CN103486693A - 一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法，该方法由以下步骤组成：（A）采集中央空调系统中每一末端设备的入口和出口处空气的温度和湿度，计算每一末端设备前若干个时间段内分别消耗的冷量；（B）以每一末端设备消耗冷量实测值时间序列为历史数据，预测每一末端设备下一时间段内所消耗的冷量；（C）将中央空调系统中所有末端设备下一时间段内消耗的冷量预测值累加，并将由累加值计算出的冷冻水系统体积流量作为中央空调冷冻水系统的控制目标；（D）循环执行步骤（A）、（B）和（C），并采用移位操作的方法不断更新实测值时间序列和预测值时间序列，进行中央空调冷冻水系统体积流量的控制。本发明所述方法的运行能耗低、用户的舒适性好。

Description

一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法

技术领域

本发明涉及空气调节，具体涉及中央空调冷冻水系统。

背景技术

目前广泛采用的中央空调系统节能优化控制策略，有一个共同的不足：即基本上采用以用户当前负荷的集中和滞后效应为控制依据，不能很好地体现用户负荷变化的实际情况和保证所有用户的舒适性；控制模式的缺陷，已经成为进一步降低中央空调节能运行能耗的技术瓶颈；随着网络控制技术的发展，获取中央空调系统末端设备运行参数、用户信息和环境参数已经没有技术障碍。因此，如果能够直接根据这些参数，实时动态地预测用户负荷需求，并以该预测负荷作为空调系统节能优化控制的依据，实现“按需调节”，这将是一种更为合理的方式，不仅能更好地体现用户负荷需求和保证所有末端用户的舒适性，也是进一步提升中央空调系统节能效果的有效途径。

在中央空调运行节能技术应用领域中，目前广泛应用的冷冻水变流量控制技术，其基本出发点是以当前用户负荷为依据，调节冷冻水流量，以降低冷冻水泵运行能耗，控制模式基本上采用基于“定温差”或“定压差”的方式；相对于传统的中央空调定流量运行模式，变流量控制模式的应用降低了中央空调冷冻水泵的运行能耗，得到了广泛的应用。

定温差控制模式的基本原理是预先设定冷冻水供回水温差（例如5℃），在冷冻水供回水干管上设置温度检测装置，并设置变频器对冷冻水泵进行变频控制，运行过程中，检测供回水干管中冷冻水温差，然后和预先设定的冷冻水温差进行比较，根据给定与实测温差的差值，采用PI控制模式，调节冷冻水泵流量（冷冻水泵电机转速）；由于冷冻水供回水温差和流量可以表征用户负荷，因此可以通过调节冷冻水流量使冷冻水供回水温差保持在预先设定的数值；在用户负荷低于设计负荷时，可以降低冷冻水流量，即降低冷冻水泵运行能耗。但是由于变流量控制的依据是用户当前负荷的集中效应（机组冷冻水流量，供回水温差），而且由于空调系统和温度参数的延滞性，冷冻水供回水干管的温差和流量表征的负荷实际上并不是用户当前的负荷需求，即冷源和用户端的负荷变化并不同步，用户负荷的集中效应并非用户负荷需求，另外，冷冻水流量降低后存在不能保证所有末端用户的舒适性需求的隐患，在工程应用中，考虑这种影响通常也在用户冷冻水输配管网的最不利环节设置压力传感器，以保证末端设备的冷冻水需求，存在但系统的最不利环路不易确定等问题，而且即便确定了最不利环路，按这样的控制模式，在最不利环节的用户不需要使用空调或者用户负荷较小时，由于需要保证最不利环节的冷冻水流量，便不能进一步降低冷冻水流量，限制了节能效果，实际应用中，这种情况非常常见。因此，定温差控制模式的依据存在明显缺陷，实际应用的效果也显示，目前的变流量控制模式在在保证用户舒适性和节能效果等方面存在明显不足，进一步提升节能效果受到了控制模式的制约。

“定压差”的控制模式的基本原理是预先设定冷冻水供回水压差，在冷冻水供回水干管上设置压力检测装置，并设置变频器对冷冻水泵进行变频控制，运行过程中，检测冷冻水供回水干管上的压差，然后和预先设定的冷冻水干管压差进行比较，根据给定与实测压差的差值，采用PI控制模式，调节冷冻水泵流量（冷冻水泵电机转速）；由于末端用户负荷的变化，将导致冷冻水输配管网压力的变化，因此可以根据冷冻水干管压差调节冷冻水流量。在调节方式上，“定压差”与“定流量”基本相同，由于压力的变化比温度变化灵敏，冷冻水供回水的压差变化更能够反应负荷的变化。但是“定压差”与“定流量”模式同样以用户负荷的集中效应依据，仍然存在不能保证所有末端用户的舒适性需求和节能效果受到制约的明显缺陷。

从节能角度，根据负荷实际需求调节空调冷源系统负荷具有最好的效果，要实现这种控制模式，需要知道用户的实际负荷，目前也有部分基于负荷需求控制模式的研究，但相关的依据还是冷冻水干管的温度、压力、流量等信息，在此基础上采用模糊控制等方式对变频器进行控制；由于这种方式所依据的信息仍然并非用户实际的负荷需求，仍然是以用户负荷的集中效应为依据，并不能从根本上改善保证所有末端用户的舒适性需求，也不能从根本上改善节能效果受到制约的明显缺陷。

前面的分析说明，目前的中央空调系统节能控制模式，有一个共同的不足：即采用以用户负荷的集中效应为控制依据，不能很好地体现用户负荷变化的实际情况和保证所有用户的舒适性，亦即控制策略的缺陷，已经成为影响中央空调系统节能运行效果主要因素。

发明内容

鉴于现有技术所存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法，该控制方法不仅有效降低中央空调运行能耗，而且也保证了用户的舒适性。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法，该方法由以下步骤组成：

（A）采集中央空调系统中每一末端设备的入口和出口处空气的温度和湿度，计算每一末端设备前若干个时间段内分别消耗的冷量；

（B）以每一末端设备消耗冷量实测值时间序列为历史数据，按下述方法预测每一末端设备下一时间段内所消耗的冷量：

（B.1）将步骤（A）所得到的每一末端设备前若干个时间段内分别消耗的冷量值按时间顺序排列，得到每一末端设备的实测冷量序列{Q_t}；

（B.2）按下式（7）计算每一末端设备第t+1时间段的预测冷量值

得到k个预测冷量值并将它们也按时间顺序排列，得到每一末端设备的预测冷量序列

${\hat{Q}}_{t+1}=a_t+b_t+c_t---\left(7\right)$

上式（7）中，a_t,b_t,c_t为预测参数，该预测参数由下式（8）得到：

上式（8）中，

为自适应平滑参数，

S_t ⁽³⁾、S_t ⁽²⁾和S_t ⁽¹⁾为指数平滑值，该指数平滑值由下式（9）得到：

上式（9）中，

与（8）式中

相同；j为不等于零的自然数，且小于等于t；

和

为指数平滑初值，该初值由下式（10）得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{0,t}^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{Q}_t\\ S_{0,t}^{\left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{S}_j^{\left(1\right)}\\ S_{0,t}^{\left(3\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{S}_j^{\left(2\right)}\end{array}\right.---\left(10\right)$

上式（10）中，j与（9）式相同；α_t为动态平滑系数，该系数由下述方法得到：

（B.2.1）以预测误差平方和SSE最小为目标建立如下式（11）所示的确定最佳动态平滑系数α_t取值的优化模型：

$\mathrm{MinSSE}=\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_t-{\hat{Q}}_t)}^2---\left(11\right)$

上式（11）中，Q_t表示实测冷量序列{Q_t}，表示预测冷量序列

k表示{Q_t}与中元素的个数；

（B.2.2）在[0,1]的区间和允许误差ε＝0.001的条件下采用0.618法依次用上式（10）～（7）迭代求解上式（11），得到动态平滑系数α_t；

上述步骤（B）中的t表示{Qt}与中某一元素位置的序号；

（C）将中央空调系统中所有末端设备下一时间段内消耗的冷量预测值

累加，并将由所得到的累加值计算出的冷冻水系统的体积流量作为下一时间段内中央空调冷冻水系统体积流量的控制目标；

（D）循环执行步骤（A）、（B）和（C），并采用移位操作的方法不断更新{Q_t}和进行中央空调冷冻水系统体积流量的控制。

上述方案中，所述的时间段的时间长度可根据需要设定，太短运算量过大，太长冷量的预测值与实际需求值偏差过大就会导致舒适性差，通常以20min为宜。

上述方案中，所述的末端设备可以是由表面换热器与风机等设备组成的风机盘管、新风机组或/和组合式空气处理机组。

众所周知，一个地区在某个时间内的温度和湿度虽然有小幅振荡，但还是连续变化的，而且具有大惯性特征，因此本发明所述的控制方法以用户前若干个时间段内消耗的冷量为历史数据，采用动态三次指数平滑法预测每一末端设备下一较短时间段内消耗的冷量，进而以得到的中央空调冷冻水系统的体积流量进行动态控制，不仅有效降低中央空调运行能耗，而且也保证了用户的舒适性。

附图说明

图1为本发明所述中央空调系统的一个具体实施例的总体拓朴结构框图。

图2为本发明所述节能控制方法的流程图。

具体实施方式

本实施例以图1所示的中央空调系统为例，并设定时间段的时间长度为20分钟、实测冷量值Q_t和预测冷量值

个数k为5，按图2所示流程详细描述本发明所述节能控制方法。

（A）采集中央空调系统中每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组的入口和出口处空气的温度和湿度，然后进行如下运算：

a.按下式（1）和（2）算出中央空调系统每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组入口处空气的焓值h₁和出口处空气的焓值h₂：

公式（1）和（2）中，P为当地大气压；

t₁分别为风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组入口处空气的相对湿度和温度；

t₂分别为风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组出口处空气的相对湿度和温度，P_qb1和P_qb2分别为风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组入口和出口处空气的饱和水蒸气分压力，可分别由公式（3）和（4）计算：

$\ln \left(P_{\mathrm{qb}1}\right)=\frac{C_8}{T_1}+C_9+C_{10}{T}_1+C_{11}{T_1}^2+C_{12}{T_1}^3+C_{13}\ln T_1---\left(3\right)$

$\ln \left(P_{\mathrm{qb}2}\right)=\frac{C_8}{T_2}+C_9+C_{10}{T}_2+C_{11}{T_2}^2+C_{12}{T_2}^3+C_{13}\ln T_2---\left(4\right)$

公式（3）和（4）中的T1＝t₁＋273，T₂＝t₂＋273，C₈＝-5800.2206，C₉=1.3914993，C₁₀＝-0.04860239，C₁₁＝0.41764768×10^-4，C₁₂＝-0.14452093×10^-7，C₁₃＝6.5459673（这些常数所表示的物理含义见《实用供热空调设计手册》第二板，P135～P138，陆耀庆主编，中国建筑工业出版社，2008年5月）；

b.按下式（5）计算每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组的空气质量流量m：

$m=\mathrm{\ρ}\×K_v\×\frac{L_M}{3600}---\left(5\right)$

公式Ⅴ中，ρ为空气密度，取1.2kg/m³，K_V为风机的调速比，L_M为风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组的风机的额定风量；

ｃ.根据步骤a和b所得到的焓值h₁、h₂以及空气质量流量m按并按下式（6）进行每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组单位时间冷量消耗的计算：

Q＝m×(h₁-h₂)    （6）

公式（6）中，Q为风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组单位时间的冷量。

（B）以每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组消耗冷量实测值时间序列为历史数据，按下述方法预测每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组下一20分钟内所消耗的冷量：

（B.1）将步骤（A）所得到的每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组前5个时间段内分别消耗的冷量值按时间顺序排列，得到每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组的实测冷量序列{Q_t}；

（B.2）按下式（7）计算每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组第t+1时间段的预测冷量值

得到5个预测冷量值并将它们也按时间顺序排列，得到每一风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组的预测冷量序列

${\hat{Q}}_{t+1}=a_t+b_t+c_t---\left(7\right)$

上式（7）中，a_t,b_t,c_t为预测参数，该预测参数由下式（8）得到：

上式（8）中，

为自适应平滑参数，

S_t ⁽³⁾、S_t ⁽²⁾和S_t ⁽¹⁾为指数平滑值，该指数平滑值由下式（9）得到：

上式（9）中，

与（8）式中相同；j为不等于零的自然数，且小于等于t；

和

为指数平滑初值，该初值由下式（10）得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{0,t}^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{Q}_t\\ S_{0,t}^{\left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{S}_j^{\left(1\right)}\\ S_{0,t}^{\left(3\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{S}_j^{\left(2\right)}\end{array}\right.---\left(10\right)$

上式（10）中，j与（9）式相同；α_t为动态平滑系数，该系数由下述方法得到：

（B.2.1）以预测误差平方和SSE最小为目标建立如下式（11）所示的确定最佳动态平滑系数α_t取值的优化模型：

$\mathrm{MinSSE}=\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_t-{\hat{Q}}_t)}^2---\left(11\right)$

上式（11）中，Q_t表示实测冷量序列{Q_t}，

表示预测冷量序列

k表示{Q_t}与中元素的个数，本例中k＝5；

（B.2.2）在[0,1]的区间和允许误差ε＝0.001的条件下采用0.618法依次用上式（10）～（7）迭代求解上式（11），寻优动态平滑系数α_t；由公式

可见，t＝1时，

再由上式（8）可知，

时上式（8）没意义，因此从t＝2时才开始用0.618法寻优得到

中的

和

对应等于{Q_t}中的Q₁和Q₂。当t＝2时的具体寻优过程如下：

步骤一：选取初始数据，确定初始搜索区间[a,b]=[0,1]和允许误差ε＝0.001＞0，步长τ＝0.618。

步骤二：计算最初两个试探点：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1=a_i+(1-0.618)\×(b_i-a_i)\\ {\mathrm{\μ}}_1=a_i+0.618\×(b_i-a_i)\end{array}\right.,$ 式中i为不等于零的自然数，

依次用上式（10）、（9）、（8）、（7）和（11）求出SSE(λ₁)和SSE(μ₁)，并置i＝1。

步骤三：检查|λ_i-μ_i|＜ε？若是，则停止计算，并输出

否则，转到步骤四。

步骤四：比较函数值，若SSE(λ_i)＜SSE(μ_i)，转到步骤五；否则，转到步骤六。

步骤五：向左搜索，令a_i+1:＝a_i,b_i+1＝μ_i,μ_i+1＝λ_i,SSE(μ_i+1)＝SSE(λ_i)，并计算λ_i+1＝a_i+1+(1-0.618)(b_i+1-a_i+1)和SSE(λ_i+1)，转到步骤七。

步骤六：向右搜索，令a_i+1＝λ_i,b_i+1:＝b_i,λ_i+1＝μ_i,SSE(λ_i+1)＝SSE(μ_i)，并计算μ_i+1＝a_i+1+0.618(b_i+1-a_i+1)和SSE(μ_i+1)，转到步骤七。

步骤七：置i:＝i+1，转到步骤三。

采用0.618算法进行平滑参数寻优的迭代结果如表1所示。

表1采用0.618算法平滑参数寻优迭代过程

由表1可得最优平滑参数为α₂=(a+b)/2=0.854。

由α₂算得自适应平滑参数

将

带入上式（9），再将结果代入上式（10）得：

将所得到的S₂ ⁽¹⁾、S₂ ⁽²⁾和S₂ ⁽³⁾值代入上式（8）得：

接着将a₂,b₂,c₂代入上式（8）得

当t=3,4时，重复上述寻优过程和预测值的计算方法，得到和那么

当t=5时，再重复上述寻优过程和预测值的计算方法得到

并将其作为一个风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组消耗冷量预测值。

上述步骤（B）中的t表示{Q_t}与

中某一元素位置的序号。

（C）将中央空调系统中所有风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组下一20分钟内消耗的冷量预测值

按下式（12）进行累加，然后按下式（13）计算中央空调冷冻水系统的体积流量，并将计算出的体积流量作为中央空调冷冻水系统的控制目标：

$Q_{\mathrm{\Σ}}=\mathrm{\Σ}{\hat{Q}}_{t+1}---\left(12\right)$

$L=\frac{Q_{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{C\ρ}(t_H-t_G)}---\left(13\right)$

上式（13）中，L为冷冻水体积流量；C为水的比热容；ρ为水的密度；t_H为冷冻水回水温度；t_G为冷冻水供水温度。

（D）循环执行步骤（A）、（B）和（C），并采用移位操作的方法不断更新{Q_t}和

进行中央空调冷冻水系统体积流量的控制。

Claims (3)

1.一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法，该方法由以下步骤组成：

（A）采集中央空调系统中每一末端设备的入口和出口处空气的温度和湿度，计算每一末端设备前若干个时间段内分别消耗的冷量；

（B）以每一末端设备消耗冷量实测值时间序列为历史数据，按下述方法预测每一末端设备下一时间段内所消耗的冷量：

（B.1）将步骤（A）所得到的每一末端设备前若干个时间段内分别消耗的冷量值按时间顺序排列，得到每一末端设备的实测冷量序列{Q_t}；

（B.2）按下式（7）计算每一末端设备第t+1时间段的预测冷量值，得到k个预测冷量值并将它们也按时间顺序排列，得到每一末端设备的预测冷量序列

${\hat{Q}}_{t+1}=a_t+b_t+c_t---\left(7\right)$

上式（7）中，a_t,b_t,c_t为预测参数，该预测参数由下式（8）得到：

上式（8）中，

为自适应平滑参数，

S_t ⁽³⁾、S_t ⁽²⁾和S_t ⁽¹⁾为指数平滑值，该指数平滑值由下式（9）得到：

上式（9）中，

与（8）式中

相同；j为不等于零的自然数，且小于等于t；

和

为指数平滑初值，该初值由下式（10）得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{0,t}^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{Q}_t\\ S_{0,t}^{\left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{S}_j^{\left(1\right)}\\ S_{0,t}^{\left(3\right)}=\frac{{\mathrm{\α}}_t}{1-{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^t}\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_t{(1-{\mathrm{\α}}_t)}^{t-j}{S}_j^{\left(2\right)}\end{array}\right.---\left(10\right)$

上式（10）中，j与（9）式相同；α_t为动态平滑系数，该系数由下述方法得到：

（B.2.1）以预测误差平方和SSE最小为目标建立如下式（11）所示的确定最佳动态平滑系数α_t取值的优化模型：

$\mathrm{MinSSE}=\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_t-{\hat{Q}}_t)}^2---\left(11\right)$

上式（11）中，Q_t表示实测冷量序列{Q_t}，

表示预测冷量序列

k表示{Q_t}与

中元素的个数；

（B.2.2）在[0,1]的区间和允许误差ε＝0.001的条件下采用0.618法依次用上式（10）～（7）迭代求解上式（11），得到动态平滑系数α_t；

上述步骤（B）中的t表示{Q_t}与

中某一元素位置的序号；

（C）将中央空调系统中所有末端设备下一时间段内消耗的冷量预测值

累加，并将由所得到的累加值计算出的冷冻水系统的体积流量作为下一时间段内中央空调冷冻水系统体积流量的控制目标；

（D）循环执行步骤（A）、（B）和（C），并采用移位操作的方法不断更新{Q_t}和

进行中央空调冷冻水系统体积流量的控制。

2.根据权利要求1所述的一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法，其特征在于，所述的末端设备是由表面换热器与风机等设备组成的风机盘管、新风机组或/和组合式空气处理机组。

3.根据权利要求1或2所述的一种中央空调冷冻水系统的节能控制方法，其特征在于，所述的时间段的时间长度为20min。

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