CN105605753A - 基于多联机与新风机复合空调系统的新风送风温控系统 - Google Patents

Abstract

一种基于多联机与新风机复合空调系统的新风送风温控系统，包括：存储模块、新风量计算模块、多联机制冷系数计算模块、新风机制冷系数计算模块、负荷优化模块和新风送风温度再设定模块，本发明通过对多联机和新风机的负荷和能效比进行优化分配，合理调节新风机的新风送风温度，在保证新风供应量的同时控制室内温度，提高复合空调系统的运行稳定性，降低其能耗。

Description

基于多联机与新风机复合空调系统的新风送风温控系统

技术领域

本发明涉及的是一种建筑环境与设备控制领域的技术，具体是一种基于多联机与新风机复合空调系统的新风送风温控系统。

背景技术

变频多联式空调系统(VariableRefrigerantVolume，VRV，简称多联机)具有系统简洁、可靠性高、可实现模块化设计安装等优点。多项研究表明，在相同条件下多联机系统比其他传统空调系统具有更好的节能特性，但其因为无新风引入而无法独立保证室内空气品质的缺点长期未得到妥善的解决。随着人们对居住环境的要求越来越高，室内空气品质(IndoorAirQuality,IAQ)成为建筑环境系统中非常重要的指标。

空调系统应能提供足够的室外新风以稀释室内被污染的空气从而改善室内空气品质。当新风量不足时，室内污染物浓度升高，空气品质下降，将使得长期生活和工作在其中的人们表现出一系列病态反应，如头晕、恶心、胸闷、乏力、困倦等。从室内空气品质的角度，引入的新风量越多越好，然而，在大多数情况下，利用经过处理的新风来提高室内空气品质将付出巨大的能耗代价。据统计，在高温高湿的夏季，新风负荷约占整个空调负荷的30％。因此，要通过合理的手段来平衡改善室内空气品质与降低能耗之一相互矛盾的关系。与多联机系统配合的最常见的通风设备是热回收式通风器(EnergyRecoveryVentilator,ERV)，它能回收排风中的一部分能量从而降低一定的能耗。然而，大多数时候通过ERV的风量是固定的，导致在某些工况下出现引入过量新风，导致能量浪费。可行的解决办法之一是构建多联机与新风机(OutdoorAirProcessor，OA)复合的空调系统，这种系统将可以同时利用两者各自的优点并解决多联机系统的通风问题。

目前国内外对多联机与新风机复合空调系统的研究仍然十分缺乏，特别是以能量为控制对象对多联机与新风机的联合优化控制尚未见报道。在此类复合空调系统中，多联机机组的运行控制相对简单，因为其目的主要是为了将室内温度控制在设定值上。对于新风机，其送风温度控制则存在一定的复杂性。新风送风温度高低不仅影响新风机机组的运行特性与能耗，也对多联机的运行产生影响。随机的新风送风温度设定值将无法使系统运行在稳定高效的水平上，相反，优化控制新风送风温度将提高复合空调系统的能效、降低能耗。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101266464，公开(公告)日2008.09.17，公开了一种基于VAV空调新风优化分配的控制器，输入模块采集所需的数据送到存储模块，存储模块存储所需要的数据，新风量计算和控制模块计算系统总新风需求量和各区域的新风需求比，找到其中最大的新风需求比，以该值为系统送风的新风比设定值，按PID控制将结果传递给风阀控制器；再冷控制模块计算各区末端的送风设定焓值，传递给焓差控制的水流量调节模块，该模块根据经过末端盘管后的送风设定焓值和采样值按PID控制将阀位信息传递水阀执行器。但该技术缺乏对室内送风温度的控制，影响系统的运行性能的稳定与能耗；并且与本发明相比，其无法解决的技术问题包括1)虽然没有引进新风负荷，但实际上对盘管末端采取了辅助加热或制冷，增加了系统的能耗和复杂性；2)只适用于VAV的空调系统，而不能解决与多联机的联合使用问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于多联机与新风机复合空调系统的新风送风温控系统，通过对多联机和新风机的负荷和能效比进行优化分配，合理调节新风机的新风送风温度，在保证新风供应量的同时控制室内温度，提高复合空调系统的运行稳定性，降低其能耗。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：存储模块、新风量计算模块、多联机制冷系数(CoefficientOfPerformance,COP)计算模块、新风机制冷系数计算模块、负荷优化模块和新风送风温度再设定模块，其中：新风量计算模块调用存储模块中预存的需求量关系得到最小新风需求量；多联机制冷系数计算模块调用存储模块中的实时参数信息得到室内机风量，并计算得到多联机的机组制冷系数；新风机制冷系数计算模块调用存储模块中的实时参数信息进行计算，得到新风机的机组制冷系数；负荷优化模块分别根据最小新风需求量、多联机的机组制冷系数和新风机的机组制冷系数，对所述多联机与新风机复合空调系统的总负荷调用存储模块中的实时参数信息进行优化分配，得到新风送风温度的再设定值；新风送风温度再设定模块根据当前测量值和负荷优化模块得到的新风送风温度的再设定值，通过PID控制得到阀位信号并输出。

所述的参数信息包括：系统参数信息、多联机参数信息和新风机参数信息。

所述的系统参数信息包括：上一采样时刻和当前采样时刻的室外温度、室内温度、湿度和室内温度设定值。

所述的多联机参数信息包括：多联机额定制冷系数、输入功率、送风温度、送风湿度、室内机的风速挡位与风量的关系。

所述的新风机参数信息包括：新风机额定制冷系数、输入功率、新风量、新风进风温度、新风送风温度和新风送风湿度。

所述的需求量关系是指：V_f＝V_p·P+V_A·A，其中：V_f为最小新风需求量，V_p为每人所需新风量，P为室内总人数，V_A为每平方米建筑面积所需的新风量，A为空调区域面积。

所述的多联机的机组制冷系数和新风机的机组制冷系数的估计公式相同，为：COP＝EIR·COP_rated，其中：EIR为修正因子，COP_rated为额定制冷系数。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过优化分配多联机与新风机的能耗负荷，多联机与新风机均运行在高效率区，降低多联机与新风机复合空调系统的总能耗，提高多联机与新风机复合空调系统的整体能效比。

附图说明

图1为本发明示意图；

图中：1为输入模块，2为存储模块，3为新风量计算模块，4为多联机制冷系数计算模块，5为新风机制冷系数计算模块，6为负荷优化模块，7为新风送风温度再设定模块，8为输出模块。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：输入模块1、存储模块2、新风量计算模块3、多联机制冷系数计算模块4、新风机制冷系数计算模块5、负荷优化模块6、新风送风温度再设定模块7和输出模块8，其中：输入模块1将采集到的参数信息输入存储模块2存储；新风量计算模块3调用存储模块2中预存的需求量关系得到最小新风需求量；多联机制冷系数计算模块4调用存储模块2中的实时参数信息得到多联机的机组制冷系数；新风机制冷系数计算模块5调用存储模块2中的实时参数信息进行计算，得到新风机的机组制冷系数；负荷优化模块6根据最小新风需求量、多联机的机组制冷系数和新风机的机组制冷系数对所述多联机与新风机复合空调系统的总负荷调用存储模块2中的实时参数信息进行优化分配，得到新风送风温度的再设定值；新风送风温度再设定模块7根据当前测量值和负荷优化模块6得到的新风送风温度的再设定值，通过PID控制得到阀位信号并输出至输出模块8；输出模块8将阀位信号的控制指令传递给执行器，以控制新风机的电子膨胀阀的开度。

所述的参数信息包括：上一采样时刻和当前采样时刻的室外温度、室内温度、湿度，各多联机室内机的风速挡位、送风温度、送风湿度，新风机进风温度、送风温度、送风湿度，室内温度设定值和机组输入功率。

所述的需求量关系是指：V_f＝V_p·P+V_A·A，其中：V_f为最小新风需求量，V_p为每人所需新风量，P为室内总人数，V_A为每平方米建筑面积所需的新风量，A为空调区域面积。

所述的室内总人数P由存储模块2预先存入的室内人数与时间的函数关系求得。

所述的新风量计算模块3计算各区域人数，并确定新风需求量，作为新风机的流量。

所述的新风需求量的确定标准为ASHRAEStandard62-2007的通风标准。

所述的多联机的机组制冷系数和新风机的机组制冷系数的估计公式相同，为：COP＝EIR·COP_rated，其中：EIR为修正因子，COP_rated为额定制冷系数。

所述的修正因子EIR(t)＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)(t-t₁)+...+a_n(t-t₀)(t-t₁)…(t-t_n-1)，其中：t₀,t₁,...,t_n-1为时间，系数a₀,a₁,a₂,...,a_n由COP(t_i)＝EIR(t_i)·COP_rated＝COP_i解得：，其中：t_i为监测时刻，COP_i为t时刻的制冷系数，COP(t_i)为时刻t_i监测的制冷系数。

所述的系数a₀,a₁,a₂,...,a_n可预先写入存储模块2中，并允许修改设定。

所述的优化分配包括以下步骤：

步骤1、根据当前采样时刻和上一采样时刻的参数信息，计算多联机与新风机复合空调系统的总负荷：其中：为k时刻总负荷，为k时刻房间内部负荷，为k时刻新风机的制冷量。

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{int}er}^k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\{M_i{c}_p\frac{T_i^k-T_i^{k-1}}{\mathrm{\Δ}t}+\[\frac{m_{s,VRV,i}^{k-1}+m_{s,VRV,i}^k}{2}{c}_p(T_i^{k-1}-T_{s,VRV,i}^{k-1})+\frac{m_{s,OA,i}^{k-1}+m_{s,OA,i}^k}{2}{c}_p(T_i^{k-1}-T_{s,OA}^{k-1})\]\},$ 其中：M为空气质量，c_p为空气的比定压热容，T为温度，Δt为采样间隔，为多联机k时刻的空气质量流量，为k-1时刻多联机送风温度，为k时刻新风机的空气质量流量，为k-1时刻新风机新风送风温度，N为空调区域数，i为第i个空调区域，k为第k时刻。

其中：为k时刻新风机送风空气质量流量，为k-1时刻新风机送风空气焓值，为k时刻新风机进风空气焓值，h为空气焓值。

所述的空气焓值h的计算公式为：h＝1.006T+d(2501+1.85T)，其中：T为温度。

步骤2、记新风机的负荷分配比为x，则变频工况下复合空调系统的总能耗W_total为：

$W_{total}={\stackrel{\·}{Q}}_{total}(1-x)\left({\mathrm{EIR}}_{VRV}\right)\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}(1-x)}{{\stackrel{\·}{Q}}_{rated,VRV}}+{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\·x\·\left({\mathrm{EIR}}_{OA}\right)\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\·x}{{\stackrel{\·}{Q}}_{rated,OA}},$ 其中：EIR_VRV为多联机的修正因子，EIR_OA为新风机的修正因子。

步骤3、对上一步骤的公式求导，并令结果等于0，即得最优负荷分配比x_opt：

$\frac{{\mathrm{dW}}_{total}}{dx}{|}_{x=x_{opt}}=2(k_1+k_2)x-2k_2=0,x_{opt}=k_2/(k_1+k_2),$ 其中： $k_1=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}^2}{{\mathrm{EIR}}_{OA}{\stackrel{\·}{Q}}_{rated,OA}},$ $k_2=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}^2}{{\mathrm{EIR}}_{VRV}{\stackrel{\·}{Q}}_{rated,VRV}}.$

步骤4、根据上一步骤得到的最优负荷分配比计算新风送风温度的再设定值T_s,OA,set：

a)制冷模式下：其中：T_s,OA,meas为新风送风温度当前采样时刻的测量值。

b)制热模式下：

所述的负荷优化模块6优化复合空调系统负荷的分配比以使多联机与新风机复合空调系统的总能耗降低，多联机与新风机均运行在高效率区，提高多联机与新风机复合空调系统的整体能效比。

Claims (9)

1.一种基于多联机与新风机复合空调系统的新风送风温控系统，其特征在于，包括：存储模块、新风量计算模块、多联机制冷系数计算模块、新风机制冷系数计算模块、负荷优化模块和新风送风温度再设定模块，其中：新风量计算模块调用存储模块中预存的需求量关系得到最小新风需求量，多联机制冷系数计算模块调用存储模块中的实时参数信息得到多联机的机组制冷系数，新风机制冷系数计算模块调用存储模块中的实时参数信息进行计算，得到新风机的机组制冷系数，负荷优化模块分别根据最小新风需求量、多联机的机组制冷系数和新风机的机组制冷系数，对所述多联机与新风机复合空调系统的总负荷调用存储模块中的实时参数信息进行优化分配，得到新风送风温度的再设定值，新风送风温度再设定模块根据当前测量值和负荷优化模块得到的新风送风温度的再设定值，通过PID控制得到阀位信号并输出。

2.根据权利要求1所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的需求量关系是指：V_f＝V_p·P+V_A·A，其中：V_f为最小新风需求量，V_p为每人所需新风量，P为室内总人数，V_A为每平方米建筑面积所需的新风量，A为空调区域面积。

3.根据权利要求1所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的多联机的机组制冷系数和新风机的机组制冷系数的估计公式相同，为：COP＝EIR·COP_rated，其中：EIR为修正因子，COP_rated为...；

所述的修正因子EIR(t)＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)(t-t₁)+...+a_n(t-t₀)(t-t₁)…(t-t_n-1)，其中：t₀,t₁,...,t_n-1为时间，系数a₀,a₁,a₂,...,a_n由COP(t_i)＝EIR(t_i)·COP_rated＝COP_i解得，t_i为监测时刻，COP_i为t时刻的制冷系数，COP(t_i)为时刻t_i监测的制冷系数。

4.根据权利要求1所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的优化分配包括以下步骤：

步骤1、根据当前采样时刻和上一采样时刻的参数信息，计算复合空调系统的总负荷；

步骤2、根据新风机的负荷分配比，计算变频工况下复合空调系统的总能耗；

步骤3、对上一步骤的总能耗公式求导，并令结果等于0，即得最优负荷分配比；

步骤4、根据上一步骤得到的最优负荷分配比计算新风送风温度的再设定值。

5.根据权利要求4所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的总负荷其中：为k时刻房间负荷.，为k时刻新风机的制冷量；

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{int}er}^k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left\{M_i{c}_p\frac{T_i^k-T_i^{k-1}}{\mathrm{\Δ}t}+\[\frac{m_{s,VRV,i}^{k-1}+m_{s,VRV,i}^k}{2}{c}_p\left(T_i^{k-1}-T_{s,VRV,i}^{k-1}\right)+\frac{m_{s,OA,i}^{k-1}+m_{s,OA,i}^k}{2}{c}_p\left(T_i^{k-1}-T_{s,OA}^{k-1}\right)\]\right\},$ 其中：M为空气质量，c_p为空气的比定压热容，T为温度，Δt为采样间隔，为k时刻多联机的空气质量流量，为k-1时刻多联机送风温度，为k时刻新风机的空气质量流量，为k-1时刻新风机新风送风温度，N为空调区域数，i为第i个空调区域；所述的新风机k时刻的制冷量其中：为k时刻新风机送风空气质量流量，为-1k时刻新风机送风空气焓值，为k-1时刻新风机进风空气焓值，h为空气焓值。

6.根据权利要求5所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的空气焓值h的计算公式为：h＝1.006T+d(2501+1.85T)，其中：T为温度。

7.根据权利要求4所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的总能耗W_total为：

$W_{total}={\stackrel{\·}{Q}}_{total}\left(1-x\right)\left({\mathrm{EIR}}_{VRV}\right)\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\left(1-x\right)}{{\stackrel{\·}{Q}}_{tated,VRV}}+{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\·x\·\left({\mathrm{EIR}}_{OA}\right)\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\·x}{{\stackrel{\·}{Q}}_{tated,OA}},$ 其中：EIR_VRV为多联机的修正因子，EIR_OA为新风机的修正因子。

8.根据权利要求4所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的步骤3具体为： $\frac{{\mathrm{dW}}_{total}}{dx}{|}_{x=x_{opt}}=2(k_1+k_2)x-2k_2=0,$ x_opt＝k₂/(k₁+k₂)，其中： $k_1=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}^2}{{\mathrm{EIR}}_{OA}{\stackrel{\·}{Q}}_{rated,OA}},$ $k_2=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}^2}{{\mathrm{EIR}}_{VRV}{\stackrel{\·}{Q}}_{rated,VRV}}.$

9.根据权利要求4所述的新风送风温度控制系统，其特征是，所述的新风送风温度的再设定值在制冷模式下为： $T_{s,OA,set}=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{OA}}{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\·x}{T}_{s,OA,meas},$ 在制热模式下为： $T_{s,OA,set}=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{total}\·x}{{\stackrel{\·}{Q}}_{OA}}{T}_{s,OA,meas},$ 其中：T_s,OA,meas为新风送风温度当前采样时刻测量值。