CN103453623A - 一种水源热泵空调系统运行参数优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水源热泵空调系统优化控制方法，包括以下步骤：一）获得不同室内外温差下末端散热设备的供回水参数；二）获取水源热泵空调系统的运行数据；三）确定热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型；四）确定水泵变工况下的能耗计算模型；五）基于步骤三）和步骤四），得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的运行能耗；采用运行费用最低作为系统优化控制的目标函数；联立步骤一）、三）、四）和五）中的方程进行规划求解，即可得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的最优运行参数。本发明能够实现水源热泵空调系统部分负荷工况下运行参数的优化控制。

Description

一种水源热泵空调系统运行参数优化控制方法

技术领域

本发明涉及中央空调控制领域，具体涉及一种水源热泵空调系统运行参数的优化控制方法。

背景技术

空调系统的设计参数和设备选型参数是在室外设计条件下得到的，设备选型偏大。实际运行中，空调系统大部分时间内是在部分负荷工况下运行的，设计参数大于系统部分负荷下的参数需求。针对水源热泵空调系统，鲜有水源热泵空调系统对其部分工况下的运行参数进行优化，系统大部分工况下处在设计流量和设计出水温度工况下运行，造成系统运行效率较低、运行能耗和运行费用较高。

现有水源热泵空调系统大部分具备运行数据采集系统，基于上述数据，可以实现空调系统变工况下的运行参数的优化控制。但是，现有运行管理人员并未基于运行数据对水源热泵空调系统的运行参数进行优化，造成系统能效较低、系统运行费用较高。造成现有状况的主要原因是缺乏一种科学、简便的方法来帮助运行管理人员实现水源热泵空调系统部分负荷工况下的优化控制。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种水源热泵空调系统运行参数优化控制方法，该方法能够实现水源热泵空调系统部分负荷工况下运行参数的优化控制。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种水源热泵空调系统优化控制方法，包括以下步骤：

一）基于建筑需热量的函数表达式和末端设备散热量的函数表达式，获得不同室内外温差下末端散热设备的供回水参数；

二）通过热泵系统的运行数据采集系统获取水源热泵空调系统的运行数据，包括：室外温度，热泵机组冷凝器和蒸发器进出水温度，水泵的流量、进水口压力、出水口压力、运行频率、功率，热泵机组功率；

三）确定热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型，其函数表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\\ {\mathrm{COP}}_{\mathrm{pl}}=f(t_{c,o},t_{e,o},x)\\ E_h=\frac{Q_h}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{pl}}}\\ Q_h=\frac{Q_b}{\mathrm{\η}}\end{array}\right.$

式中：

COP_pl：热泵机组部分负荷工况下的能效比COP；

t_c,o：热泵机组冷凝器出水温度，℃；

t_e,o：热泵机组蒸发器出水温度，℃；

x：热泵机组负荷率；

E_h：热泵机组输入功率，kW；

Q_h：热泵机组制热功率，kW；

η：输配管网热效率；

基于步骤二）中相关运行数据和上述方程组，通过回归分析即可得到热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型；

四）确定水泵变工况下的能耗计算模型，其函数表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_p=f(G,H,k)\\ k=\frac{n_c}{n_r}\end{array}\right.$

式中：

E_p：水泵输入功率，kW；

G：水泵流量，m³/h；

H：水泵扬程，m；

k：水泵转速比；

n_c：水泵变频工况下的运行频率，Hz；

n_r：水泵额定工况下的运行频率，50Hz；

基于步骤二）中的运行数据和上述方程组，分别对冷冻泵和冷却泵的输入功率的函数表达式进行回归分析，即可得到冷冻泵和冷却泵的能耗计算模型；

五）基于步骤三）中的热泵机组部分负荷工况的能耗计算模型和步骤四）中水泵变工况下的能耗计算模型，得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的运行能耗；结合系统的运行能耗和系统所在地的电力价格即可获得系统在不同运行工况下的运行费用；采用运行费用最低作为系统优化控制的目标函数，目标函数的数学表达式如下：

OC_min,i＝Min((E_h,i+E_e,p,i+E_c,p,i)P_e)_j

式中：

OC_min,i：系统在运行工况i下的最低运行费用；

E_h,i、E_e,p,i、E_c,p,i：系统在运行工况i下热泵机组、冷冻泵、冷却泵的输入功率，kW；

P_e：电力价格，元/kWh；

j：系统第j种运行模式；

联立步骤一）、三）、四）和五）中的方程进行规划求解，即可得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的最优运行参数，包括：热泵开启台数、热泵机组蒸发器出水温度、冷凝器的出水温度、水泵的开启台数和运行频率。

本发明具有的优点和积极效果是：

1）适用性广，基于理论计算方法得到的优化控制方法，适用于所有的水源热泵空调系统；

2）成本低，基于运行数据采集系统的运行数据进行分析，不需要对监测系统进行升级和额外的投资；

3）简单可靠，分析过程中只需两个方程的回归分析、一个方程组的规划求解，即可得到水源热泵空调系统变工况下的最优运行参数；

4）效果好，基于每个系统本身的监测数据进行分析，得到的系统优化模型精确度高，可以取得较好的节能和经济效果。

附图说明

图1是本发明中热泵机组功率计算方法流程图；

图2是本发明中水泵功率计算方法流程图；

图3本发明水源热泵空调系统优化控制方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

一种水源热泵空调系统优化控制方法，包括以下步骤：

一）获得不同室内外温差下末端散热设备的供回水参数

1）根据建筑施工图纸获得建筑围护结构的平均传热学系数、面积和室内外设计参数，基于上述参数可以得到建筑需热量的函数表达式：

Q_b＝Q_t＝KF(t_in-t_out)

式中：

Q_b：建筑热负荷，kWh；

K：围护结构平均传热系数，kW/（m².k）；

F：建筑围护结构面积，m²；

t_in：室内平均温度，℃；

t_out：室外平均温度，℃；

2）确定空调系统末端散热设备的型号和数量，基于末端散热设备的散热特性方程和末端散热设备的数量，得到末端设备散热量的函数表达式：

Q_t＝f(V_y,V_w,t_av,t_in,F_t)

式中：

Q_t：系统末端散热设备的散热量，kWh；

V_y：散热末端外表面换热风速，m/s；

V_w：散热末端管内水流速，m/s；

t_av：散热末端表面平均温度，℃；

F_t：散热末端换热面积，m²；

3）基于热力学第一定律，建筑需热量等于末端设备的散热量，即：

Q_b＝Q_t

联立上述三个方程，可以得到不同室内外温差下末端散热设备的供回水参数；

二）通过热泵系统的运行数据采集系统获取水源热泵空调系统的运行数据，包括：室外温度，热泵机组冷凝器和蒸发器进出水温度，水泵的流量、进水口压力、出水口压力、运行频率、功率，热泵机组功率；

三）确定热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型，其函数表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\\ {\mathrm{COP}}_{\mathrm{pl}}=f(t_{c,o},t_{e,o},x)\\ E_h=\frac{Q_h}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{pl}}}\\ Q_h=\frac{Q_b}{\mathrm{\η}}\end{array}\right.$

式中：

COP_pl：热泵机组部分负荷工况下的能效比COP；

t_c,o：热泵机组冷凝器出水温度，℃；

t_e,o：热泵机组蒸发器出水温度，℃；

x：热泵机组负荷率；

E_h：热泵机组输入功率，kW；

Q_h：热泵机组制热功率，kW；

η：输配管网热效率；

基于步骤二）中相关运行数据和上述方程组，通过回归分析即可得到热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型。请参阅图1，利用的参数包括：冷凝器进出水温度、冷却泵水流量、蒸发器出水温度、热泵机组功率以及热泵机组额定制热量，上述数据均为逐时数据。基于冷凝器出水温度和冷却泵水流量，即可得到热泵机组制热量，该工况下热泵机组制热量与热泵机组额定制热量的比值即热泵机组负荷率，热泵机组制热量与热泵机组功率的比值即热泵机组的COP；基于热泵机组负荷率、热泵机组COP、蒸发器出水温度、冷凝器出水温度进行多元非线性回归分析，即可得到热泵机组部分负荷工况下COP随热泵机组负荷率、蒸发器出水温度、冷凝器出水温度的函数关系表达式。

四）确定水泵变工况下的能耗计算模型，其函数表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_p=f(G,H,k)\\ k=\frac{n_c}{n_r}\end{array}\right.$

式中：

E_p：水泵输入功率，kW；

G：水泵流量，m³/h；

H：水泵扬程，m；

k：水泵转速比；

n_c：水泵变频工况下的运行频率，Hz；

n_r：水泵额定工况下的运行频率，50Hz；

基于步骤二）中的运行数据和上述方程组，分别对冷冻泵和冷却泵输入功率的函数表达式进行回归分析，即可得到冷冻泵和冷却泵的能耗计算模型。请参阅图2，需要利用的运行参数包括水泵的流量、进水口压力、出水口压力、运行频率、功率，上述数据均为逐时数据。其中水泵运行频率与水泵额定频率的比值为水泵转速比，水泵进口压力与水泵出口压力的差值为水泵的扬程，基于水泵扬程、流量、转速比和功率进行多元非线性回归，得到水泵变工况下输入功率随水泵扬程、水泵流量和水泵转速比的函数关系表达式。

五）基于步骤三）中的热泵机组部分负荷工况的能耗计算模型和步骤四）中水泵变工况下的能耗计算模型，得到水源热泵空调系统在不同工况下的运行能耗。结合系统的运行能耗和系统所在地的电力价格即可获得系统在不同运行工况下的运行费用。

采用运行费用最低作为系统优化控制的目标函数，目标函数的数学表达式如下：

OC_min,i＝Min((E_h,i+E_e,p,i+E_c,p,i)P_e)_j

式中：

OC_min,i：系统在运行工况i下的最低运行费用；

E_h,i、E_e,p,i、E_c,p,i：系统在运行工况i下热泵机组、冷冻泵、冷却泵的输入功率，kW；

P_e：电力价格，元/kWh；

j：系统第j种运行模式；

联立步骤一）、三）、四）和五）中的方程进行规划求解，即可得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的最优运行参数，包括：热泵开启台数、热泵机组蒸发器出水温度、冷凝器的出水温度、水泵的开启台数和运行频率。

请参阅图3，上述过程需要利用的数据包括：建筑围护结构平均传热系数、建筑围护结构面积、室内外温差、末端设备散热特性方程、末端设备数量、热泵机组部分负荷工况下COP的函数表达式、水泵变工况下功率的函数表达式和电力价格。基于建筑围护结构平均传热系数、建筑围护结构面积、室内外温差，可以得到建筑需热量和室内外温差之间的函数关系式；基于末端设备散热特性方程和末端设备数量可以得到末端设备散热量与供回水参数之间的函数关系式；将建筑需热量和室内外温差之间的函数关系式、末端设备散热量和供回水参数之间的函数关系式、热泵机组部分负荷工况下COP的函数关系式、水泵变工况下输入功率的函数关系式和步骤五）中的目标函数进行联立，然后对上述方程组进行规划求解，即可得到水源热泵系统在不同工况下的最优运行参数，最优运行参数包括热泵开启台数、热泵机组蒸发器出水温度、冷凝器的出水温度、水泵的开启台数和运行频率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水源热泵空调系统优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

一）基于建筑需热量的函数表达式和末端设备散热量的函数表达式，获得不同室内外温差下末端散热设备的供回水参数；

二）通过热泵系统的运行数据采集系统获取水源热泵空调系统的运行数据，包括：室外温度，热泵机组冷凝器和蒸发器进出水温度，水泵的流量、进水口压力、出水口压力、运行频率、功率，热泵机组功率；

三）确定热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型，其函数表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\\ {\mathrm{COP}}_{\mathrm{pl}}-f(t_{c,o},t_{e,o},x)\\ E_h=\frac{Q_h}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{pl}}}\\ Q_h=\frac{Q_b}{\mathrm{\η}}\end{array}\right.$

式中：

COP_pl：热泵机组部分负荷工况下的能效比COP；

t_c,o：热泵机组冷凝器出水温度，℃；

t_e,o：热泵机组蒸发器出水温度，℃；

x：热泵机组负荷率；

E_h：热泵机组输入功率，kW；

Q_h：热泵机组制热功率，kW；

η：输配管网热效率；

基于步骤二）中相关运行数据和上述方程组，通过回归分析即可得到热泵机组部分负荷工况下的能耗计算模型；

四）确定水泵变工况下的能耗计算模型，其函数表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_p=f(G,H,k)\\ k=\frac{n_c}{n_r}\end{array}\right.$

式中：

E_p：水泵输入功率，kW；

G：水泵流量，m3/h；

H：水泵扬程，m；

k：水泵转速比；

n_c：水泵变频工况下的运行频率，Hz；

n_r：水泵额定工况下的运行频率，50Hz；

基于步骤二）中的运行数据和上述方程组，分别对冷冻泵和冷却泵的输入功率的函数表达式进行回归分析，即可得到冷冻泵和冷却泵的能耗计算模型；

五）基于步骤三）中的热泵机组部分负荷工况的能耗计算模型和步骤四）中水泵变工况下的能耗计算模型，得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的运行能耗；结合系统的运行能耗和系统所在地的电力价格即可获得系统在不同运行工况下的运行费用；采用运行费用最低作为系统优化控制的目标函数，目标函数的数学表达式如下：

OC_min,i＝Min((E_h,i+E_e,p,i+E_c,p,i)P_e)_j

式中：

OC_min,i：系统在运行工况i下的最低运行费用；

E_h,i、E_e,p,i、E_c,p,i：系统在运行工况i下热泵机组、冷冻泵、冷却泵的输入功率，kW；

P_e：电力价格，元/kWh；

j：系统第j种运行模式；

联立步骤一）、三）、四）和五）中的方程进行规划求解，即可得到水源热泵空调系统在不同运行工况下的最优运行参数，包括：热泵开启台数、热泵机组蒸发器出水温度、冷凝器的出水温度、水泵的开启台数和运行频率。

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