷(温)水在机组和负荷间的循环流动，实现负载的致冷或致热。中央空调系统设计时是按最大使用要求设计，然而实际运行中大部分时间都是运行在小于最大值工况，大量统计表明：中央空调运行实际年平均负荷率只有在45％左右，如果对系统循环冷(温)水流量不进行实时调控，则会造成能源的极大浪费。中央空调冷(温)水循环，运行中最大能源浪费为使工作介质循环的水泵。现有技术对水泵运行能效调控方式主要分为温度控制型和压力控制型。

温度控制型，基本原理如图1，在空调负荷两端设置温度检测器3和5，通过检测负荷进水和出水温度(或者进水、出水温差)，调控水泵10运行，改变循环流量，即水泵运行是根据负荷两端工作介质温度变化而改变，实现水泵节能运行。但系统中冷(温)水温度随负载、环境、机组性能等因素，不仅变化较快，而且变化范围较大例如3-40℃，其温度的快速变化导致系统稳定性难以控制；其次，单一温度变化(无流量压力采集)，不能反映系统管路中流量变化，有可能不能保证机组工作最低流量，甚至出现系统中无流量的极端情况也不能反映，客观上对机组安全运行带来很大威胁；再就是，在空调正常运行中，通过温度变化可以在一定范围内对工作介质流量进行调整，但系统多数时间实际加载或减载在不断变化，在变化过程中会造成温度上下波动较大，从而形成系统振荡。因此，这种仅靠温度反映调节工作介质流量的方式，存在诸多不足。对此人们在此基础上又提出多种改进，例如：

中国专利CN2331900空调水泵变频节能控制装置，通过分别连接于冷冻水进、出口和冷却水进、出口的温度传感器，控制冷却水泵运行；中国专利CN1793746中央空调系统冷却水及冷冻水流量自动调节控制方法。在机组出水端与回水端设置温度传感器。它们仍然只有温度检测，而无流量(压力)检测，上述温控型缺点依然没有得到克服；其次，并接在蒸发器两端的旁通回路，只能起到单一开/关作用，无法对机组流量进行线性调整，也就不能保证水泵工作能效最佳。

中国专利CN1601193、CN2703223、CN201335489、CN2898692、CN1654893等，虽然在系统中设有一个压力点，但只作为监控信号，无法实现压差互控，因此仍然为温度控制型，上述温差控制型的缺点依然没有得到解决。

中国专利CN1598427中央空调冷冻水系统模糊预期控制方法，虽然在旁通回路两端加压差采样器，只是用于机组最低流量的旁通补偿，并不能实现对负荷流量的调控，其仍然为温差控制型；其次，单一压差采集，不能反映出水和回水管路的实际压力，不能进行压力方面保护。

CN201059715中央空调冷冻站质量并调控制系统，单一监测冷冻水供回水温度，定温差控制冷冻水的流量。实际运行中，温差随着机组加减载或其它外部条件处于不断变化中，上述温差控制型的缺点依然没有得到解决。其次，单一监测冷冻水供水管网中的某点压力差，定压差控制冷冻水的流量，上述压差控制型的缺点也没有得到解决。

压力控制型，基本原理如图2，在空调负荷两端设置压力检测器7和8，通过检测空调负荷进水和出水压力(或者出水、回水压差)，调控水泵10运行，改变循环流量，即水泵运行根据负荷两端压力变化而改变，实现水泵节能运行。这种方式虽然能够保证机组的基本流量，确保机组运行安全；然而单一压力变化又不能充分反映机组和/或负荷实际运行状态，从而无法对流量进行较准确的动态调整，因而也就不能实现水泵运行能效最佳；其次，实际进水压力和出水压力(或者进水、出水压差)变化较小，其窄线性变化使得实际可调范围较小，小范围窄区间调整不能实现能效最佳；再就是，系统因无工作介质温度反映，当介质水温过低或过高时，无法采取相应流量补偿措施，从而在很多情况下，水泵和机组能效都会受到影响；还有，负荷端无温度反映，就不能保证使用空调效果。对此人们在此基础上也提出多种改进，例如：

中国专利CN2472116中央空调模糊控制节能装置，利用机组产生的冷媒量和所需的热负荷量比较大小的方式，来调整水泵输出大小。此控制不仅无法做到空调机组的流量与空调负荷流量独立调整，使其流量各自达到最佳匹配，而且只采集到一个出水端压力信号，无法实现差压检测，上述温差或压差控制的缺点依然没有得到解决。

申请人经大量研究得出，在不同工况下，空调机组和空调负荷各自流量与实际需求相符时，能够获得保证所需空调效果下整个冷(温)水系统的能效最高。而通常空调机组运行流量，根据机组形式，最小须在40％-60％，空调负荷运行最小流量也必须在35-50％。因此实际运行中空调机组流量与空调负荷流量要求不同，且两者各自变化不呈正比，导致客观上在大多数情况下，空调机组流量与空调负荷流量，两者是不相等的。上述两种控制方法及其变形，都是根据运行情况单一调控水泵流量，以提高水泵运行能效。单一调整水泵流量，是不可能对机组和负荷流量进行各自独立调整，也就不能实现机组和负荷各自流量单独匹配，也就达不到在最佳使用效果下的最佳能效和最大限度节省能耗，即忽视了在确保空调效果基础上追求能效最佳，也就不可能达到系统能效的最佳优化。

其次，现有技术中负荷两端的分流旁路，主要目的是为了保证负荷端流量过小时，通过分流岔路满足机组最小流量要求，因此系统中分流旁路阀大多为机械或手动阀，不能实现根据对系统运行的检测，自动控制调整阀开启及开启大小，也难以达到能效最佳。

再就是，现有系统能效控制装置，采用的是多个模块单元(例如信号采集模块、编程控制器或中央处理器，信号输出模块，电源模块，中继电路等)，模块间通过数据线连接分立控制。此类控制装置，由于模块间通过线路连接，容易出现电磁干扰，因而抗干扰能力低；并且节点多安装易出现失误，调整困难，这些均导致控制装置稳定性差；此外，多个模块组合成本高，体积较大。

上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种能够在满足空调负荷末端负荷需求，根据空调机组和空调负荷各自在标准工况下所需流量变化，动态调整流过两者冷(温)水流量，使系统能效达到最佳的中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法。

本发明另一目的在于提供一种上述控制方法所用控制装置。

本发明方法目的实现，主要改进一是组合温度和压力检测控制；二是再在水泵和空调机组间增加温度和压力检测；三是将冷(温)水分流旁路调节阀改为适应自控的电控阀，以此实现机组和负荷分别检测和控制，使得两者各自流量的最佳，从而克服上述现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，包括在冷(温)水循环回路上设置温度、压力检测，以及变流量泵，其特征在于循环回路的空调机组出水端分别有温度和压力检测；空调负荷出水端分别有温度和压力检测；水泵和空调机组进水间分别有温度和压力检测，冷(温)水分流旁路阀为电控阀，通过对机组和负荷的检测，分别控制变流量泵和电控阀。

本发明方法实现最佳能效节能原理：

通过采集空调机组出水压力和回水压力，将其差值与空调机组要求标准工况压差值比较，如果低于标准工况压差值，调节水泵增加流量，如果高于标准工况压差值，调节水泵减小流量，确保空调机组在标准工况下的流量要求。

通过采集空调机组出水温度与空调机组回水温度，将其差值与空调机组要求标准工况温差值比较，如果高于标准温差值，修改增加标准压差值(即前述机组压差比较值)，如果低于标准温差值，修改减小标准压差值，确保不同工况下空调机组流量处于最理想匹配状态。

通过采集空调负荷进水压力与空调负荷回水压力，将其差值与空调负荷要求标准工况压差值比较，如果高于标准工况压差值，增加分流旁路电控阀开度，减小流过空调负荷流量，如果低于标准工况压差值，减小分流旁路电控阀开度，增加流过空调负荷流量，确保空调负荷在标准工况下的流量要求。

通过采集空调负荷进水温度与空调负荷回水温度，将其差值与空调负荷要求标准工况温差值比较，如果高于标准温差值，提高负荷标准压差值(即前述负荷压差比较值)，如果低于标准温差值，减小负荷标准压差值，确保空调负荷在不同工况下流量处于最理想匹配状态。

通过上述过程的不断动态修正，最终实现空调机组与空调负荷，在各种不同工况下各自流量的最佳匹配，从而达到系统能效最佳，最大限度节约能耗。

本发明中：

温度和压力检测，可以采用现有技术所用温度、压力检测装置，例如温度变送、温度探头，压力传感器等。

电控阀，主要是为适应冷(温)水流量分流自动调节要求，可以根据检测及比较差值，自动控制阀的开启或关闭，以及开启大小的自动调整。也可以采用公知的调整型电控阀，例如比例型电动或气动调整阀，或者其他开度可调型电控阀。本发明中一种较好采用具有公共线、开阀、闭阀的三线型电控阀，此阀不仅结构简单，抗干扰性好，而且适合远距离控制。

此外，还可以在系统回路中增加流量采集、机组及水泵功率采集等，实现相应附加功能。

控制与现有技术相似，采用程序控制方式。

本发明控制装置，主要改进是将各外围功能模块与一个CPU连接形成集成控制，从而减少外线路连接，提高抗干扰能力，增强控制装置的稳定性。具体说，本发明控制装置，包括对系统运行参数采集单元、开关量输入、输出单元、通迅接口等与CPU按信号匹配相连，其特征在于对系统运行参数采集单元，包括对机组出水口、负荷回水口、机组进水口的温度采集；对机组出水口、负荷回水口、机组进水口的压力采集，还包括电控阀控制信号单元。

本发明中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，由于不仅组合现有技术温度和压力差检测，而且还在水泵和空调机组间增加温度和压力检测，以及将冷(温)水分流旁路调节阀改为适应自控变量的电控阀，从而实现对空调机组和空调负荷两端温度和压力的分别检测，并分别通过检测情况与各自运行优化值比较，以及不断修正空调机组和空调负荷运行优化值，调节水泵和/或旁路分流阀，改变通过空调机组及空调负荷各自流量，使得在不同工况下，不仅满足空调机组对流量要求，实现水泵的最佳能效，而且还可以将系统设置多个空调效果等级，满足空调负荷端空调效果对流量的要求，达到在最佳使用效果下，使得系统工作在最佳能效状态，从而不仅能够保证末端用户的舒适性，而且能够根据空调机组的负荷变化与空调末端的负荷需求，实现冷(温)水流量的同步动态调整，使整个冷(温)水系统处于能效最佳状态(而非仅水泵能效处于最佳)，节省电能可达50％以上。从而克服了现有技术单一通过系统回路中温度或压力变化，单一控制水泵运行调节流量的不足，在实现两者优势互补基础上，可以分别控制机组和负荷最佳流量，使空调运行在确保满足负荷末端用户所需冷(热)量(即舒适性)要求，又最大限度节约能耗，同时还可自动适应冷水和温水系统运行模式。分流旁通阀自动调整使得分流旁通，不仅满足机组最低流量要求，而且还满足负荷端空调效果，改变了原来分流旁路单一满足机组最低流量功能。通过各压力、温度采集，还能够对系统的超温、超压、欠温、欠压设计保护。增加流量采集，可以反映管路堵塞情况，确保机组安全运行；机组及水泵功率采集，分别实现机组能效比测量，利用能效比参数，校正计算流量最佳值，以及检测水泵输送系数，校正计算流量最佳值等的附加功能。既能满足空调机组，又能满足空调负荷空调效果对流量的要求，达到在最佳使用效果下，系统工作在最佳能效状态，即既能保证末端用户的舒适性，又能根据空调机组的负荷变化与空调末端的负荷需求，实现冷(温)水流量的同步动态调整，使整个冷(温)水系统处于能效最佳状态，以及系统具有自适应能力，即使标准差值设定有偏差，系统也能自动进行校正，为本发明最大特征。本发明节能控制器，将所有单元集成在一个控制器中，单元间基本无数据线连接线，不仅减少了节点多安装过程易出现失误，以及内部无法调试的不足，而且具有结构紧凑，抗干扰能力强，成本低，功能齐全，可以适应压缩式、吸收式等冷(温)水系统。此外还集成了多个通讯口，使模块可以多个组合，通用型接口，通用性好。

以下结合一个原理性实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明实质，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

图1为现有技术中央空调冷冻水温控制原理图。

图2为现有技术中央空调冷冻水压力控制原理图。

图3是本发明中央空调冷冻水控制方法原理图。

图4本发明一种能效控制器结构简图。

图5为实施例系统空调机组控制流程图。

图6为实施例系统空调负荷控制流程图。

具体实施方式

实施例：参见图3，中央空调冷冻水循环控制系统，包括空调机组1，多个空调负荷2，冷冻水泵10构成循环回路，空调负荷2两端并联的由电动阀9构成冷冻水旁通路。空调机组1出水端有温度传感器3和压力传感器7，进水端有温度传感器4和压力传感器6；空调负荷2回水端有温度传感器5和压力传感器8。

系统控制装置(参见图4)，采用一个32位CPU的工业级PIC单片机，PIC单片机至少有：A/D口24个，D/A口4个，I/O口24个，O/I口16个，通讯口4个，内存大于256K，运行速度72M以上。PIC单片机与外围控制转换隔离单元，按信号源性质相同相连接，通过CPU内部总路线直接相联使之成为一体。例如PIC单片机11的A/D口，分别与环境信号采集单元12、现场数据信号采集单元13(分别采集上述各点温度、压力信号)连接；O/I口与开关量单元14、变频信号接口单元15中输入开关量连接；D/A口与变频信号接口单元15中输出的模拟量信号连接；O/I口与开关量输出单元16连接；通讯口与通迅信号转换单元18连接；并与历史数据存储器20连接。图4中3-8分别为前述温度和压力检测信号，21为室外环境温度输入；22为室外环境湿度输入；23为室内环境温度输入，24缺水补水信号输入(检测整个系统是否出现缺水现象，是否需要进行流量补充或告警)，25系统水流信号输入(检测冷(温)水管道是否有水流动现象)，26联动信号输入(判断是否有与本系统连接辅助设备的联动信号输入)，27报警信号输入，28水泵变频故障信号输入，29水泵变频起动信号，30水泵变频频率信号，31报警信号输出，32联动信号输出，33电控阀控制信号输出，34上位机通讯信号1，35下位机通讯信号2，36本地控制画面通讯信号接口，例如LCD人机界面17。各功能模块均为现有技术中相应功能模块，不另一一说明。

系统控制流程(图5、6)：通过压力传感器6和7，检测空调机组1进水端与出水端间压差，与机组要求标准工况值比较，如果低于压差标准值，调节水泵10增加流量，如果高于压差标准值，调节水泵10减小流量，保证空调机组在不同工况下的流量要求。通过温度传感器3和4，检测空调机组出水端与空调机组进水端间温差，与标准要求标准工况值比较，如果高于温差标准值，提高机组标准工况值，如果低于温差标准值，减小机组标准工况值。通过压力传感器7和8，检测空调机组出水端与负荷未端回水压差，与空调负荷要求标准工况值比较，如果高于压差标准值，调节电控阀9增大开度，减小流过空调负荷的流量，如果低于压差标准值，调节电控阀9减小开度，增大流过空调负荷的流量，确保空调负荷在不同工况下流量要求。通过温度传感器3和5，检测机组出水端与空调负荷未端回水温差，如果高于温差标准值，增加标准值，如果低于温差标准值，减小标准值。通过不断动态修正，最终实现空调机组1与空调负荷2，在各种不同工况下实现各自流量匹配，从而达到能效最佳。

此外，还可以在实施例1系统中，在机组出水口增加一个流量采集器，同时在机组上增加功率采集器，对机组的能效比测量，利用能效比参数，校正计算流量最佳值。

还可在水泵上增加功率采集器，对水泵输送系数检测，校正计算流量最佳值。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如温度、压力检测器的改变，压力变送器，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本专利描述功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

说明：冷(温)水，表示空调机组不同工作季节介质性质，夏天制冷为冷水介质，冬天致热为温水介质。

Claims (6)

1.中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，包括在冷(温)水循环回路上设置温度、压力检测，以及变流量泵，其特征在于循环回路的空调机组出水端分别有温度和压力检测；空调负荷出水端分别有温度和压力检测；水泵和空调机组进水间分别有温度和压力检测，冷(温)水分流旁路阀为电控阀，通过对机组和负荷的检测，分别控制变流量泵和电控阀。

2.根据权利要求1所述中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，其特征在于电控阀为公共线、开阀、闭的三线型电控调节型阀。

3.根据权利要求1或2所述中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，其特征在于机组出水口有流量采集器，机组有功率采集器。

4.根据权利要求1或2所述中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，其特征在于水泵有功率采集器。

5.根据权利要求3所述中央空调系统冷(温)水循环能效控制方法，其特征在于水泵有功率采集器。

6.中央空调系统冷(温)水循环能效控制装置，包括对系统运行参数采集单元、开关量输入、输出单元、通迅接口等与CPU按信号匹配相连，其特征在于对系统运行参数采集单元，包括对机组出水口、负荷回水口、机组进水口的温度采集；对机组出水口、负荷回水口、机组进水口的压力采集，还包括电控阀控制信号单元。

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