CN104279692A - 中央空调能耗轨迹节能控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中央空调能耗轨迹节能控制方法，包括以下步骤：步骤A、测定制冷主机输出的冷量输出量；步骤B、测定使用环境中的各个末端设备的负荷需求量，根据末端设备的负荷需求量设定制冷主机设备的预设输出冷量；步骤C、开启末端设备，测定末端设备的实际输出冷量；步骤D、根据末端设备的负荷量调整制冷主机的实际输出冷量，使末端设备的负荷量与制冷主机的预设输出冷量趋于一致；步骤E、周期结束，关闭末端设备。本发明通过计算机实现冷冻水冷量供应按末端负荷的变化轨迹进行修正偏差调节，精确地在末端各种负荷条件下进行调节系统中的输出冷量，达到节能减排的效果。本发明还公开一种中央空调能耗轨迹节能控制系统。

Description

中央空调能耗轨迹节能控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种中央空调能耗轨迹节能控制方法及系统。

背景技术

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，中央空调得到越来越广泛地运用。在各类建筑物中，中央空调系统已经成为现代化建筑技术的重要标志之一，是现代建筑创造舒适、高效的工作和生活环境所不可缺少的重要基础设施。但中央空调又是建筑物中能耗最大的设备，它给我们带来舒适的空调环境的同时，也带来了巨大的能源消耗。

长期以来，特别是九十年代至本世纪初投入使用的设备，由于缺乏先进的控制技术手段和装备，大多数中央空调系统仍然采用传统的人工管理方式和简易开关控制设备，不能实现空调制冷效果跟随末端负荷的变化而及时和精准地进行随动调节，在部分负荷运行时造成能源浪费很大，致使建筑用能效率低下。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种中央空调能耗轨迹节能控制方法，包括以下步骤：

步骤A、测定制冷主机输出的冷量输出量；

步骤B、测定使用环境中的各个末端设备的负荷需求量，根据末端设备的负荷需求量设定制冷主机设备的预设输出冷量；

步骤C、开启末端设备，测定末端设备的实际输出冷量；

步骤D、根据末端设备的负荷量调整制冷主机的实际输出冷量，使末端设备的负荷量与制冷主机的预设输出冷量趋于一致；

步骤E、周期结束，关闭末端设备。

进一步的，所述步骤B中进一步包括以下步骤：

步骤B1、分别找出单个末端设备在运行周期内的末端负荷需求量随时间变化的函数方程式；

步骤B2、将各个的末端设备的负荷需求量的函数方程式进行叠加，求得末端的负荷需求总量。

进一步的，所述中央空调能耗轨迹节能控制方法还包括步骤F：将所述末端设备的负荷需求量进行测定并存入数据库。

进一步的，所述中央空调能耗轨迹节能控制方法还包括步骤G：对负荷环境中的人流量或热源进行检测，并根据感测结果对环境的负荷需求量进行设定。

一种中央空调能耗轨迹节能控制系统，包括依次连接的制冷主机、水泵系统、管网系统及末端设备，所述中央空调能耗轨迹节能控制系统还设有第一计算机及第二计算机，所述管网系统的输出端连接于所述第一计算机的输入端，所述第一计算机及第二计算机相互连接并进行数据通讯，所述第二计算机连接于水泵系统并与水泵系统进行数据通讯，所述水泵系统的输出端连接于第二计算机的输入端，所述制冷主机的输出端连接于第二计算机的输入端，所述第二计算机的输出端连接于所述制冷主机的输入端。

进一步的，所述第一计算机连接于互联网。

进一步的，所述中央空调能耗轨迹节能控制系统还设有人流识别装置或热源体识别装置，所述人流识别装置或热源体识别装置在第一计算机控制下对负荷环境中的人流量或人体发热量进行检测，并将检测结果回传至第一计算机。

相较于现有技术，本发明通过计算机实现冷冻水冷量供应按末端负荷的变化轨迹进行修正偏差调节，精确地在末端各种负荷条件下进行调节系统中的输出冷量，使末端负荷根据需求自动地进行按参变量输入的轨迹运行，并通过计算机技术和变频技术实施有效地调整冷冻泵和冷却泵的输出流量，使中央空调机组达到随动跟踪方式更有效地实现自动加载或减载过程，真正实现制冷主机的输出冷量跟随负荷需求变化而及时地和准确地进行随动调节，从而达到节能的目的。

附图说明

图1是年负荷变化曲线示意图。

图2是日负荷变化曲线示意图。

图3是百货商店的冷负荷曲线示意图。

图4是餐饮区域的冷负荷曲线示意图。

图5是写字楼区域的冷负荷曲线示意图。

图6是末端负荷的曲线叠加示意图。

图7是中央空调机组的冷量输出负荷曲线示意图。

图8是末端的需求总负荷与中央空调机组冷量输出负荷的叠加示意图。

图9是中央空调能耗轨迹节能控制系统的结构示意图。

图10是中央空调能耗轨迹节能控制系统的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

请参阅图1至图10，本发明提供了一种中央空调能耗轨迹节能控制方法及系统。

主要包括以下步骤：

步骤A、测定制冷主机输出的冷量输出量；

步骤B、测定使用环境中的各个末端设备的负荷需求量，根据末端设备的负荷需求量设定制冷主机设备的预设输出冷量；

步骤C、开启末端设备，测定末端设备的实际输出冷量；

步骤D、根据末端设备的负荷量调整制冷主机的实际输出冷量，使末端设备的负荷量与制冷主机的预设输出冷量趋于一致；

步骤E、周期结束，关闭末端设备。

步骤F：设置数据库，将不同工况及外界环境中的末端设备的负荷需求量进行测定并存入数据库。

在对中央空调的能耗控制过程中，由于空调负荷的多变性，在部分负荷时冷冻水系统常常在大流量、小温差状态下运行，造成冷冻水输送能耗的浪费。因此，根据负荷的变化动态调节冷冻水流量，对空调节能具有十分重要的意义。

空调末端所需的冷量一般情况下以人流量及外界天气为主要因素而变化。由于空调场所内人流量、照明和工艺设备的散热、散湿量随着室内人数的多少、照明系统的开启情况及工艺设备的使用情况而变化，因此，空调场所内冷负荷的需求量也随之变化。

人体的散热量和散湿量是中央空调系统的一种主要负荷。

Q=n·q

S=0.001ns

式中Q—人体散热量，W；

n—人流量

q—每个人散发的全热量，W；

S—人体散湿量，Kg/h;

s—每个人的散湿量，g/h.

在24℃的标准室温下，一个体重60kg的成年男人的散热量q和散湿量s如下表所示。

一成年男人的散热量q和散湿量s

活动程度	代表性活动场所	散热量q	散湿量s
				静坐	剧场、教室	108.2	56
轻微活动	办公室、旅馆	133.7	96
				轻度活动	商场站立作业、工厂轻劳动	181.4	167
中度活动	工厂的中等劳动	234.9	219
				重度活动	工厂的重劳动	407.1	491

由于人的流动性变化大，这种变化会造成中央空调系统实际负荷（即末端的需冷量）的大幅波动，这种波动不仅随时间而变化，而且还随空调区域的变化而变化。综上所述，空调系统年负荷和日负荷变化曲线（按广东地区为例）如图1和图2所示。

空调系统在全年运行中，由于多种因素的综合影响，空调负荷是动态变化的，且经常处于波动之中。目前为了解决冷冻水的大流量、小温差现象，大多数节能公司都会采取给冷冻水泵加装变频器，来达到冷冻水系统变流量运行的目的。

中央空调末端设备主要有空气处理机、新风机、风机盘管送风、排风系统等。由于末端设备的安装位置遍布整个建筑物中，各个区域的空调场所对温度的要求也不尽相同，难以集中控制。在实际使用中大多数采用就地控制方式，温控器根据设定温度与实际检测温度的比较、运算，自动控制电动二通阀的开关或三速转换与启停，通过控制流经盘管的水流量或流经盘管表面的风量来达到对使用者方便调节的目的。故此，大多数既有建筑的末端设备均不采用集中智能控制，末端设备特点包括:（1）、数量大，运行时间长，其能耗很大；（2）、使用效率直接影响制冷剂和载冷剂的变化；（3）、末端设备的控制与主机智能化控制有着直接的关系。

根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）的指导原则，总冷负荷Q_m等于各末端设备的末端负荷之和，即：

Q_m=Q₁+Q₂+Q₃+……+Q_n

在实际使用中，以一年为一个运行周期为例，末端设备的同期使用率和负荷的波动等因素等致使实际的末端负荷之和远少于总冷负荷Q_m。从大多数的工程案例中得出制冷主机的理论冷量输出量Q_设、制冷主机的实际冷量输出量Q_装及末端设备的实际负荷Q_实符合如下的负荷关系式：

Q_设≥Q_装······································（1）

Q_装≥Q_实······································（2）

即：Q_设≥Q_装≥Q_实

在全年的中央空调设备运行中有特殊的酷热天气为设备满负荷工作，所需的冷负荷约占全年冷负荷的5%左右；而大部分时间中央空调设备运行则是非满负荷工作，这时段所需的冷负荷约占全年冷负荷的95%左右。

中央空调在全年运行中的负荷关系式由（2）式展开转换为：

Q_装=Q_实（该时段占所需的冷负荷占全年冷负荷的5%）；

Q_装＞Q_实（该时段占所需的冷负荷占全年冷负荷的95%）；

而在实际运行中因受运行工人的技术水平和经验的局限性，却难以实施Q_装=Q_实。因此，绝大多数中央空调系统运行在Q_装的冷量输出状态，因而普遍存在大量的浪费。

按上述可假设认为空调末端负荷包含二个组成部份，第一部份是属于在使用时间内的需求负荷，可看作已知的实际负荷Q_实，第二部份是属于运行中制冷主机输出的冷量Q_装与实际负荷Q_实的差值，即是存在过度冷量输出部份，称为Q_耗。

故此可得出：

Q_装=Q_实+Q_耗

式中Q_装：制冷主机的冷量输出量，可由制冷主机的出力数据得到。

    Q_实：实际末端负荷的总量叠加所需求的冷量是一变化中的变量。

    Q_耗：超过实际需求的冷量输出，是跟随Q_实被动变化的一个消耗量。

因此找出Q_耗则是节能的关键问题，可通过尽可能降低Q_耗以达到节能的目的。

步骤B中进一步包括以下步骤：步骤B1、分别由比例积分阀找出单个末端设备在运行周期内的末端负荷需求量随时间变化的函数方程式；步骤B2、将各个的末端设备的负荷需求量的函数方程式进行叠加，求得末端的负荷需求总量。

由于

Q_耗=Q_装－Q_实

其中Q_装的运行数据可通过制冷主机和冷冻水泵、冷却水泵的运行数据得出，要想找出Q_耗，关键是解决找到末端运行的实际负荷Q_实，而末端是由无数个不同属性，不同要求的终端负荷构成，它们的负荷曲线均处于不同的变化中，并非线性关系。

以综合商业大厦为例，综合商业大厦的全负荷运行的实际冷量表达式为：

Q_实=Q₁+Q₂+Q₃+········+Q_n

式中：

Q_实—末端冷负荷的叠加汇总。

Q₁····Q_n—各个末端设备的末端冷负荷。如：商场，餐饮，写字楼，宾馆，电影院等。而每个末端都有着不同的时间段对冷量的需求和特性，因而具有不同的运行曲线。下面我们对各类末端负荷的运行曲线与制冷的冷量输出曲线进行比较：

如图3所示百货商店的冷负荷曲线。其中所需冷负荷就是图中阴影部分的面积，用积分计算出百货商店的冷负荷：

$Q_1=K{\∫}_a^b{f}_1\left(t\right)\mathrm{dt}$

如图4所示餐饮区域的冷负荷曲线。所需冷负荷就是图中阴影部分的面积，用积分计算出餐饮区域的冷负荷：

$Q_2=K{\∫}_c^d{f}_2\left(t\right)\mathrm{dt}$

如图5所示写字楼区域冷负荷曲线。所需冷负荷就是图中阴影部分的面积，用积分计算出写字楼区域的冷负荷：

$Q_3=K{\∫}_e^h{f}_3\left(t\right)\mathrm{dt}$

综合商业大厦内有若干个不同时段需求的冷负荷则可由比例积分阀找出其函数的方程式。比例积分阀函数方程式可从工程手册中查出。其中，f₁(t)··········f_n(t)·为各末端负荷的运行函数，其函数方程式f_n(t)的轨迹通过积分运算可得出Q_n值。如下式：

$Q_n=K{\∫}_{t_1}^{t_2}{f}_n\left(t\right)\mathrm{dt}$

通过上述末端冷负荷的需求量，可由叠加原理求得末端总冷负荷的实际需求冷量：

主机冷量输出的函数表达式：

则Q_耗由下式计算出来：

通过各末端负荷的曲线叠加得f_实(t)的函数曲线和末端总负荷量Q_实如图6所示，而原中央空调机组的冷量负荷曲线f_装(t)和冷负荷输出量Q_装如图7所示。如图8所示，如将中央空调机组冷负荷量的输出函数轨迹f_装(t)与机组末端设备所需冷负荷量的函数轨迹f_实(t)按叠加原理，则可得出f_耗(t)的函数轨迹和Q_耗=Q_装-Q_实存在的时间和区域。

由曲线图出现的Q_耗，则证明在上述的假设公式Q_装=Q_实+Q_耗成立，系统理想的运行模式为：

Q_设=Q_装=Q_输=Q_实，即Q_耗=0。因此在本实施例中，节能措施就是尽可能减少Q_耗，使Q_耗下降至一个最小值,达到最大的节能效果。从而实现中央空调系统节能最大化。

一种中央空调能耗轨迹节能控制系统，包括依次连接的制冷主机11、水泵系统12、管网系统13及末端设备14。中央空调能耗轨迹节能控制系统还设有第一计算机15及第二计算机16。管网系统13的输出端连接于所述第一计算机15的输入端，第一计算机15及第二计算机16相互连接并进行数据通讯。所述第二计算机16连接于水泵系统12并与水泵系统12进行数据通讯。水泵系统12的输出端连接于第二计算机的输入端，制冷主机11的输出端连接于第二计算机的输入端，第二计算机的输出端连接于所述制冷主机11的输入端。

其中，第一计算机15可连接于互联网，从而对制冷主机11进行远程控制。同时，第一计算机15可作为数据存储服务器，用于对能耗数据进行存储、分析。

如图9所述，为了实现Q_装=Q_实的节能目标，在系统的改造过程中引入了计算机技术进行系统的智能控制模式，并将原中央空调控制系统改为全闭环的运行方式实现Q_耗的最小化。如图10所示，是本发明的中央空调能耗轨迹节能控制系统的另一实施例，本实施例与前述实施例大致相同，包括依次连接的制冷主机21、水泵系统22、管网系统23及末端设备24、第一计算机25、第二计算机26。不同之处在于：在本实施例中，中央空调能耗轨迹节能控制系统还设有人流识别装置28或/及热源体识别装置27，所述人流识别装置28及热源体识别装置27连接于第一计算机25，所述人流识别装置28或热源体识别装置27用于对人流量或人体发热量进行检测、识别。相对应，在使用本实施例中的中央空调控制系统时，还具有以下步骤：

人流识别装置28或热源体识别装置27在第一计算机25控制下对负荷环境中的人流量或人体发热量进行检测，并将检测结果回传至第一计算机25。第一计算机25根据人流识别装置28或热源体识别装置27的所检测的检测结果对环境的负荷需求量进行设定。且人流识别装置28或热源体识别装置27可根据人流量的变化实时更新检测结果，第一计算机25根据检测结果根据人流量、使用时段及其他参数调整负荷需求量，进而调整制冷主机21的输出冷量，从而在满足使用需求的同时达到节能减排的目的。

使用者可预先将运行数据、各运行模式的参变量及比例积分阀的相关函数方程式存入第一计算机中，要求第一计算机按实际的需求模拟出函数方程轨迹，对系统进行检测、比较、修正，模拟出一条接近真实的末端设备变化轨迹f_实(t)进行运行。通过计算机实现冷冻水冷量供应按末端设备的变化轨迹进行修正偏差调节，精确地在末端各种负荷条件下进行调节系统中的f(t)（比例积分阀），使末端设备根据需求自动地进行按参变量输入的轨迹运行，并通过计算机技术和变频技术实施有效地调整冷冻泵和冷却泵的输出流量，使中央空调机组达到随动跟踪方式更有效地实现自动加载或减载过程（目前机组是带有自动加载或减载功能），真正实现制冷主机的输出冷量跟随f(t)（比例积分阀）的变化而及时地和准确地进行随动调节，从而达到节能的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种中央空调能耗轨迹节能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A、测定制冷主机输出的冷量输出量；

步骤B、测定使用环境中的各个末端设备的负荷需求量，根据末端设备的负荷需求量设定制冷主机设备的预设输出冷量；

步骤C、开启末端设备，测定末端设备的实际输出冷量；

步骤D、根据末端设备的负荷量调整制冷主机的实际输出冷量，使末端设备的负荷量与制冷主机的预设输出冷量趋于一致；

步骤E、周期结束，关闭末端设备。

2.根据权利要求1所述中央空调能耗轨迹节能控制方法，其特征在于：所述步骤B中进一步包括以下步骤：

步骤B1、分别找出单个末端设备在运行周期内的末端负荷需求量随时间变化的函数方程式；

步骤B2、将各个的末端设备的负荷需求量的函数方程式进行叠加，求得末端的负荷需求总量。

3.根据权利要求1所述中央空调能耗轨迹节能控制方法，其特征在于：所述中央空调能耗轨迹节能控制方法还包括步骤F：将所述末端设备的负荷需求量进行测定并存入数据库。

4.根据权利要求1所述中央空调能耗轨迹节能控制方法，其特征在于：所述中央空调能耗轨迹节能控制方法还包括步骤G：对负荷环境中的人流量或热源进行检测，并根据检测结果对环境的负荷需求量进行设定。

5.一种中央空调能耗轨迹节能控制系统，其特征在于：包括依次连接的制冷主机、水泵系统、管网系统及末端设备，所述中央空调能耗轨迹节能控制系统还设有第一计算机及第二计算机，所述管网系统的输出端连接于所述第一计算机的输入端，所述第一计算机及第二计算机相互连接并进行数据通讯，所述第二计算机连接于水泵系统并与水泵系统进行数据通讯，所述水泵系统的输出端连接于第二计算机的输入端，所述制冷主机的输出端连接于第二计算机的输入端，所述第二计算机的输出端连接于所述制冷主机的输入端。

6.根据权利要求1所述的中央空调能耗轨迹节能控制系统，其特征在于：所述第一计算机连接于互联网。

7.根据权利要求1所述的中央空调能耗轨迹节能控制系统，其特征在于：所述中央空调能耗轨迹节能控制系统还设有人流识别装置或热源体识别装置，所述人流识别装置在第一计算机控制下对负荷环境中的人流量进行检测，所述热源体识别装置在第一计算机控制下对负荷环境中的人体发热量进行检测，所述人流识别装置或热源体识别装置并将检测结果回传至第一计算机。