CN104180480A - 中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，通过控制中央空调空气处理单元的风机在额定功率和额定转速状态下工作，并获取中央空调的空气处理单元的输入有功功率；控制中央空调空气处理单元的风机以不同转速进行工作，获取该风机在各个转速下的输入有功功率，并将该转速与输入有功功率进行拟合处理并得出拟合结果；获取中央空调空气处理单元的风机的实时转速，并计算实时转速与额定转速的比值；根据拟合处理结果以及实时转速与额定转速的比值得出中央空调系统空气处理单元风机的实时能耗。通过这种方法将风机运行状态与能耗有机结合起来，有助于设备运行状态的判断，以及设备故障诊断。

Description

中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法

技术领域

本发明涉及能耗检测领域，尤其涉及一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法。

背景技术

随着我国经济建设的快速发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统的应用也越来越广泛，但中央空调系统在改善工作及居住的内部环境质量的同时，也带来了巨大的能源消耗，大大增加了成本。因此中央空调节能开始受到越来越多的关注。

目前民用建筑实用的中央空调系统一般是在一个回路设置计量仪表，几乎没有对每台设备的功耗进行检测的系统，这样对于中央空调节能显然是不够的，由于检测技术的制约，现有的能耗检测能耗监控技术都是侧重的建筑的整体检测。如果对每台设备的功耗不了解，那么就很容易造成不必要的浪费，在中央空调系统发生故障时，也不利于对设备故障的诊断。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，将风机运行状态与功耗有机的结合起来，利用风机的实时转速，检测风机实时消耗的有功功率。

本发明提供的一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，其特征在于：包括如下步骤:

S1.控制中央空调空气处理单元的风机在额定功率和额定转速状态下工作，并获取中央空调的空气处理单元的输入有功功率；

S2.控制中央空调空气处理单元的风机以不同转速进行工作，并检测风机在各转速下的输入有功功率，并将转速与输入有功功率进行拟合处理；

S3.检测中央空调空气处理单元的风机的实时转速，并计算实时转速与额定转速的比值；

S4.根据步骤S2中拟合处理结果以及步骤S3中实时转速与额定转速的比值得出风机的实时能耗。

进一步，步骤S2所述有功功率与转速的拟合处理,包括如下过程：

建立有功功率与转速的关系模型:

$P_{i,k}=\underset{n=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,i}{n}_k^{m-n+1}$

公式中，i为中央空调系统空气处理单元编号，k为转速调节编号，m为拟合阶数，a为拟合参数，n_k为将第i台中央空调空气处理单元的风机第k次调速的转速归一化数值，P_i,k为将第i台中央空调空气处理单元的风机调节至n_k时消耗的有功功率；其中当k为最大值k_max时，n_kmax为额定转速，P_i,kmax为第i台中央空调空气处理单元的风机调节额定转速下消耗的有功功率；

分别控制各个不同额定功率的中央空调空气处理单元的风机在不同转速下进行工作，检测并记录对应的有功功率数值，根据如下公式：

P＝AN

其中，P为输入有功功率矩阵，A为拟合系数矩阵，N为归一化转速矩阵；

将上述两个关系公式进行拟合处理，拟合结果为当且仅当m＝2时A矩阵的列向量与P_i,kmax呈线性关系，得到结果：

P＝AN＝(A₁ A₂ A₃)N

分别将A₁、A₂、A₃与P_i,kmax再次进行拟合，获取拟合参数。

进一步，步骤S4根据如下公式得出实时能耗：

P＝f(n)＝a₁n²+a₂n+a₃

式中P为风机的实时能耗，a₁,a₂,a₃为步骤S2中拟合处理的拟合参数,n为中央空调空气处理单元的风机的转速归一化数值，即实际转速与额定转速的比值。

进一步，对中央空调空气处理单元的风机实时能耗的检测过程中，对转速进行了数据归一化处理。

进一步，步骤S1所述输入有功功率是中央空调空气处理单元的风机额定功率与效率的比值。

本发明的有益效果：本申请公开的一种中央空调系统空气初期单元实时能耗的检测方法，将风机运行状态与功耗有机的结合起来，利用风机的实时转速，检测风机实时消耗的有功功率。不仅帮助用户了解每台设备的能耗，还有助于进行设备寿命周期内的运行状态判断，以及设备故障诊断。对中央空调系统中的每个空气处理单元的实时能耗进行检测，有利于为节能设备提供有效的监控数据，进行针对性的进行节能处理，使之达到最佳的节能效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明当m＝2时A矩阵的列向量与P_i,14的拟合结果

图2是本发明当m＝3～6时A矩阵的列向量与P_i,14的拟合结果

图3是本发明的原理流程示意图。

图4是本发明的能耗计算流程示意图。

具体实施方式

如图3所示，中央空调系统变频调速空气处理单元(Air handling units,AHU)实时能耗检测方法如图1所示，步骤如下：

S1.控制中央空调空气处理单元的风机在额定功率和额定转速状态下工作，并获取中央空调的空气处理单元的输入有功功率；

S2.控制中央空调空气处理单元的风机以不同转速进行工作，并检测风机在各转速下的输入有功功率，并将转速与输入有功功率进行拟合处理；

S3.检测中央空调空气处理单元的风机的实时转速，并计算实时转速与额定转速的比值；

S4.根据步骤S2中拟合处理结果以及步骤S3中实时转速与额定转速的比值得出风机的实时能耗。

下面结合说明书附图对实施例的方法步骤进行进一步的详细说明：

步骤S1.控制中央空调空气处理单元的风机在额定功率和额定转速状态下工作，并获取中央空调的空气处理单元的输入有功功率。

在本实施例中，实验共测量了11个不同额定功率的风机在14个不同转速下及其相应有功功率的数值。实验中将转速进行归一化处理，即人为地调节风机转速至额定转速的20％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、90％和100％，待转速稳定2分钟后记录风机有功功率，实验中调节的风机转速和采用的AHU分别如表1和表2所示。

k	nk(nk,i/ne,i)
		01	20％
02	30％
		03	35％
04	40％
		05	45％
06	50％
		07	55％
08	60％
		09	65％
10	70％
		11	75％
12	80％
		13	90％
14	100％

表1为实验中各风机调节的风机转速

i

Pi,14(kW)

01	1.1
		02	1.3
03	1.6
		04	2.1
05	2.3
		06	2.5
07	2.9
		08	3.1
09	3.3
		10	3.5
11	4

表2为实验中各风机调节额定转速下的有功功率

其中，i为AHU编号，k为转速调节编号，n_k,i为将第i台AHU风机第k次调速的转速数值，n_e,i为第i台AHU风机的额定转速，n_k为将第i台AHU风机第k次调速的转速归一化数值，P_i,k为将第i台AHU风机调节至n_k时消耗的有功功率，P_i,14为第i台AHU风机调节额定转速下消耗的有功功率。在本实施例中，k_max＝14，即P_i,kmax＝P_i,14。

在本实施例中，为了保证测量的准确性，共测量了11个不同额定功率的风机在14个不同转速下及其相应有功功率的数值，在应用中可根据实际需要选择测量的数量，理论上选择测量的数量越多，结果越准确。另外，本实施例采取待转速稳定2分钟后再记录风机有功功率的方法，可以避免因风机突然改变转速，造成的瞬时功率过大，影响测量效果。风机在改变转速2分钟后，功率变得稳定，这时记录的数据更加真实可靠。

步骤S2.控制中央空调空气处理单元的风机以不同转速进行工作，并检测风机在各转速下的输入有功功率，并将转速与输入有功功率进行拟合处理。

拟合是指已知某函数的若干离散函数值，通过调整该函数中若干待定系数，使得该函数与已知点集的差别最小。本实施例中，实验表明P_i,k与n_k之间呈现显著的多项式规律。

因此，步骤S2又具体分为以下步骤：

S21.采用式(1)和式(2)对P_i,k-n_k实验结果进行m(m取值2～6)阶多项式对拟合。

$P_{i,k}=f\left(n_k\right)=a_{1,i}{n}_k^m+a_{2,i}{n}_k^{m-1}+...+a_{m,i}{n}_k+a_{m+1,i}=\underset{n=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,i}{n}_k^{m-n+1}---\left(1\right)$

${\left(\begin{array}{ccccc}{P}_{\mathrm{1,1}}& & P_{1,k}& & P_{\mathrm{1,14}}\\ P_{\mathrm{2,1}}& & P_{2,k}& & P_{\mathrm{2,14}}\\ \·\·\·& & \·\·\·& & \·\·\·\\ P_{i,1}& \·\·\·& P_{i,k}& \·\·\·& P_{k,14}\\ \·\·\·& & & & \·\·\·\\ P_{\mathrm{11,1}}& & P_{11,k}& & P_{\mathrm{11,14}}\end{array}\right)}_{11\×14}={\left(\begin{array}{cccc}{a}_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{2,1}}& \·\·\·& a_{m+\mathrm{1,1}}\\ a_{\mathrm{1,2}}& a_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& a_{m+\mathrm{1,2}}\\ \·\·\·& \·\·\·& & \·\·\·\\ a_{\mathrm{1,11}}& a_{\mathrm{2,11}}& \·\·\·& a_{m+\mathrm{1,11}}\end{array}\right)}_{11\×(m+1)}{\left(\begin{array}{cccccc}{n}_1^m& n_2^m& \·\·\·& n_k^m& \·\·\·& n_{14}^m\\ n_1^{m-1}& n_2^{m-1}& \·\·\·& n_k^{m-1}& \·\·\·& n_{14}^{m-1}\\ \·\·\·& & \·\·\·& & \·\·\·& \\ n_1& n_2& \·\·\·& n_k& \·\·\·& n_{14}\\ 1& 1& \·\·\·& 1& \·\·\·& 1\end{array}\right)}_{\left(m\right)}---\left(2\right)$

式(2)记为：

P＝AN    (3)

其中，P为有功功率矩阵，A为拟合系数矩阵，N为归一化转速矩阵。

如图1，图2所示，拟合结果表明当且仅当m＝2时A矩阵的列向量与P_i,14有很好的线性关系，即式(4)中的A₁、A₂和A₃均与P_i,14有很好的线性关系，其中式(4)为m＝2阶拟合的结果，A₁、A₂和A₃分别是A的第1、2和3个列向量。

${\left(\begin{array}{ccccc}{P}_{\mathrm{1,1}}& & P_{1,k}& & P_{\mathrm{1,14}}\\ P_{\mathrm{2,1}}& & P_{2,k}& & P_{\mathrm{2,14}}\\ \·\·\·& & \·\·\·& & \·\·\·\\ P_{i,1}& \·\·\·& P_{i,k}& \·\·\·& P_{k,14}\\ \·\·\·& & & & \·\·\·\\ P_{\mathrm{11,1}}& & P_{11,k}& & P_{\mathrm{11,14}}\end{array}\right)}_{11\×14}={\left(\begin{array}{ccc}{a}_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{2,1}}& a_{\mathrm{3,1}}\\ a_{\mathrm{1,2}}& a_{\mathrm{2,2}}& a_{\mathrm{3,2}}\\ & \·\·\·& \\ a_{\mathrm{1,11}}& a_{\mathrm{2,11}}& a_{\mathrm{3,11}}\end{array}\right)}_{11\×3}{\left(\begin{array}{cccccc}{n}_1^2& n_2^2& \·\·\·& n_k^2& \·\·\·& n_{14}^2\\ n_1& n_2& \·\·\·& n_k& \·\·\·& n_{14}\\ 1& 1& \·\·\·& 1& \·\·\·& 1\end{array}\right)}_{3\×14}$

P＝AN＝(A₁ A₂ A₃)N    (4)

图2为采用式(2)且m＝3～6时A矩阵的列向量与P_i,14的拟合结果，如图2所示，显然A矩阵的列向量与P_i,14没有显著规律。

S22.分别对A₁、A₂和A₃和P_i,14进行多项式拟合，如式(5)所示：

A＝(P₁₄|1)B    (5)

其中，

$A={\left(\begin{array}{ccc}{a}_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{2,1}}& a_{\mathrm{3,1}}\\ a_{\mathrm{1,2}}& a_{\mathrm{2,2}}& a_{\mathrm{3,2}}\\ & \·\·\·& \\ a_{\mathrm{1,11}}& a_{\mathrm{2,11}}& a_{\mathrm{3,11}}\end{array}\right)}_{11\×3},\left(P_{14}\right|1)={\left(\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{1,14}}& 1\\ P_{\mathrm{2,14}}& 1\\ \·\·\·& \·\·\·\\ P_{\mathrm{11,14}}& 1\end{array}\right)}_{11\×2},{B=\left(\begin{array}{ccc}{b}_{\mathrm{1,1}}& b_{1,2}& b_{\mathrm{1,3}}\\ b_{\mathrm{2,1}}& b_{\mathrm{2,2}}& b_{\mathrm{2,3}}\end{array}\right)}_{2\×3}.$

计算 $B={\left(\begin{array}{ccc}{b}_{\mathrm{1,1}}& b_{\mathrm{1,2}}& b_{\mathrm{1,3}}\\ b_{\mathrm{2,1}}& b_{\mathrm{2,2}}& b_{\mathrm{2,3}}\end{array}\right)}_{2\×3}$ 的数值，此例中 $B=\left(\begin{array}{ccc}1.772& -0.9195& 0.1362\\ -0.0173& -0.0203& 0.0277\end{array}\right).$

步骤S3.检测中央空调空气处理单元的风机的实时转速，并计算实时转速与额定转速的比值。

在本实施例中，采用转速传感器来测量中央空调空气处理单元的风机的实时转速。额定转速是机械设备在正常运行的工作状况下的转速。由制造厂家或有关技术部门对该设备进行技术鉴定后确定。其值通常在机械设备的铭牌上载明。

步骤S4.根据步骤S2中拟合处理结果以及步骤S3中实时转速与额定转速的比值得出风机的实时能耗。

如图4所示，基于以上结果，步骤S4又具体分为以下步骤：

S41.计算电机在额定转速下的输入有功功率P₁₀₀：

P₁₀₀＝P_N/η    (6)

式中，η为风机的效率，P_N为额定功率。

S42.根据步骤S22和S41的计算结果，按如下公式计算有功功率与归一化转速的拟合参数a₁,a₂,a₃；

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{P}_{100}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{b}_{\mathrm{1,1}}& b_{\mathrm{1,2}}& b_{\mathrm{1,3}}\\ b_{\mathrm{2,1}}& b_{\mathrm{2,2}}& b_{\mathrm{2,3}}\end{array}\right)$

S43.根据步骤S3中的检测风机实时转速与额定转速的比值和S42中拟合参数的计算结果，按照如下公式计算风机实时耗用的有功功率P：

P＝f(n)＝a₁n²+a₂n+a₃    (8)

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，其特征在于：包括如下步骤:

S1.控制中央空调空气处理单元的风机在额定功率和额定转速状态下工作，并获取中央空调的空气处理单元的输入有功功率；

S2.控制中央空调空气处理单元的风机以不同转速进行工作，并检测风机在各转速下的输入有功功率，并将转速与输入有功功率进行拟合处理；

S3.检测中央空调空气处理单元的风机的实时转速，并计算实时转速与额定转速的比值；

S4.根据步骤S2中拟合处理结果以及步骤S3中实时转速与额定转速的比值得出风机的实时能耗。

2.根据权利要求1所述一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，其特征在于：步骤S2所述输入有功功率与转速的拟合处理,包括如下过程：建立有功功率与转速的关系模型:

$P_{i,k}=\underset{n=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,i}{n}_k^{m-n+1}$

公式中，i为中央空调系统空气处理单元编号，k为转速调节编号，m为拟合阶数，a为拟合参数，n_k为将第i台中央空调空气处理单元的风机第k次调速的转速归一化数值，P_i,k为将第i台中央空调空气处理单元的风机调节至n_k时消耗的有功功率；其中当k为最大值k_max时，n_kmax为额定转速，P_i,kmax为第i台中央空调空气处理单元的风机调节额定转速下消耗的有功功率；

分别控制各个不同额定功率的中央空调空气处理单元的风机在设定转速下进行工作，检测并记录对应的有功功率数值，根据如下公式：

P＝AN

其中，P为输入有功功率矩阵，A为拟合系数矩阵，N为归一化转速矩阵；

将上述两个关系公式进行拟合处理，拟合结果为当且仅当m＝2时A矩阵的列向量与P_i,kmax呈线性关系，得到结果：

P＝AN＝(A₁ A₂ A₃)N

分别将A₁、A₂、A₃与P_i,kmax再次进行拟合，获取拟合参数。

3.根据权利要求1所述一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，其特征在于：步骤S4根据如下公式得出实时能耗：

P＝f(n)＝a₁n²+a₂n+a₃

式中P为风机的实时能耗，a₁,a₂,a₃为步骤S2中拟合处理的拟合参数，n为中央空调空气处理单元的风机的转速归一化数值，即实际转速与额定转速的比值。

4.根据权利要求2所述一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，其特征在于：对中央空调空气处理单元的风机实时能耗的检测过程中，对转速进行了数据归一化处理。

5.根据权利要求4所述一种中央空调系统空气处理单元实时能耗的检测方法，其特征在于：步骤S1所述输入有功功率是中央空调空气处理单元的风机额定功率与效率的比值。