CN103216919A - 一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统，用于对至少一组位于物联网的空调设备进行监控管理，所述空调系统包括：一传感器模块，一操控界面模块，一数据处理中心及一操作状态监控模块。通过上述方式，本发明能够对设备在各种不同工况下的制冷效率进行逐时、动态检测、推定，有利于长期跟踪，预测设备性能变化及做到故障的事先预防工作，能够对系统进行最适化控制管理，以达到能耗最小化的目的。

Description

一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统及控制方法

技术领域

本发明涉及空调设备管理领域，特别是涉及一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统及控制方法。

背景技术

空调设备为各式的建筑物内部，特别是大型的办公大楼、厂房大楼、饭店、医院、百货公司、超市等大型建筑物及工矿企业所广泛应用及安装的机电设备。对于空调设备的运行及管理上，设备管理人员通常需要对其实际运行进行监控管理，如，管理人员需要随时监测室内的温度、湿度及二氧化碳浓度是否在预定的范围内；空调设备实际运行时，管理人员又需要随时监测设备运行是否正常；若有异常运行状况发生，管理人员须立即进行维修工作。对于长期运行的空调设备来说，管理人员还需了解各个空调机的耗电量，以作为营运成本的参考。

现有技术中，上述的监控管理工作通常是由管理人员通过目视方式来来检查空调设备是否正常运转，并通过目视方式来检测各项仪表，并手写书面记录下空调的运行状况、用电状况(负载电压、负载电流和耗电功率。)当有需要分析空调设备的长期性整体运行效能(即耗电量)时，管理人员即可通过这些书面记录数据来进行统计分析工作。

上述现有技术的完全通过人力来管理大型空调设备的方法效率低下，且不能实时监控空调设备，不能根据室内外的实时的客观环境来进行调整空调设备的运行。且由于空调设备的调节滞后，不能实现空调能耗最小化。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明主要目的是提供一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统，能够对设备在各种不同工况下的制冷效率进行逐时、动态检测、推定，有利于长期跟踪，预测设备性能变化及做到故障的事先预防工作，能够对系统进行最适化控制管理，以达到能耗最小化的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统，用于对至少一组基于物联网的空调设备进行监控管理，所述空调系统包括：一传感器模块，所述传感器模块包括至少一组传感器单元，所述传感器单元组数与所述空调设备组数相对应；所述传感器单元用以监测其所对应的空调设备所处的客观环境的参数，并将监测到的各项参数数据传输给数据处理中心；

一操控界面模块，对联机至该服务器的空调设备提供一操纵界面，并提供至少一受控设备操作状态显示功能和一指令设定功能，其中，所述受控设备操作状态显示功能用以显示各个受控的空调设备的操作状态即相关数据；所述指令设定功能用以提供一组供选择的控制指令集；

一数据处理中心，用以存储各受控空调设备的操作特性值及相关数据，并建立各受控空调设备的函数数据库以进行运算并输出指令；

一操作状态监控模块，包括一操作状态监测器及一操作状态控制器，所述操作状态监测器用以监测各受控空调设备的实际运行状态，并将所监测到的各项操作特性值传送给数据处理中心，数据处理中心通过分析并运算传感器模块传递的实时数据及操作状态监测器传递的实施数据来发出指令，所述操作状态控制器接收所述数据处理中心传输的指令来控制各个受控空调设备实现所要求的操作状态。

优选的，所述每组传感器单元包括一送风温差传感器、一送风速度传感器、一冷冻水出入水温度传感器及一冷冻水循环温度传感器。

本发明还提供了一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统的控制方法，该控制方法通过数据处理中心及传感器单元结合来实现空调设备远程集中实时监控及管理，包括以下步骤：

(1)将多个空调设备连接同一物联网及数据处理中心，实现集中监控管理；

(2)每个空调设备上均设有一组传感器单元，以监测所述空调设备所处环境的各项参数；

(3)所述多组传感器单元均连接数据处理中心并将实时监测数据传递给数据处理中心；

(4)所述数据处理中心运算处理后控制并调节多个空调设备的运行。

本发明所述的数据处理中心包括中央系统集成控制处理服务器、中央系统数据处理存储服务器、动态数据管理服务器、用户管理及安全验证服务器、远程终端用户界面及安全认证服务器、次级操作控制阵列服务器、阵列资源统合服务器等。

本发明空调系统采用了现在先端的网络IT平台成果(IPv6/Linux/Java)，结合RF通讯技术，汇集成一崭新的无线物联网管理平台。本发明所述的空调系统具有以下特点：

(1)系统操作以各类图形界面为主，配有相应完备的人机对话功能，用户可轻松地对系统内所有设备进行操作管理。

(2)系统完善的数据检索功能，提供各类数据的检索界面及报告生成工具。

(3)系统可根据用户需求，对各类事件进行报警提示；提高系统内设备管理的安全性；同时用户可通过检索画面提取历史事件数据，以便于信息的统合。

(4)系统提供建筑物所有空间及室外的实时环境数据，用户也可通过查询传感器直接查看指定空间的环境变化状态。

(5)用户可通过界面对所有设备进行预约(ON/OFF)管理设备运行，也可通过简单的操作实现计划运行程序.(不建议对冷冻机组进行设置)。

系统内全服务器具有网络服务功能，客户端可使用泛用终端(PC)通过LOCAL或远程方式连接系统进行相应的操作与管理。

本发明中数据处理中心根据实时采集的各组空调设备的运行数据集中对每台空调设备的制冷或送风能力进行分析，并将其量化，建立各台空调设备的电力输入与效率的函数数据库(各设备出厂的技术参数是在国家标准的环境前提下测量得到的，但实际使用时的环境及相关热负荷是在不断的变化的，而且不可能与国家标准的环境要求一致，所以在控制时此类参数并不能使用于精确计算)。同时数据处理中心还对各空调设备之间的相关关系及代替关系进行分析，并建立相应的矩阵数据库。

当某个空调设备的外部或内部环境、负荷发生了变化或乖离时，数据处理中心将根据目标环境的要求自动生成一个以输入电力最小化的控制数学模型，以各设备的电力输入与效率为目的函数、相关关系、代替关系及室内环境要求为制约条件的非线性体系，利用各类SOVS-次级操作控制阵列服务器求得体系的解，并输出控制信号对各空调设备的运行进行控制，以达到系统的最适化，电力消费最小化的目的。

进一步举例说明：如室外温度为35度，湿度为50％，需要将室内的温度控制在25度左右的同时湿度控制在50％左右时，可以通过降低冷冻水温度来实现，也可以通过不降低冷冻水温度但增加送风量来实现，同理也可以稍降一点温度的同时也稍微增加一些送风量来实现等等。即为实现同一目的可以有多种控制的选择，但不同的控制方式带来的用电量是完全不同的，而现在传统的控制系统是无法在诸多控制方法中选出最为节能的模式进行控制的，而本发明则正是通过高速、精确的计算选出最为节能的控制方法，动态地对整个空调设备系统进行最优化处理。

本发明的设备系统通过数据统计手段，利用历史数据将各空调设备在不同环境与状态下的效率函数化，同时由于系统设置将系统内的全部设备连接后，可对各设备间的相互关系进行计算，而现有技术中各空调设备无法实现相互间通讯，更不能对各台空调设备进行动态数据采集与动态电力输入与效率变化的计算及设备间相关作用，运行状态与环境变化之相关作用等一系列数据及系统分析工作。

根据空调系统节能的需求，本发明空调系统设计为动态控制节能方案的基本控制思维演绎方案。数据处理中心对节能做最适化控制逻辑演绎，推定及计算主要设备所相对应的各分散式，水平排列次级操作控制阵列服务器(SOVS)完成，通过终端垂直中央系统集成控制处理服务器(GCS)集成，最终完成控制的布局。

不同于现有技术中空调设备的运行控制主要由固定冷、热源设备输出冷量的。同时，现有技术中空调设备依靠末端FCU等设备的目标温度(此温度由操作人员事先设置)来调整室内输入冷量。此类控制以固定冷、热源设备的工作效率点(如冷冻机热蒸发器的出口温度等)，同时也固定了末端设备的热交换速度及单位时间内的热交换量。

与现有技术相比，本发明所提供的空调系统具有如下优势：

(1)能够对空调设备在各种不同工况下的制冷效率进行逐时、动态检测、推定，有利于长期跟踪，预测设备性能变化及做到故障的事先预防工作。

(2)能够对空调设备的大规模的动态数据采集及分析工作，结合当时的室外客观环境、室内环境乖离(Deviation)及各制冷设备之实时制冷效率，对整个系统进行最适化控制管理，以达到能耗最小化的目的。

(3)能够对空调运行中的各项数据进行分析后，针对不同设备构建相应的理论模型，随着数据积累的增加，模型通过自我学习功能，实现预测体系。通过此体系加强系统内设备的各项预冷、预热控制管理工作，减少能源消费。

(4)由于采用集中式数据平台，可对各设备进行一元化集中管理分布，有利于系统安全认证与系统集中维护。

(5)系统上位机(RCS&DSS)采用了集中式构造，而下位机采用了分散式管理单元(SUBRUNNING&OPERATING SERVER阵列及相应的输出单元，如PLC/DDC群，RELAY，变频输出单元)。每个分散管理单元之间相互通讯但又可独立执行指令，方便了系统的变更，增加设备等工作，大规模的减少了二次开发费用；同时，在系统发生故障时，其分散式管理单元保证系统大规模瘫痪的发生，同时维护时也不需要大规模的同时停机等事件。

本发明的有益效果是：本发明基于动态环境控制制冷效率的空调系统，能够对设备在各种不同工况下的制冷效率进行逐时、动态检测、推定，有利于长期跟踪，预测设备性能变化及做到故障的事先预防工作，能够对系统进行最适化控制管理，以达到能耗最小化的目的。

附图说明

图1是本发明基于动态环境控制制冷效率的空调系统一较佳实施例的原理图；

图2是本发明一较佳实施例中空调系统的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例：一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统，用于对至少3组位于物联网的空调设备进行监控管理，所述空调系统包括：传感器模块，所述传感器模块包括3组传感器单元，所述3组传感器单元分别设置于所述3组空调设备上，用以监测所对应的空调设备所处的客观环境的参数，如空气湿度、二氧化碳浓度、空气温度等参数，并将监测到的各项参数数据传输给数据处理中心；

一操控界面模块，对联机至该服务器的空调设备提供一操纵界面，并提供三组受控设备操作状态显示功能和三组指令设定功能，其中，所述受控设备操作状态显示功能用以显示3组受控的空调设备的操作状态即相关数据；所述指令设定功能用以提供一组供选择的控制指令集；

一数据处理中心，用以存储3组受控空调设备的操作特性值及相关数据，并建立各受控空调设备的函数数据库以进行运算并输出指令；

一操作状态监控模块，包括一操作状态监测器及一操作状态控制器，所述操作状态监测器用以监测3组受控空调设备的实际运行状态，并将所监测到的各项操作特性值传送给数据处理中心，数据处理中心通过分析并运算传感器模块传递的实时数据及操作状态监测器传递的实施数据来发出指令，所述操作状态控制器接收所述数据处理中心传输的指令来控制各个受控空调设备实现所要求的操作状态。

本实施例中，所述每组传感器单元均包括一送风温差传感器、一送风速度传感器、一冷冻水出入水温度传感器及一冷冻水循环温度传感器。

下面详细讲述利用本发明所述的空调系统来控制空调设备运行，实现能耗最小化的实际案例：

案例一：某办公大楼利用本发明所述的空调系统来控制空调设备，通过两周监测控制、一周运行、隔日抽样、一周停滞、隔日抽样、得出的效果报告，参见下表：

通过上述表格中数据，我们能够得出采用本发明所述的空调系统来控制空调设备的话，能够实现23.77％的节能率，大大减少了能耗，节约能源。

案例二：利用本发明空调系统实现冷冻水出入水温度的控制

在系统根据动态赋予的条件与工况的前提下，计算出系统需要的循环冷冻水温时，系统还需要计算出系统各台冷冻机的冷却要求。因为系统内存在着复数以上的冷冻机时，而每台冷冻机因为型号、使用状况的不同造成的设备损耗等原因，使其制冷效率不可能一致，为满足同一循环温度的目的时，各冷冻机的出水温度可以完全不同，但其在管道或集水器内混合后仍可以满足系统温度的要求，数据处理中心需要计算出其中能量消费最小的一种运行方法。

在一使用环境中，空调系统中并联了3台制冷效率不同的冷冻机，

则在t时刻系统内循环冷冻水温度，如下式所示：

$X_t={\mathrm{\θ}}_1{x}_t^1+{\mathrm{\θ}}_2{x}_t^2+{\mathrm{\θ}}_3{x}_t^3$

X_t：t时刻冷冻水出水温度；

t时刻#1冷冻水出水温度；

t时刻#2冷冻水出水温度；

t时刻#3冷冻水出水温度；

而θ是由各台冷冻机的水泵及相应管路设计决定的。#1，#2，#3分别表示三台冷冻机。

由于系统的出水温度决定于#1，#2及#3三台冷冻机的出水温度及每一台冷冻机的冷冻水的流量，而不是其中的一台冷冻机的冷冻水的流量。

从上述公式中可以得到当选择不同的#1，#2，#3的出水温度时同样可以满足系统要求X，但其中一定存在最小消费电力的#1，#2，#3的组合；所以本发明所述的空调系统将通过控制#1，#2，#3的制冷出水温度及出水流量来优化系统的能耗。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于动态环境控制制冷效率的空调系统，用于对至少一组基于物联网的空调设备进行监控管理，其特征在于，所述空调系统包括：一传感器模块，所述传感器模块包括至少一组传感器单元，所述传感器单元组数与所述空调设备组数相对应；所述传感器单元用以监测其所对应的空调设备所处的客观环境的参数，并将监测到的各项参数数据传输给数据处理中心；

一操控界面模块，对联机至该服务器的空调设备提供一操纵界面，并提供至少一受控设备操作状态显示功能和一指令设定功能，其中，所述受控设备操作状态显示功能用以显示各个受控的空调设备的操作状态即相关数据；所述指令设定功能用以提供一组供选择的控制指令集；

一数据处理中心，用以存储各受控空调设备的操作特性值及相关数据，并建立各受控空调设备的函数数据库以进行运算并输出指令；

一操作状态监控模块，包括一操作状态监测器及一操作状态控制器，所述操作状态监测器用以监测各受控空调设备的实际运行状态，并将所监测到的各项操作特性值传送给数据处理中心，数据处理中心通过分析并运算传感器模块传递的实时数据及操作状态监测器传递的实施数据来发出指令，所述操作状态控制器接收所述数据处理中心传输的指令来控制各个受控空调设备实现所要求的操作状态。

2.根据权利要求1所述的基于动态环境控制制冷效率的空调系统，其特征在于，所述每组传感器单元包括一送风温差传感器、一送风速度传感器、一冷冻水出入水温度传感器及一冷冻水循环温度传感器。

3.一种权利要求1所述基于动态环境控制制冷效率的空调系统的控制方法，其特征在于，通过数据处理中心及传感器单元结合来实现空调设备远程集中实时监控及管理，包括以下步骤：

(1)将多个空调设备连接同一物联网及数据处理中心，实现集中监控管理；

(2)每个空调设备上均设有一组传感器单元，以监测所述空调设备所处环境的各项参数；

(3)所述多组传感器单元均连接数据处理中心并将实时监测数据传递给数据处理中心；

(4)所述数据处理中心运算处理后控制并调节多个空调设备的运行。

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