CN101782260B

CN101782260B - 一种空调水系统优化控制方法及装置

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Publication number: CN101782260B
Application number: CN2010101005610A
Authority: CN
Inventors: 徐新华
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: CN101782260A

Abstract

本发明涉及一种空调水系统优化控制的方法及装置，属于建筑节能及绿色空调领域。本发明根据测量的水泵的进出口压差，采用一定的算法计算出水泵的流量及水系统的阻力特性值，调节水泵的频率以使水系统的阻力特性值维持在一定范围内。该阻力特性值范围为水系统末端阀门大开时的系统阻力特性值。本发明可以避免在实际水系统中安装用于实际系统控制的流量传感器成本过高及由于现场安装空间及位置不足等造成测量不准的缺点；避免定速泵水系统在空调末端部分负荷条件下能耗高的缺点；避免变速泵水系统由于压差控制点的设置位置不合理及压差控制点设定值的不合理造成的能耗高及末端冷量不够的缺点。本发明适用于一次泵冷冻水系统，二次泵冷冻水系统，同样也适用于空调热水系统。

Description

一种空调水系统优化控制方法及装置

技术领域：

本发明属于建筑节能及绿色空调领域，具体涉及一种空调水系统的优化控制及装置。

背景技术：

由于机械制冷技术的发展和生活标准的提高，以消耗高品位能源如电，燃气等的机械式舒适性空调系统的应用也越来越广泛。空调系统的能耗要占到建筑能耗的一半以上。而空调水输运系统的能耗要占到空调系统能耗的30％左右。目前的水系统一般采用定流量系统及变流量系统。定流量水系统中的输运动力由定速泵提供。建筑的空调负荷一年四季及每一天的每个时刻都是不断变化的，在非设计条件运行时需求的水流量是减少的。在采用定速泵控制时，水流量的减少依靠阀门的关闭或开度的减小(即节流)来实现，也就是说水泵的部分能耗消耗在阀门上。变流量水系统中的输运动力由变速泵提供。变速泵根据水系统对水量的需求不断地调整转速(通常采用变频技术实现)以满足系统末端对水量的需求。

变流量系统的控制通常是通过调整水泵的转速维持集水器与分水器之间的压差或者是维持最不利环路的末端的压差来实现。当通过维持集水器与分水器之间的压差来控制水泵的转速时，实现的节能效果是非常有限的，水泵的功耗基本上与流量成比例关系，不能充分利用水泵的功耗与流量的立方关系来实现最大程度的节能。当通过维持最不利环路的末端的压差来控制水泵的转速时，能够在很大程度上实现水泵的节能。但是最不利环路的末端的压差传感器的安装位置与测量对系统的控制有很大的影响。首先是，当压差传感器安装于控制阀两侧时(不跨过换热装置)，安装压差传感器的末端的水阀关闭时，此时无法测量压差对系统实施控制，第二是，当压差传感器的两个测点跨过换热装置，测量的压差值理论上可以粗略的表示第二最不利环路的末端的压差。但实际的现场经验表明当该环路阀门关闭时，该环路上的测量压差往往不可靠。第三是，用该压差对第二最不利环路的末端进行控制，该压差的设定值也不一定合适。第四是，最不利环路的末端负荷也不断变化，为保持水阀常常处于大开位置(一般地，认为90％开度以上为大开)，该压差设定值需要不断调整，而在实际工程应用中，该压差设定值一旦设定则很少改变。因此在部分负荷时，大大减少了变流量系统的节能潜力。第五是，最不利环路一般位于水系统最远处，测量信号传输路径长，信号传输的可靠性也受影响。

本发明是在这种背景下提出的，充分利用在满足末端负荷时，末端阀门大开度时系统阻力特性最小的原理来调整水泵的转速，以使整个水系统的阻力最小以达到节能的目的，大大减少对高品位能源的依赖。这种空调水系统优化控制方法及装置的发明是建设资源节约型与环境友好型社会的迫切需求。

发明内容：

本发明的目的旨在提供一种可直接利用空调水系统的水泵的进出口的压差及(或)制冷机的蒸发器水侧的进出口压差来对空调水系统进行优化控制的方法及利用该方法的装置来对空调水系统进行优化控制。

本发明的空调水系统优化控制方法包括：利用测量水泵的进出口压差计算水泵的水流量，进而计算水系统的在该时刻的阻力特性值；利用测量的制冷机蒸发器水侧进出口两端的压差确定蒸发器的水流量；比较计算的阻力特性值S与预先设定的阻力特性值的范围S₁～S₂来调整水泵的转速使得计算的阻力特性值S位于预设的阻力特性值范围内，但要保证制冷机蒸发器的水流量不能小于最小流量值。

本发明的空调水系统优化控制装置包括：在水泵1的进出口处安装的压差传感器2，在制冷机4的蒸发器水侧的进出口处安装的压差传感器5，水系统优化控制器3，及优化控制算法程序。该水系统优化控制器有通讯模块实现与中央控制计算机的通讯。该通讯模块采用RS-485接口。该水系统优化控制器具有良好的人机界面，可实现水系统阻力特性范围值及相关参数的输入；该控制器可实时显示该水系统的运行特征参数及图形界面。

一种空调水系统优化控制方法，包括如下步骤：

(1)测量水泵进出口的压差，据此计算水泵的水流量Q；

(2)根据所述水流量Q计算水系统的阻力特性值S；

(3)比较所述水流量Q与流经蒸发器的最小允许水流量Q_min，并根据上述比较的结果调整水泵的转速。

进一步地，当所述水流量Q大于所述最小允许水流量Q_min时，调整水泵的转速，使得所述的阻力特性值S位于预设的阻力特性值范围S₁～S₂内。

进一步地，所述的预设的阻力特性值范围S₁～S₂为水系统中的阀门处于大开位置时的阻力特性值。

进一步地，当所述水流量Q等于所述最小允许水流量Q_min时，维持所述水泵的转速。

进一步地，当所述水流量Q小于所述最小允许水流量Q_min时，加大所述水泵的转速直到所述水流量Q大于所述最小允许水流量Q_min。

进一步地，流经蒸发器的水流量Q’通过测量制冷机蒸发器水侧进出口两端的压差确定。

进一步地，所述的流经蒸发器的水流量Q’作为所述水泵的水流量Q的参考值。

进一步地，所述的控制方法应用于单台水泵与单台制冷机直接串联时的空调一次泵水系统，或者多台水泵与多台制冷机通过供/回水干管串联时的空调一次泵水系统，或者二次泵水系统中。

一种实现所述的空调水系统优化控制方法的装置，包括：在水泵的进出口处安装的压差传感器，在制冷机的蒸发器水侧的进出口处安装的压差传感器，以及水系统优化控制器，其中，该水系统优化控制器具有通讯模块实现与中央控制计算机的通讯，还具有人机界面，可实现水系统阻力特性范围值的输入，并实时显示该水系统的运行特征参数及图形界面。

本发明的空调水系统优化控制装置的特点：1.通过测量水泵进出口压差及水泵运行的转速(频率)直接计算水泵的水流量；2.通过测量蒸发器水侧进出口两端压差来确定流经蒸发器的水流量；3.通过测量水泵进出口压差及计算的水泵流量直接计算水系统的阻力特性值；4.通过水泵运行的转速(频率)的调节(通过变频器变频控制实现)直接控制水系统的阻力特性；5.调节水泵的转速致使制冷机蒸发器的水流量不能小于最小水流量；6.水系统优化控制器采用RS-485接口可与中央控制计算机实现通讯。

本发明的空调水系统优化控制方法及装置可适用多台制冷机及多台水泵串联的运行模式，二次泵水系统并联的运行模式及空调热水系统等。

本发明的空调水系统优化控制方法及装置的优点在于避免了定流量系统中因采用节流而浪费的能源消耗；避免了在变流量系统中通过调整水泵的转速维持集水器与分水器之间的压差的节能效益很有限的缺点；避免了采用最不利环路压差控制法的变流量系统中当最不利环路的末端关闭时差压无法准确测量及无法实现可靠控制的缺点；也避免了采用最不利环路压差控制的变流量系统中压差需要经常重设定而事实上该压差设定值一旦设定则很少改变的缺点。

本发明的空调水系统优化控制方法及装置与变流量系统中采用最不利环路压差控制的方法及装置相比，并不需要另外增加硬件，只需将末端的压差传感器移至水泵的进出口。需要增加的是控制算法程序。在使用该优化控制方法及装置时，需要标定或测量水泵的特性曲线及测量(计算)水系统在设计工况下或接近设计工况下的阻力特性值。

如果该技术能得到广泛普及应用，就能很好地维持水系统的安全运行，在满足水系统的末端水量需求的同时可以大大地实现空调系统的节能，减少碳排放，保护环境。

附图说明：

本发明包括的附图用来提供对本发明的进一步的理解，结合在本申请中并构成本申请的一部分。

图1为本发明的水泵在不同转速(频率)下的水泵特性曲线及水系统特性曲线图；

图2为本发明的单台水泵与单台制冷机直接串联时的空调水系统优化控制方法及装置(制冷机蒸发器水侧进出口设压差传感器)；

图3为本发明的单台水泵与单台制冷机直接串联时的空调水系统优化控制方法及装置(制冷机蒸发器水侧进出口不设压差传感器)；

图4为本发明的多水泵与多台制冷机通过供/回水干管串联时的空调水系统优化控制方法及装置；

图5为本发明的采用多台水泵与多台制冷机的二次水系统的优化控制方法及装置；

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

如图2所示，本发明的空调水系统优化控制方法及装置应用于单台水泵与单台制冷机直接串联时的空调一次泵水系统。

水系统运行时，水泵1进出口的压差传感器2的电信号直接传到水系统优化控制器3，水系统优化控制器3将电信号直接转换为压差值(一般认为是水泵的扬程H)，并调用计算程序根据该压差值及变频器6反馈给水系统优化控制器3的即时频率直接计算水泵的水流量Q，并同时计算水系统即时的阻力特性值S。计算原理参照图1。水泵的水流量由扬程H(即水泵进出口压差)及转速(频率)决定；水泵曲线与水系统管道特性曲线的交点为水泵的工作点，可以根据水泵的扬程及流量计算水系统阻力特性值，即S＝H/Q²。制冷机4的蒸发器水侧的进出口的压差传感器5的电信号直接传到水系统优化控制器3，水系统优化控制器3将电信号直接转换为压差值，并计算相应的流经蒸发器的水流量Q’(在该实例中该水流量Q’可以作为水泵计算流量的参考值)。比较此时水泵的水流量Q与允许的流经蒸发器的最小水流量，如果水泵的水流量等于允许的最小流量，则水泵的转速(变频器频率)维持不变；如果水泵的水流量小于允许的最小流量，则水泵的转速(变频器频率)加大直到水泵的水流量大于允许的最小流量；如果水泵的水流量大于允许的最小流量，则比较水系统的阻力特性值S与预先设定的阻力特性值的范围S₁～S₂以确定水泵的转速(频率)的变化。如果S＞S₂则减少水泵的转速(减少频率)；如果S＜S₁则增加转速(增加频率)。水泵的增速减速通过采用逐步增加或逐步减小变频器6的频率的方法来实现。阻力特性值S的范围可以在系统调试时测定(计算)。由于水泵的转速的变化，水系统的压力分布也不断变化，末端7的阀门开度也不断变化，从而进一步调整水系统的阻力特性，使得水系统的阻力特性值S位于预先设定的阻力特性值的范围S₁～S₂，即水系统中的阀门基本处于大开位置，尽量减少因阀门节流而造成的不必要的能源浪费。

该实例配备有测量制冷机的蒸发器水侧进出口压差的压差传感器并与水系统优化控制器电连接。根据测量的蒸发器水侧进出口压差可以计算流经蒸发器的水流量。该水流量为计算的水泵水流量Q提供参考，为系统的安全运行提供更可靠的保证。该实施例中也可以不配备测量制冷机蒸发器水侧进出口压差的压差传感器，如图3所示。

实施例2：

如图4所示，本实施例中的空调水系统优化控制方法及装置应用于多台水泵与多台制冷机通过供/回水干管串联时的空调一次泵水系统。这种水系统是一种应用十分广泛的系统，水泵与制冷机通过供回水干管串联，或通过集水器分水器串联。

该实例的n个水泵1中，每个的进出口均对应装设一个压差传感器2(n为自然数)，并与水系统优化控制器3电连接。水泵运行时，水系统优化控制器3按照实例1所述直接计算各水泵的水流量并计算水系统总流量，并同时计算水系统即时的阻力特性值S(此时系统运行的水泵台数为n1，制冷机运行台数为n2，运行台数可以相等，也可以不等，n1，n2均为自然数)。n个制冷机或热泵4的蒸发器水侧的进出口装设n个压差传感器5，并与水系统优化控制器3电连接。水系统优化控制器3根据该压差传感器5测得的压差信号分别计算流经各蒸发器的水流量(虽然制冷机相互并联，即使各制冷机蒸发器的设计水流量相同，由于系统的布置及系统运行状态的改变，流经各蒸发器的水流量也不一定相同)。比较此时各蒸发器的水流量与各自允许的流经蒸发器的最小流量，如果有一个蒸发器的水流量小于其允许的最小流量，则所有在运行中的水泵的转速(变频器频率)加大直到每个蒸发器的水流量大于其允许的最小流量；如果其中的一个蒸发器的水流量等于其允许的最小流量且其它的蒸发器的水流量大于各自允许的最小流量，则所有水泵的转速(变频器频率)维持不变。如果所有的蒸发器的水流量大于各自允许的最小流量，则比较水系统的阻力特性值S与预先设定的阻力特性值的范围S₁～S₂以确定水泵的转速(频率)的变化。如果S＞S₂则减少水泵的转速(减少频率)；如果S＜S₁则增加水泵的转速(增加频率)。水泵的增速减速通过采用逐步增加或逐步减小变频器6的频率的方法来实现。

如果在运行中的所有水泵的转速达到最大(频率达到最高)，计算水系统阻力特性值S。此时如果S＜S₁则增加一台水泵，运行中的水泵自动调整到相同的频率运行。如果在运行中的所有水泵的转速达到最小值(频率达到最低)，此时计算水系统阻力特性值S。此时如果S＞S₂则减少一台水泵，运行中的水泵自动调整到相同的频率运行。不同台数的水泵运行时，水系统的阻力特性值的预先设定的范围不一样。不同台数水泵运行时，阻力特性值的范围可以在系统调试时测定(计算)。

实施例3：

如图5所示，本实施例的空调水系统优化控制方法及装置应用于二次泵水系统。这种水系统是一种应用广泛的系统，一次泵为制冷机提供所需流量，二次泵为末端提供所需流量，水泵与制冷机通过供回水干管串联，或通过集水器分水器串联。在一次泵与二次泵之间有一解偶管以保证在二次泵流量不断变化时流经制冷机蒸发器的水流量保持基本稳定。这种水系统中，二次泵往往不止一台。

该实施例的n个二次水泵1中，每个的进出口均对应装设一个压差传感器2，并与水系统优化控制器3电连接。二次水泵1运行时，水系统优化控制器3按照实施例2所述直接计算各水泵的水流量并计算水系统总流量，并同时计算水系统即时的阻力特性值S(即解偶管8右侧的水系统的阻力特性值)。比较水系统的阻力特性值S与预先设定的阻力特性值的范围S₁～S₂以确定水泵的转速(频率)的变化。

如果S＞S₂则减少水泵的转速(减少频率)；如果S＜S₁则增加水泵的转速(增加频率)。如果在运行中的所有水泵的转速达到最大(频率达到最高)，计算水系统阻力特性值S。此时如果S＜S₁则增加一台水泵，运行中的水泵自动调整到相同的频率运行。如果在运行中的所有水泵的转速达到最小值(频率达到最低)，此时计算出的水系统阻力特性值S。此时如果S＞S₂则减少一台水泵，运行中的水泵自动调整到相同的频率运行。不同台数的水泵运行时，水系统的阻力特性值的预先设定的范围不一样。不同台数水泵运行时，阻力特性值的范围可以在系统调试时测定(计算)。

Claims

1.一种空调水系统优化控制方法，包括如下步骤：

(1)测量水泵进出口的压差，据此计算水泵的水流量Q；

(2)根据所述水流量Q计算水系统的阻力特性值S；

2.根据权利要求1所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，当所述水流量Q大于所述最小允许水流量Q_min时，调整水泵的转速，使得所述的阻力特性值S位于预设的阻力特性值范围S₁～S₂内。

3.根据权利要求2所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，所述的预设的阻力特性值范围S₁～S₂为水系统中的阀门处于大开位置时的阻力特性值。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，当所述水流量Q等于所述最小允许水流量Q_min时，维持所述水泵的转速不变。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，当所述水流量Q小于所述最小允许水流量Q_min时，加大所述水泵的转速直到所述水流量Q大于所述最小允许水流量Q_min。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，流经蒸发器的水流量Q’通过测量制冷机蒸发器水侧进出口两端的压差确定。

7.根据权利要求6所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，所述的流经蒸发器的水流量Q’作为所述水泵的水流量Q的参考值。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的空调水系统优化控制方法，其特征在于，所述的控制方法应用于单台水泵与单台制冷机直接串联时的空调一次泵水系统，或者多台水泵与多台制冷机通过供/回水干管串联时的空调一次泵水系统，或者二次泵水系统中。

9.一种实现权利要求1-3任一项所述的空调水系统优化控制方法的装置，包括：在水泵(1)的进出口处安装的压差传感器(2)，在制冷机(4)的蒸发器水侧的进出口处安装的压差传感器(5)，以及水系统优化控制器(3)，其中，该水系统优化控制器(3)具有通讯模块实现与中央控制计算机的通讯，还具有人机界面，可实现水系统阻力特性范围值的输入，并实时显示该水系统的运行特征参数及图形界面。