CN103994554A

CN103994554A - 一种空调用变压差控制装置、方法及系统

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Publication number: CN103994554A
Application number: CN201410238231.6A
Authority: CN
Inventors: 张丰; 王燕波; 李开国; 朱国宏
Original assignee: XIAMEN LIS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XIAMEN LIS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-08-20

Abstract

本发明公开了一种空调用变压差控制方法，根据空调系统最不利末端设备的冷冻水阀门开度V_max的大小，动态调整冷冻水泵变频控制的设定参数，即供回水总管压差△P_set的设定值来实现冷冻水系统变压差节能控制。本发明还公开了一种空调用变压差控制装置及系统，该装置包括智能控制器、工业计算机和变频器等，可以实现中央空调参数的采集和反馈功能，智能控制器与对应的节能控制装置进行数据通信。采用本发明，可以降低冷冻水系统运行能耗，提供满足用户需求的节能策略，对于提高能源利用效率具有显著的社会效益和经济效益。

Description

一种空调用变压差控制装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及中央空调节能控制领域，尤其涉及一种空调用变压差控制装置、方法及系统。

背景技术

在当今大型商用、民用高层建筑中，中央空调系统的能耗大约占整个建筑能耗的60%甚至更高。所以，对于空调系统的高效运行及节能设计标准也提出了更高的要求。

中央空调系统一个大惰性、时滞性、非线性的系统，巨大的能耗主要来自于输送系统运行，空调水系统的输送系统包括冷冻水泵、冷却水泵、冷冻水系统管网与冷却水系统管网。而冷水机组及水泵两者的输送能耗约占整个空调系统能耗的70%左右。众所周知，中央空调系统是按照满负荷工况进行设计的，而实际上空调机组绝大部分时间是在部分负荷下运行（通常在50%以下负荷运行时间超过70%），制冷机有完善的能量调节系统，可根据负荷变化来自动调节制冷机的功率已达到节能的目的，而冷媒水泵一般只进行简单的台数控制，不能根据系统所需要扬程和流量连续变化连续调节，多余的扬程消耗在末端设备的控制阀上。因此在部分负荷工况下运行时虽然冷源的产冷量已按需供给，但是水泵的输送动力能耗并没有相应减少；负荷计算偏大，阻力计算值会相对保守，致使水泵选配流量大、扬程偏高，在中央空调水系统中出现大流量小温差，系统稳定性差、应变能力差和运行能耗较高的情况。

目前中央空调的水系统的形式多采用一次泵变流量系统。传统的调速方法是在泵的出口处安装阀门，通过关小阀门，加大系统局部阻力，使流量减少。目前，采用变频器对交流电动机的转速进行调节是生产、生活中广泛采用的一种节能措施，在中央空调水系统中也有一定的应用。中央空调水系统中水泵变频调速的控制方法有温差控制法和压差控制法。温差控制法通过控制温差不变，使得流量随负荷变化而变化，动态变化关系满足方（1），式中c—水的比热， ;—水的密度，； —末端装置供回水温差，。其中一般设置为5℃，当负荷下降时，流量随之减少，通过温差控制器、变频器降低水泵转速来减少流量各末端设备的冷冻水流量按比例减少，对于要求冷冻水供给量基本不变的房间，会造成冷量不足，从而影响使用效果。因而温差控制系统适用于系统较小、房间功能简单的情况。而压差控制法，在末端装置的回水管上设置电动阀，当温差改变，末端装置的温控器通过调整电动阀的启闭度来使得流量正比于空调负荷的变小，使管道阻力增大，水泵流量减小，扬程增大，此时，流量变化引起的供回水管压差的变化，将此信号输入到变频控制器，与设定值进行比较，从而控制水泵转速。

水泵转速通常由系统最远端的压差变化来控制的，压差变化与回水管流量密切相关。而实际上管道特性是关于系统管道特性系数、不同温度流体的动力粘滞系数和末端电动阀的特性曲线及阀门开关数量的多少比例有关的复杂的多元函数关系。恒温差或者恒压及恒压差实际并不能满足系统的运行要求。

目前，变压差控制节能技术也已有相关报道。有研究以TRNSYS为仿真平台，建立中央空调二次泵变流量系统的仿真模型，以空调冷冻水系统最不利末端用户两端的压差作为二次泵变频控制的控制信号，对空调冷冻水系统变压差控制方案及其节能效果展开研究，发现与常用的定压差控制方案相比，变压差控制方案能够节约6.49%的二次泵输送能耗，节约5.10%的冷水机组运行能耗，具有明显的节能效果。但是该变压差控制节能技术系统复杂，参数繁多，成本高昂，应用受到了限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对目前中央空调冷冻水系统定压差和恒温及恒温差技术的不足，提供一种可用于降低冷冻水系统运行能耗和提供满足用户需求的负荷要求的技术。

为了解决上述技术问题，本发明考虑到中央空调最不利末端设备冷冻水阀门动态开度的最大值与所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差之间的内在联系，通过此关系的动态调整来实现中央空调末端冷冻水系统变压差节能控制。

在流体力学中，一般阀门阻力系数用来衡量。调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀依据控制信号改变阀芯行程，调整流体通过阀门的阻力系数，实现流量调整的目的。对于不可压缩流体，流量仅随阻力系数变化。

根据伯努利方程，对于阀门的局部阻力系数可表示为式中—阀门两端的压降（Pa），可通过压差传感器获得，—流速（m/s），通过测定流量获得。

对于每一开启度下的流量、压差进行多次采集，然后根据所得的曲线的走势利用敌克松准则对所测数据进行筛选，在获得压差与流速后，可通过式（1）获得待测阀门每一个开度下的局部阻力系数。

一般阀门开度越大，阻力系数越小，且不呈正比，当阀门开得一定程度后，其比例关系则越来越不明显，并且与阀门的结构形式相关，因此其关系只能通过实验的方式测得。通过对给水管网中常见的阀门—闸阀进行测试，可以得出其阻力系数与阀门开度的关系曲线，如说明书附图1所示。

（2）

式中V—闸阀的开度，a，b，c—待定系数

可见，冷冻水系统循环管路供回水总管压差

与阀门开度V存在如下关系：

本发明中，通过采集冷冻水循环系统冷冻水供回水总管压力（P1、P2），同时通过TCP/IP协议与末端空调设备的智能控制器连接采集冷冻水阀门开度，并找出它们中的；根据的大小对控制压差进行再设定，以此来改变水泵运行频率。上层与工业计算机相连实现大数据处理、变压差控制模型分析、能耗最低计算等。

大量数据表明：

（1）当最不利末端空调冷冻水阀门开度落入某一个较大值区间，局部阻力系数趋近于无穷小，所在冷冻水系统循环管路的阻力为最小，不改变冷冻水泵变频的控制参数（即系统循环管路供回水总管压差）的设定；

（2）若＞较大值区间的极大值时，空调的温湿度工艺参数将要失去控制，阀门的控制作用基本消失，故需增加冷冻水泵变频的控制参数（即冷冻水系统循环管路供回水总管压差）的设定值，以增大冷冻水泵的运行频率，使得空调的温湿度工艺参数保持良好控制；

（3）若＜较小值区间的极小值时，说明冷冻水循环管路存在较大的阻力，冷冻水泵需多耗电做功来克服阻力，故需减小冷冻水泵变频的控制参数即冷冻水系统循环管路供回水总管压差的设定值，以减小冷冻水泵的运行频率，降低冷冻水管网的阻力，节省冷冻水能耗。

如说明书附图2所示，中央空调的冷水系统的硬件配置包括制冷机组、冷热水盘管、旁通阀、变频器等。冷冻水泵的能耗与冷冻水管网的阻力密切相关，而最不利末端空调设备的冷冻水阀门开度的大小直接影响整个冷冻水管网的阻力。

基于以上分析，本发明公开了一种空调用变压差控制方法，在满足用户需求负荷条件下，通过采集中央空调末端设备的冷冻水阀门动态开度，计算并得到其最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度

的大小，通过控制逻辑对冷冻水泵变频的控制参数（冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）设定值进行再设定来改变冷冻水泵运行频率，使得落入一个较大值的区间（所述较大值区间是指阀门阻力系数较小且随阀门开度变化不明显的区间），从而实现变压差节能控制。

包括以下步骤：

S1采集所述冷冻水供回水总管压力（P₁、P₂）和采集全部或典型中央空调末端阀门动态开度；

S2 数据上传至智能控制器，计算并得到所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P和最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度；

S3判断最不利中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度是否落入某一个较大值区间：

当落入该较大值区间内时，对于冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值保持不变；

当＞所述较大值区间的极大值时，调整增大冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应增大，使得实际压差和设定压差保持一致；

当＜所述较大值区间的极小值时，调整减小冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应减小，使得实际压差和设定压差保持一致；

S4 返回步骤S1。

具体的，反馈相关压差整定值；数据上传至智能控制器实现工况参数数据化处理，进行变压差控制模型分析和压差整定处理；执行器将接收到的所述工况参数数据控制冷冻水泵频率。

相应地，本发明实施例还提供了一种空调用变压差控制装置，该装置根据中央空调最不利末端设备冷冻水阀门开度的大小对冷冻水泵变频的控制参数（即冷冻水系统循环管路供回水总管压差）进行再设定，来实现中央空调冷冻水系统变压差节能控制，包括工业计算机、智能控制器、传感器、变频器和冷冻水泵。

所述智能控制器与安装冷冻水总管上的压力传感器连接，并接收由所述压力传感器采集的数据；末端空调设备的智能控制器与其冷冻水调节阀门连接，并接收采集阀门开度的数据。

所述工业计算机与智能控制器相连接。

具体的，所述控制器向所述工业计算机发送工况参数数据；所述变频器与所述冷冻水泵连接，所述变频器依据所述智能控制器发送的指令控制冷冻水泵运行。

优选的，较大值区间为80%-90% 或75%-90%。

所述调整增加和调整减小均为小幅度的固定值。

所述采集为通过TCP/IP协议与智能控制器连接采集其阀门动态开度。

上述装置可根据中央空调最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度的大小对冷冻水泵变频的控制参数（即冷冻水系统循环管路供回水总管压差）进行再设定来实现中央空调冷冻水系统变压差节能的控制，可以改善目前中央空调冷冻水系统定压差和恒温及恒温差技术的不足；本发明具有自动控制和冷冻水泵节能功能。

相应地，本发明实施例还提供了一种空调用变压差控制系统，该系统根据中央空调最不利末端设备冷冻水阀门开度的大小对冷冻水泵变频的控制参数（即冷冻水系统循环管路供回水总管压差）进行再设定，来实现中央空调冷冻水系统变压差节能控制，系统包括：传感器模块、数据采集模块、数据处理模块、数据判断模块、数据反馈模块和设备控制模块等。

上述空调用变压差控制系统包括：

数据采集模块，用于采集冷冻水供回水总管压力（P1、P2）和采集全部或典型中央空调末端阀门动态开度；

数据传输模块，用于数据上传至智能控制器，计算并得到所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P和最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度；

数据判断模块，用于判断最不利中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度是否落入某一个较大值区间：

当＞较大值区间的极大值时，调整增大冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应增大，使得实际压差和设定压差保持一致；

当＜较大值区间的极小值时，调整减小冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应减小，使得实际压差和设定压差保持一致；

数据反馈模块，用于结合系统的输出指令，返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，本发明中数据反馈模块作用下返回数据采集步骤。

通过工业计算机，动态计算并得到全部或典型中央空调末端设备的冷冻水阀门开度的最大值，并定为最不利空调末端设备的冷冻水阀门动态开度。

可选的，上述较大值区间为80%-90% 或75%-90%。

上述调整增加和调整减小均为小幅度的固定值。

具体的，采集模块为通过TCP/IP协议与末端空调控制器连接采集末端阀门动态开度。

本发明具有如下有益效果：本发明可保证空调的温湿度工艺参数在受控的情况下，最大限度地降低冷冻水管网的阻力，从而使得冷冻水泵的运行能耗为最低，可以改善目前中央空调冷冻水系统定压差和恒温及恒温差技术的不足；本发明还具有节能功能。

综上所述，本发明提供一种可用于降低冷冻水系统运行能耗和提供满足用户需求的负荷要求的技术，可以加强对于能耗系统的控制，减少不必要的能源消耗，对于提高能源利用效率具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所涉及的中央空调末端冷冻水循环系统阀门开度与阻力系数的关系趋势图；

图2是本发明所涉及的空调用冷冻水循环控制系统示意图；

图3是本发明所涉及的空调用变压差控制系统作用原理图；

图4是本发明所涉及的空调用变压差控制系统组成示意图；

图5是本发明某一具体实施例所涉及的空调用变压差控制系统阀门开度与阻力系数的数量关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明方法在满足用户需求负荷条件下，通过采集中央空调末端设备的冷冻水阀门动态开度，计算并得到其最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度的大小，通过控制逻辑对冷冻水泵变频的控制参数（冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）设定值进行再设定来改变冷冻水泵运行频率，使得落入一个较大值的区间（所述较大值区间是指阀门阻力系数较小且随阀门开度变化不明显的区间），从而实现变压差节能控制。

参见图1-3，本发明的空调用变压差控制方法，具体包括以下步骤：

S1 采集冷冻水供回水总管压力（P₁、P₂）和采集全部或典型中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度；

S3判断最不利中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度是否落入某一个较大值区间：当落入80%-90%或者75%-90%区间内时，对于冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值保持不变；

当＞90%时，调整增大冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应增大，使得实际压差和设定压差保持一致；

当＜80%或75%时，调整减小冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应减小，使得实际压差和设定压差保持一致；

S4 返回步骤S1。

反馈相关压差整定值数据上传至智能控制器实现工况参数数据化处理，进行变压差控制模型分析和压差整定处理；执行器将接收到的所述工况参数数据控制冷冻水泵频率。

具体地，如说明书附图5所示，当末端阀门开度为80%时，流经阀门的流速为2.22 m/s；当末端阀门开度为50%时，流经阀门的流速为4.0 m/s。根据可推理出最大阀门开度为80%的阻力系数为4.94，最大阀门开度为50%时阻力系数为6.25，最大阀门开度为80%的阻力是最大阀门开度为50%时阻力的39%。当最大阀门开度落入80%-90%这个较大区间，阻力降低至较小值且变化幅度不大。

相应地，本发明实施例还提供了一种空调用变压差控制装置，该装置根据中央空调最不利末端设备冷冻水阀门动态开度对冷冻水泵变频的控制参数（即冷冻水系统循环管路供回水总管压差）进行再设定来实现中央空调冷冻水系统变压差节能控制，包括智能控制器、变频器、传感器、工业计算机和冷冻水泵；

所述智能控制器与安装冷冻水总管上的压力传感器连接，并接收由所述压力传感器直接和间接采集的数据；末端空调设备的智能控制器与其冷冻水调节阀门连接，并接收和间接采集阀门开度的数据；

所述工业计算机与智能控制器相连接。

具体的，所述智能控制器向所述工业计算机发送工况参数数据；所述变频器与所述冷冻水泵连接，所述变频器依据所述智能控制器发送的指令控制冷冻水泵运行。

请参见图3，本发明实施例提供了一种空调用变压差控制系统，该系统根据中央空调最不利末端设备冷冻水阀门开度的大小对冷冻水泵变频的控制参数（即冷冻水系统循环管路供回水总管压差）进行再设定，来实现中央空调冷冻水系统变压差节能控制，系统包括：传感器模块、数据采集模块、数据处理模块、数据判断模块、数据反馈模块和设备控制模块等。

上述空调用变压差控制系统包括：

数据采集模块，用于采集冷冻水供回水总管压力（P1、P2）和采集全部或典型中央空调末端阀门动态开度；具体是，所述采集模块为通过TCP/IP协议与末端空调控制器连接采集末端阀门动态开度。

数据判断模块，用于判断最不利中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度是否落入某一个较大值区间：所述较大值区间为80%-90%，或75%-90%。

当＞较大值区间的极大值时，调整增大冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应增大，使得实际压差和设定压差保持一致；当＜较大值区间的极小值时，调整减小冷冻水泵变频的控制参数（即所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P）的设定值，冷冻水泵的运行频率相应减小，使得实际压差和设定压差保持一致；

上述调整增加和调整减小均为小幅度的固定值。

由于以上技术方案，本发明可保证空调的温湿度工艺参数在受控的情况下，最大限度地降低冷冻水管网的阻力，从而使得冷冻水泵的运行能耗为最低，可以改善目前中央空调冷冻水系统定压差和恒温及恒温差技术的不足；可以加强对于能耗系统的控制，减少不必要的能源消耗，对于提高能源利用效率具有显著的社会效益和经济效益。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种空调用变压差控制方法，其特征在于，在满足用户需求的负荷条件下，通过采集中央空调末端设备的冷冻水阀门动态开度，计算并得到其最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度的大小，通过控制逻辑对冷冻水泵变频控制参数的设定值进行再设定来改变冷冻水泵运行频率使得V_max落入一个较大值的区间从而实现变压差节能控制；

所述控制参数为冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P；

所述较大值区间为阀门阻力系数较小且随阀门开度变化不明显的区间。

2. 如权利要求1所述的空调用变压差控制方法，具体包括以下步骤：

S1、采集所述冷冻水供回水总管压力（P₁、P₂）和采集全部或典型中央空调末端阀门动态开度；

S2、数据上传至智能控制器，计算并得到所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P和最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度V_max；

S3、判断最不利中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度V_max是否落入某一个较大值区间：

当V_max落入该较大值区间内时，对于冷冻水泵变频的控制参数的设定值保持不变，所述冷冻水泵变频的控制参数为所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P；

当V_max＞所述较大值区间的极大值时，调整增大冷冻水泵变频的控制参数的设定值，冷冻水泵的运行频率相应增大，使得实际压差和设定压差保持一致；所述冷冻水泵变频的控制参数为所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P；当V_max＜所述较大值区间的极小值时，调整减小冷冻水泵变频的控制参数的设定值，冷冻水泵的运行频率相应减小，使得实际压差和设定压差保持一致；所述冷冻水泵变频的控制参数为所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P；

S4、返回步骤S1。

3. 如权利要求1或2所述的空调用变压差控制方法，其特征在于，动态计算并得到所述全部或典型的中央空调末端设备的冷冻水阀门开度的最大值，并定为最不利空调末端设备的冷冻水阀门动态开度V_max。

4.如权利要求1或2所述的空调用变压差控制方法，其特征在于，所述较大值区间为80%-90% 或75%-90%。

5. 如权利要求2或3或4所述的空调用变压差控制方法，其特征在于，步骤S3所述调整增加和调整减小均为小幅度的固定值;

所述采集为通过TCP/IP协议与末端空调控制器连接采集末端阀门动态开度。

6.一种空调用变压差控制装置，其特征在于，包括工业计算机、智能控制器、传感器、变频器和冷冻水泵；

所述智能控制器与安装冷冻水总管上的压力传感器连接，并接收由所述压力传感器采集的数据；末端空调设备的智能控制器与其冷冻水调节阀门连接，并接收采集阀门开度的数据；

所述工业计算机与智能控制器相连接。

7.根据权利要求6所述的空调用变压差控制装置，其特征在于，所述控制器向所述工业计算机发送工况参数数据；所述变频器与所述冷冻水泵连接，所述变频器依据所述智能控制器发送的指令控制冷冻水泵运行。

8. 如权利要求6或7所述的空调用变压差控制装置，其特征在于，所述较大值区间为80%-90% 或75%-90%;

所述调整增加和调整减小均为小幅度的固定值;

9.一种空调用变压差控制系统，其特征在于，所述系统包括：

数据采集模块，用于采集所述冷冻水供回水总管压力（P1、P2）和采集全部或典型中央空调末端阀门动态开度；

数据传输模块，用于数据上传至智能控制器，计算并得到所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P和最不利末端设备的冷冻水阀门动态开度V_max；

数据判断模块，用于判断最不利中央空调末端设备冷冻水阀门动态开度V_max是否落入某一个较大值区间：

当V_max＞所述较大值区间的极大值时，调整增大冷冻水泵变频的控制参数的设定值，冷冻水泵的运行频率相应增大，使得实际压差和设定压差保持一致，所述冷冻水泵变频的控制参数为所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P；当V_max＜所述较大值区间的极小值时，调整减小冷冻水泵变频的控制参数的设定值，冷冻水泵的运行频率相应减小，使得实际压差和设定压差保持一致；所述冷冻水泵变频的控制参数为所在冷冻水系统循环管路供回水总管压差△P；

数据反馈模块，用于结合系统的输出指令，返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，本发明中所述数据反馈模块作用下返回数据采集步骤。

10.如权利要求9所述的空调用变压差控制系统，其特征在于，通过工业计算机，动态计算并得到所述全部或典型中央空调末端设备的冷冻水阀门开度的最大值，并定为最不利空调末端设备的冷冻水阀门动态开度V_max；

所述较大值区间为80%-90% 或75%-90%；

所述调整增加和调整减小均为小幅度的固定值;

所述采集模块为通过TCP/IP协议与末端空调控制器连接采集末端阀门动态开度。