CN101922781A - 基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制方法及系统，通过检测新风环境和被控环境空气温、湿度计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与设定值比较得出其变化大小和趋势，制定新风、回风风机和表冷器的实际运行策略a，发出控制指令迅速调节被控环境空气的温度、湿度；再以实际为运行策略a依据，判断系统的冷热负荷变化趋势，结合系统各设备的运行状态及系统各设备的特性，得出主机运行状态、冷却水泵、冷却塔风机和冷冻水泵的运行状态的最佳运行策略b及风机理论运行策略c，发出指令实施运行策略b，调节系统能耗最小运行；并将实际运行策略a和理论运行策略c比较并输出比较结果，便于检验系统控制策略的先进性。

Description

基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制方法及系统

技术领域

本发明涉及中央空调节能控制技术领域，尤其涉及一种基于被控环境温度湿度调节的工艺性空调节能控制方法及系统。

背景技术

目前的中央空调控制方式均采取冷水供回水温度差计算主机负荷来进行控制，即冷水流量、供回水温差和供回水的比定压热容三者的乘积作为主机负荷，这种控制方式能反应主机的实时负荷，但不能实时反应被控环境的需求负荷。因为供水温度和流量是主机端此时供出、下一时段使用的冷量，回水温度则是上一时段被控环境的负荷和该时段的前一时段主机负荷的反应。这种控制方式使得系统惯性增大，不但造成大量的能源浪费，而且系统设备运行响应滞后严重，难以实现对环境空气质量要求较高、空调系统大的工艺性空气调节需求。因为控制的滞后，空调系统越大，冷水、冷却水输送系统越复杂、距离越远，这种滞后效应越明显，被调环境空气质量过调和欠调情况就越严重，能源浪费就越大。

在中国专利200510017349.7中将被控环境冷量计量总和作为主机调节的依据，并进行系统的整体节能控制。该种技术方案对用户端新增用点的反馈较为准确，但不能实现对被控环境的适应性调节。系统运行后，只能反应系统输送到被控环境的冷量，至于被控环境冷量需求的实时变化是不能得到体现的。这种控制方法对该专利所述的按供冷量收费的空调系统有一定的适用性，但对被控环境控制精度要求较高的工艺领域则不适用。尽管该专利的方案在一定程度上减小了空调的超调，但不能实现对被控环境的控制或未参与被控环境的调节控制，更不能实现对被控环境的精确控制。由于主机负荷和被控环境冷量的不一致性，系统同样存在过调和欠调的情况，造成能源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺性空调前置式节能控制方法及系统，旨在提高空调系统能源利用效率，提高环境调节精度，避免传统控制方法中因主机和风机盘管端控制响应不一致导致系统存在过调和欠调造成的能源浪费。

为实现上述目的，本发明提供一种基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制方法，所述空调为工艺性中央空调系统，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在空调系统冷冻水进、出水口和冷却水进、出水口分别设置温度传感器，温度传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

(2)在冷冻水进、出水口和冷却水、进出水口分别设置压力传感器，压力传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

(3)在被控环境内部和新风环境设置若干个温度传感器和湿度传感器，传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

(4)中心计算机根据新风环境温、湿度和被控环境空气温、湿度，计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与预先设定值比较，得出其变化大小和趋势，据此制定出新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a储存并发出控制指令，对新风风机、回风风机和出风风机的运行状态进行调节，从而迅速调节被控环境空气的温度、湿度；

(5)中心计算机根据冷冻水进、出水口和冷却水进、出水口的温度、压力数据，得出主机运行状态、冷却水泵、冷却塔风机和冷冻水泵的运行状态；再以新风风机、回风风机和表冷器的实际运行状态为依据，判断系统的冷热负荷变化趋势，并根据系统各设备的特性，得出系统运行的最佳运行策略并储存，包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行策略b，新风风机、回风风机和出风风机的理论运行策略c，并发出控制指令执行b，综合调节空调主机运行状态、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机，准确、及时的调节系统能耗最小运行；

(6)中心计算机将新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a与系统给出的理论运行策略c比较并通过视频或打印输出比较结果，便于工程师根据此结果检验系统控制策略的先进性，作出适当的调整。

本发明还提供一种运用上述方法的空调节能控制系统，所述空调为工艺性中央空调系统，在空调系统的压缩机、冷却塔风机、新风风机、回风风机、冷冻水泵设置有运行状态测控装置，并且在水泵、制冷主机、冷却塔的进出水口设置温度传感器和压力传感器，被控环境内部和新风环境设置若干个温度传感器和湿度传感器，所述各传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机，其特征在于，所述节能控制系统包括：

数据采集模块：接收所述各传感器采集的数据，并传递到数据计算模块；将采集的主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的运行状态数据，传送到共享数据库；

数据运算模块：根据新风环境温、湿度和被控环境空气温、湿度，计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与预先设定值比较，并比较得出其与设定值的差值大小和方向，传送到共享数据库；根据测得的冷冻水进出口温差及流量，按热力学第一定律计算出空调主机负荷，传送到共享数据库；实时调用共享数据库中制冷主机负荷和各个电机的运行状态，计算出系统综合能效比，实时放入共享数据库中；

决策运行模块：实时调用共享数据库中新风环境空气温、湿度状态参数和被控环境的温、湿度趋势及变化量，据此制定出新风风机、回风风机和表冷器的实际运行策略传送到共享数据库，同时发出控制指令，对新风风机、回风风机和出风风机的运行状态进行调节，从而调节被控环境空气的温度、湿度；实时调用共享数据库中被控环境的温、湿度趋势及变化量、制冷主机负荷和各个电机的运行状态，结合预先存入中心计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线和系统各水泵、冷却塔风机和被控环境端风机盘管表冷器、风机的特性，优化组合各个子系统的运行状态，得出系统能耗最低的运行策略传送到共享数据库，同时发出控制信号，通过现场PLC控制器控制冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机；

共享数据库：存储数据采集模块、数据运算模块和决策运行模块传送来的数据；

比较输出模块：实时调用共享数据库中表冷器端的风机实际运行状态与系统给出的风机运行策略比较并通过视频或打印输出比较结果。

上述控制方法和控制系统中，空调系统中温度、湿度、压力、流量、电压、电流测控装置和中心计算机以及PLC的连接，采用总线通讯方式，总线通讯方式为CAN总线，或为RS485总线，或为LANWORK总线。

上述控制方法和控制系统中，现场控制采用PLC可编程控制器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机及其变频器控制电路，以控制冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的工作状态。

上述控制方法和控制系统中，空调系统的冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心计算机通过总线双向通讯。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1、系统的控制延伸到被控环境的风机，及时、准确对被调环境的变化作出调节控制，对被控环境的温、湿度实现高精度控制。

2、主机的调节是根据末端风机的运行状态和调节来进行决策控制的，能最快速地捕捉到系统负荷变化的大小和趋势，将主机负荷超前和滞后减少到最低，减少对系统过调和欠调造成的能源浪费。

3、中心计算机结合系统设备的运行状态和负荷需求的变化，作出系统最佳的运行方案(包括主机、冷却水泵、冷却塔风机、冷冻水泵、新风风机、回风风机的运行方案)，保证系统实现运行能耗最低。

4、自诊断功能，中心计算机得到末端风机的运行状态，与中心计算机得出的运行策略的新风风机、回风风机运行方案比较，给出比较值。工程师可参考此值诊断系统的能效状况，人工干预系统控制策略，对控制策略作适当调整。

附图说明

图1是本发明的系统结构图

图2是本发明的节能控制方法运行步骤图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制方法及系统详细说明。

图1所示，本发明在冷冻水进、出水口和冷却水进、出水口分别设置温度传感器，温度传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

在冷冻水进、出水口和冷却水、进出水口分别设置压力传感器，压力传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

在被控环境内部和新风环境设置若干个温度传感器和湿度传感器，传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

现场控制采用PLC可编程控制器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机及其变频器控制电路，以控制冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的工作状态。

系统的冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心计算机通过总线双向通讯。

系统中温度、湿度、压力、流量、电压、电流测控装置和中心计算机以及PLC的连接，采用总线通讯方式，总线通讯方式为CAN总线，或为RS485总线，或为LANWORK总线。

参见图2，本发明的控制方法是：中心计算机根据新风环境温、湿度和被控环境空气温、湿度，计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与预先设定值比较，得出其变化大小和趋势，据此制定出新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a储存并发出执行指令，对新风风机、回风风机和表冷器的运行状态进行调节，从而迅速调节被控环境空气的温度、湿度；

中心计算机根据冷冻水进、出水口和冷却水进、出水口的温度、压力数据，得出主机运行状态、冷却水泵、冷却塔风机和冷冻水泵的运行状态；再以新风风机、回风风机和出风风机的实际运行状态为依据，判断系统的冷热负荷变化趋势，并根据系统各设备的特性，得出系统运行的最佳运行策略并储存，包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行策略b，新风风机、回风风机和出风风机的理论运行策略c，并发出控制指令执行b，综合调节空调主机运行状态、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机，准确、及时的调节系统能耗最小运行；

中心计算机还连接有打印和视频输出装置，中心计算机将新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a与系统给出的理论运行策略c比较并通过视频或打印输出比较结果，便于工程师根据此结果检验系统给出的理论运行策略c的先进性，便于对控制系统作出适当的调整。

本发明基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制系统包括如下模块：

数据采集模块：接收所述各传感器采集的数据，并传递到数据计算模块；将采集的主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的运行状态数据，传送到共享数据库；

数据运算模块：根据新风环境温、湿度和被控环境空气温、湿度，计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与预先设定值比较，并比较得出其与设定值的差值大小和方向，传送到共享数据库；根据测得的冷冻水进出口温差及流量，按热力学第一定律计算出空调主机负荷，传送到共享数据库；实时调用共享数据库中制冷主机负荷和各个电机的运行状态，计算出系统综合能效比，实时放入共享数据库中；

决策运行模块：实时调用共享数据库中新风环境空气温、湿度状态参数和被控环境的温、湿度趋势及变化量，据此制定出新风风机、回风风机和表冷器端风机的实际运行策略传送到共享数据库，同时发出控制指令，对新风风机、回风风机和表冷器的运行状态进行调节，从而调节被控环境空气的温度、湿度；实时调用共享数据库中被控环境的温、湿度趋势及变化量、制冷主机负荷和各个电机的运行状态，结合预先存入中心计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线和系统各水泵、冷却塔风机和被控环境端风机盘管表冷器、风机的特性，优化组合各个子系统的运行状态，得出系统能耗最低的运行策略传送到共享数据库，同时发出控制信号，通过现场PLC控制器控制冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机；同时还得出新风风机、回风风机和出风风机的理论运行策略并传送到共享数据库；

共享数据库：存储数据采集模块、数据运算模块和决策运行模块传送来的数据；

比较输出模块：实时调用共享数据库中新风风机、回风风机和出风风机的实际运行状态与系统给出的风机理论运行策略比较并通过视频或打印输出比较结果。

具体实施例：

某厂工艺厂房中央空调系统有制冷主机三台，冷冻水泵6台、冷却水泵6台，冷却塔风机8台，被控环境端新风风机13台、回风风机13台。工艺要求被控环境温、湿度：夏季26℃，60±5％；冬季22℃，60±5％。主机为两用一备，冷冻水泵、冷却水泵分别为四用两备。

在被控环境和新风环境中分别设置68个、13个温、湿度检测装置，通过现场PLC连接中心计算机；中心计算机、传感器和现场PLC控制器的链接采用CAN总线通讯方式。

中心计算机适时监测被控环境和新风环境的温、湿度变化，计算出被控环境的和新风环境的空气焓，并比较得出被控环境的空气焓与设定值的差值大小和方向，放入共享数据库，作为空调系统调节的依据，供中央空调节能控制管理系统调用；中心计算机根据测得的冷冻水进出口温差及流量，按热力学第一定律计算出空调主机负荷，实时放入共享数据库中，供中央空调节能控制管理系统调用；中心监控计算机将采集的主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的运行状态，实时放入共享数据库中，供中央空调节能控制管理系统调用；中心计算计算机控制管理系统实时调用共享数据库中制冷主机负荷和各个子系统电机的运行状态，计算出系统综合能效比，实时放入共享数据库中，供中央空调节能自控管理系统调用；中心计算机控制管理系统实时调用共享数据库中外界环境空气温、湿度状态参数和被控环境的温、湿度趋势及变化量，制定并存储新风风机、回风风机、表冷器端风机的运行策略，发出控制指令对新风风机、回风风机和表冷器端风机的运行状态进行调节，从而调节被控环境空气的温度、湿度，该运行状态为实际运行状态，标记为a；中心计算机控制管理系统实时调用共享数据库中被控环境的温、湿度趋势及变化量、制冷主机负荷和各个电机的运行状态，结合预先存入中心监控计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线和系统各水泵、冷却塔风机和被控环境端风机盘管表冷器、风机的特性，优化组合各个子系统的运行状态，得出系统能耗最低的运行策略并储存，包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行策略b，新风风机、回风风机、表冷器端风机运行策略c；中心计算机调用运行策略b，发出控制信号，通过现场PLC控制器控制冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机；中心计算机将风机实际运行状态a与系统给出的运行策略c比较，制成时间对比曲线显示在中心计算机屏幕，工程师站根据此曲线图检验系统控制策略的先进性，便于对控制系统作出适当的调整。

Claims (7)

1.基于被控环境温度湿度调节的空调节能控制方法，所述空调为工艺性中央空调系统，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在空调系统冷冻水进、出水口和冷却水进、出水口分别设置温度传感器，温度传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

(2)在冷冻水进、出水口和冷却水、进出水口分别设置压力传感器，压力传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

(3)在被控环境内部和新风环境设置若干个温度传感器和湿度传感器，传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机；

(4)中心计算机根据新风环境温、湿度和被控环境空气温、湿度，计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与预先设定值比较，得出其变化大小和趋势，据此制定出新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a，储存并执行a，对新风风机、回风风机和出风风机的运行状态进行调节，从而迅速调节被控环境空气的温度、湿度；

(5)中心计算机根据冷冻水进、出水口和冷却水进、出水口的温度、压力数据，计算出主机负荷；再以新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a为依据，判断系统的冷热负荷变化趋势，结合预先存入中心计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线，得出系统运行的最佳运行策略并储存，包括制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机的运行策略b，新风风机、回风风机和出风风机的理论运行策略c；发出控制指令执行b，综合调节空调主机运行状态、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机，控制系统能耗最小运行；

(6)中心计算机将新风风机、回风风机和出风风机的实际运行策略a与系统给出的理论运行策略c比较并通过视频或打印输出比较结果，便于工程师根据此结果检验系统控制策略的先进性，作出适当的调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述各运行策略储存入中心计算机的共享数据库，供中央空调节能控制管理系统调用。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：现场控制采用PLC可编程控制器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机及其变频器控制电路，以控制冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机、回风风机和出风风机的工作状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心计算机通过总线双向通讯。

5.采用权利要求1所述方法的空调节能控制系统，所述空调为工艺性中央空调系统，在空调系统的压缩机、冷却塔风机、新风风机、回风风机、冷冻水泵设置有运行状态测控装置，并且在水泵、制冷主机、冷却塔的进出水口设置温度传感器和压力传感器，被控环境内部和新风环境设置若干个温度传感器和湿度传感器，所述各传感器输出信号通过PLC现场控制器经总线接入中心计算机，其特征在于，所述节能控制系统包括：

数据采集模块：接收所述各传感器采集的数据，以及主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的运行状态数据，传送到共享数据库；

数据运算模块：根据新风环境温、湿度和被控环境空气温、湿度，计算出两种空气的焓，将被控环境空气焓与预先设定值比较，并比较得出其与设定值的差值大小和方向，传送到共享数据库；根据测得的冷冻水进出口温差及流量，按热力学第一定律计算出空调主机负荷，传送到共享数据库；实时调用共享数据库中制冷主机负荷和各个电机的运行状态，计算出系统综合能效比，实时放入共享数据库中；

决策运行模块：实时调用共享数据库中新风环境空气温、湿度状态参数和被控环境的温、湿度趋势及变化量，据此制定出新风风机、回风风机和出风风机的运行策略传送到共享数据库，同时发出控制指令，对新风风机、回风风机和出风风机的运行状态进行调节，从而迅速调节被控环境空气的温度、湿度；实时调用共享数据库中被控环境的温、湿度趋势及变化量、制冷主机负荷和各个电机的运行状态，结合预先存入中心计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线和系统各水泵、冷却塔风机和被控环境端风机盘管表冷器、风机的特性，优化组合各个子系统的运行状态，得出系统能耗最低的运行策略传送到共享数据库，同时发出控制信号，通过现场PLC控制器控制冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机；

共享数据库：存储数据采集模块、数据运算模块和决策运行模块传送来的数据；

比较输出模块：实时调用共享数据库中新风风机、回风风机和出风风机实际运行策略与系统给出的风机运行策略比较并通过视频或打印输出比较结果。

6.根据权利要求5所述的空调节能控制系统，其特征在于：现场控制采用PLC可编程控制器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机及其变频器控制电路，以控制冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机、新风风机和回风风机的工作状态。

7.根据权利要求5所述的空调节能控制系统，其特征在于：所述空调系统的冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心计算机通过总线双向通讯。

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