CN106642469A

CN106642469A - 带中庭公建的冷水机组夏季能源优化分配系统

Info

Publication number: CN106642469A
Application number: CN201611242863.5A
Authority: CN
Inventors: 汪语哲
Original assignee: Dalian Baoguang Energy Saving Air Conditioning Equipment Factory
Current assignee: Dalian Baoguang Energy Saving Air Conditioning Equipment Factory
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2017-05-10

Abstract

一种带中庭公建的冷水机组夏季能源优化分配系统，针对采用冷水机组制冷的写字楼夏季普遍存在的“顶层过冷，底层过热”等问题，本发明以顶、底层楼宇的平均温度误差和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势作为判别依据，采用基于改进模糊规则制定的先进模糊专家控制算法，适度降低顶层水阀的开度，适度提高底层水阀的开度，在某写字楼冷水机组上进行了实现。该项技术可以保证在不增加冷机台数和水泵泵开启台数的前提下，将更多的循环冷水流过较低的楼层，使写字楼各层的温度都能保持在令人满意的范围内，节能效果明显。

Description

带中庭公建的冷水机组夏季能源优化分配系统

技术领域

本发明属于提高能源利用效率领域，涉及一种带中庭公建的冷水机组制冷系统。

背景技术

一般的冷水机组由机组系统和末端设备构成。机组系统的主要任务是产生适当温度的循环水，而后采用循环泵将这些循环水送至末端设备，通过风机盘管等部件和室内空气进行换热，经换热的后的循环水流经回水管回流机组，完成整个空气调节过程。

为有效利用冷量，机组产生的循环水应在各个楼层间进行合理的分配，这一目标可通过安装在各个楼道上的阀门实现，整个冷水机组各层供回水回路示意图见图1。

如图1，为合理分配机组产生的冷热能，在每层楼宇的进水管上均安装了手动阀门和自动阀门，通过调节阀门的开度改变循环水在每层楼宇的分配。阀门的开度一般由PID(比例，微分，积分)算法决定。具体来讲，安装在各层的温度传感器测量各层的实际温度，通过同各层的设定温度(预期控制目标温度)进行对比，确定控制偏差，同时计算控制偏差的瞬时变化趋势(微分D)和累计变化趋势(积分I)，通过三者的线性组合来决定阀门的开度。

一般来讲，上述PID控制算法在夏季基本能够满足控制要求。然而，上述控制算法用于夏季工况下带中庭公建的冷水机组水阀的开度调节，则会产生明显的“顶层过热，底层过冷”问题。其主要原因在于，热空气比重较小，底层的热空气会逐渐漂移到顶层，带中庭公建的开放式设计便于热空气的漂移，因而这一问题在此类建筑中十分明显。而传统PID控制算法对于这种变化缺乏自适应调节能力，因而往往造成这类建筑夏季明显的“顶层过热，底层过冷”的问题。

为解决上述问题，本专利拟带中庭公建，设计一套夏季冷水机组节能控制系统。

发明内容

针对带中庭公建的夏季制冷过程中普遍存在的“顶层过热，底层过冷”问题，本发明提供了一种能够通过智能调节顶、底层水阀开度优化解决上述问题的商用冷水机组冬季末端能源优化分配系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案为：

一种带中庭公建的冷水机组能源优化分配系统，包括带中庭公建的冷水机组能源优化节能的初步设计理念，节能算法的工作流程，其特征在于：

带中庭公建的冷水机组的节能的初步设计理念在于，夏季制冷工工况下，在机组开启和水泵开启台数一定的情况下，单位时间内，由机组供给末端的循环水总量一定，由循环水提供给末端的总热量也一定；此时如果调小顶层的阀门将降低该层的供水量，调大底层的阀门将提高该层的供水量，则可以将更多冷量分配到低层。

节能算法工作流程的特征在于，分别采用顶层楼宇的平均温度误差E₁和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁，以及底层楼宇的平均温度误差E₂和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂作为系统输入，采用基于先进模糊规则制定的先进模糊专家控制算法，计算顶、底层水阀的开度。

进一步的，上述基于先进模糊规则制定的模糊专家算法分为模糊变量选取，变量模糊化，模糊规则制定，模糊决策实现等四部分。

对于模糊变量的选取部分，采用顶、底层楼宇的平均温度误差E₁和E₂，以及顶、底层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁和EC₂作为模糊变量。

对于变量模糊化部分，采用以下模糊集合描述顶层楼宇的平均温度误差E₁：

{NB,NS,ZE,PS,PB} (1)

其中NB表示误差为负大，NS表示误差为负小，ZE表示误差为零，PS表示误差为正小，PB表示误差为正大。温度控制误差E对于模糊集合中的模糊变量的隶属度函数曲线如图2所示。

采用以下模糊集合描述顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁：

{NB,NS,ZE,PS,PB} (2)

其中NB表示误差为负大，NS表示误差为负小，ZE表示误差为零，PS表示误差为正小，PB表示误差为正大。温度控制误差变化趋势EC对于模糊集合中的模糊变量的隶属度函数曲线如图3所示。

采用以下模糊集合描述底层楼宇的平均温度误差E₂：

{NB,NS,ZE,PS,PB} (3)

公式(3)中模糊变量的定义同公式(1)。温度控制误差E₂对于模糊集合中的模糊变量的隶属度函数曲线如图4所示。

采用以下模糊集合描述顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂：

{NB,NS,ZE,PS,PB} (4)

公式(4)中模糊变量的定义同公式(2)。温度控制误差变化趋势EC对于模糊集合中的模糊变量的隶属度函数曲线如图5所示。

对于模糊规则制定部分，分别根据顶层温度控制误差E₁，温度控制误差变化趋势EC₁，以及底层温度控制误差E₂，温度控制误差变化趋势EC₂，由实际工程经验出发，分别制定顶、底层水阀开度模糊控制问题，各自制定了二十五条模糊规则，具体如下：

针对顶层水阀开度模糊控制的二十五条模糊规则如下：

(1)If E₁ is NB,and EC₁ is NB,then u＝300％u_1，k；

(2)If E₁ is NB,and EC₁ is NS,then u＝200％u_1，k；

(3)If E₁ is NB,and EC₁ is ZE,then u＝180％u_1，k；

(4)If E₁ is NB,and EC₁ is PS,then u＝160％u_1，k；

(5)If E₁ is NB,and EC₁ is PM,then u＝120％u_1，k；

(6)If E₁ is NS,and EC₁ is NB,then u＝200％u_1，k；

(7)If E₁ is NS,and EC₁ is NS,then u＝160％u_1，k；

(8)If E₁ is NS,and EC₁ is ZE,then u＝130％u_1，k；

(9)If E₁ is NS,and EC₁ is PS,then u＝110％u_1，k；

(10)If E₁ is NS,and EC₁ is PB,then u＝100％u_1，k；

(11)If E₁ is ZE,and EC₁ is NB,then u＝120％u_1，k；

(12)If E₁ is ZE,and EC₁ is NS,then u＝110％u_1，k；

(13)If E₁ is ZE,and EC₁ is ZE,then u＝100％u_1，k；

(14)If E₁ is ZE,and EC₁ is PS,then u＝90％u_1，k；

(15)If E₁ is ZE,and EC₁ is PB,then u＝80％u_1，k；

(16)If E₁ is PS,and EC₁ is NB,then u＝110％u_1，k；

(17)If E₁ is PS,and EC₁ is NS,then u＝100％u_1，k；

(18)If E₁ is PS,and EC₁ is ZE,then u＝80％u_1，k；

(19)If E₁ is PS,and EC₁ is PS,then u＝70％u_1，k；

(20)If E₁ is PS,and EC₁ is PB,then u＝65％u_1，k；

(21)If E₁ is PB,and EC₁ is NB,then u＝90％u_1，k；

(22)If E₁ is PB,and EC₁ is NS,then u＝80％u_1，k；

(23)If E₁ is PB,and EC₁ is ZE,then u＝70％u_1，k；

(24)If E₁ is PB,and EC₁ is PS,then u＝50％u_1，k；

(25)If E₁ is PB,and EC₁ is PB,then u＝30％u_1，k；

其中u_1，k表示当前时刻的顶层水阀开度。如果经上述公式计算得到的控制量超过了顶层水阀的最大开度(100％开度，满量程)，则取水阀的满量程开度100％作为该条模糊规则的水阀开度最终计算值。

针对底层水阀开度模糊控制的模糊规则如下：

(1)If E₂ is NB,and EC₂ is NB,then u＝270％u_2，k；

(2)If E₂ is NB,and EC₂ is NS,then u＝180％u_2，k；

(3)If E₂ is NB,and EC₂ is ZE,then u＝160％u_2，k；

(4)If E₂ is NB,and EC₂ is PS,then u＝150％u_2，k；

(5)If E₂ is NB,and EC₂ is PB,then u＝120％u_2，k；

(6)If E₂ is NS,and EC₂ is NB,then u＝200％u_2，k；

(7)If E₂ is NS,and EC₂ is NS,then u＝160％u_2，k；

(8)If E₂ is NS,and EC₂ is ZE,then u＝120％u_2，k；

(9)If E₂ is NS,and EC₂ is PS,then u＝110％u_2，k；

(10)If E₂ is NS,and EC₂ is PB,then u＝100％u_2，k；

(11)If E₂ is ZE,and EC₂ is NB,then u＝130％u_2，k；

(12)If E₂ is ZE,and EC₂ is NS,then u＝120％u_2，k；

(13)If E₂ is ZE,and EC₂ is ZE,then u＝100％u_2，k；

(14)If E₂ is ZE,and EC₂ is PS,then u＝95％u_2，k；

(15)If E₂ is ZE,and EC₂ is PB,then u＝90％u_2，k；

(16)If E₂ is PS,and EC₂ is NB,then u＝120％u_2，k；

(17)If E₂ is PS,and EC₂ is NS,then u＝110％u_2，k；

(18)If E₂ is PS,and EC₂ is ZE,then u＝105％u_2，k；

(19)If E₂ is PS,and EC₂ is PS,then u＝100％u_2，k；

(20)If E₂ is PS,and EC₂ is PB,then u＝90％u_2，k；

(21)If E₂ is PB,and EC₂ is NB,then u＝100％u_2，k；

(22)If E₂ is PB,and EC₂ is NS,then u＝90％u_2，k；

(23)If E₂ is PB,and EC₂ is ZE,then u＝80％u_2，k；

(24)If E₂ is PB,and EC₂ is PS,then u＝70％u_2，k；

(25)If E₂ is PB,and EC₂ is PB,then u＝50％u_2，k；

其中u_2，k表示当前时刻的底层水阀开度。如果经上述公式计算得到的控制量超过了顶层水阀的最大开度(100％开度，满量程)，则取水阀的满量程开度100％作为该条模糊规则的水阀开度最终计算值。

对于模糊决策实现部分，采用经典T-S模糊模型进行最终实现。

本发明的有益效果是：

1、能够在总冷量一定的前体现，实现能量的优化分配。

2、能够根据顶、底层楼宇各自的温度及其变化趋势，动态调节顶、底层的水阀开度，优化分配各层的热量，在每层都保持温度适宜，解决夏季“顶层过冷，底层过热”的问题。

附图说明

图1为某写字楼的冷水机组供回水回路示意图。

图中：1.冷水机组 2.循环水泵,3.总供水管,4.蝶阀1,5.电动调节阀1，6.末端水路1,7.回水管1,8.蝶阀2，9.电动调节阀2,10.末端水路2,11.回水管2,12.蝶阀N 13.电动调节阀N，14.末端水路N，15.回水管N,16.总回水管。

图2为顶层楼宇的平均温度误差E₁对于其对应的5个模糊集合的隶属度函数曲线图，其中图2-1至图2-5分别为E对应于模糊集合PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)的隶属度函数曲线图。

图3为底层楼宇的平均温度误差E₂对于其对应的5个模糊集合的隶属度函数曲线图，其中图3-1至图3-5分别为E₁对应于模糊集合PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)的隶属度函数曲线图。

图4为顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁对于其对应的五个模糊集合的隶属度函数曲线图。其中图4-1至图4-5分别为EC₁对应于模糊集合PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)的隶属度函数曲线图。

图5为底层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂对于其对应的五个模糊集合的隶属度函数曲线图。其中图5-1至图5-5分别为EC对应于模糊集合PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)的隶属度函数曲线图。

具体实施方式

楼宇顶、底层在适当的位置分别设置10个温度传感器，每个传感器每分钟测量获得相应位置的温度信息，计算得到当前时刻k的顶层和底层的温度均值和令t_1,set和t_2,set分别表示顶、底层设定的目标温度，则E_1,k＝t_1,set-t_1,k表示k时刻顶层的温控误差，E_2,k＝t_2,set-t_2,k表示k时刻底层的温控误差。误差变化EC定义为误差E的变化趋势，EC_1,k＝E_1,k-E_1,k-1表示k时刻的顶层的误差变化趋势。EC_2,k＝E_2,k-E_2,k-1表示k时刻的底层的误差变化趋势。

分别采用顶、底层楼宇的温度误差E₁，E₂，以顶、底层楼宇的温度误差变化趋势EC₁，EC₂及作为顶、底层水阀开度的判别依据，分别根据图2和图3，以及图4和图5给出的E₁和EC₁，以及E₂和EC₂给出的相应模糊变量和其其隶属度函数的关系，构造模糊推理规则。

在规定了函数自变量，模糊语言变量，模糊规则后，就可以进行模糊决策。本专利中，函数自变量选为两组。顶层楼宇温度误差E₁和误差变化趋势EC₁，以及底层楼宇温度误差E₂和误差变化趋势EC₂。

对应顶层楼宇温控误差E₁的模糊语言变量集合A₁有5个{PB(正大),PS(正小)，,ZE(零)，NS(负小)，PS(负大)}，对应误差EC的模糊语言变量A₂有五个{PB(正大),PS(正小)，ZE(零)，NS(负小)，PS(负大)}。E对应于A₁的每个取值(模糊集合)分别对应了一个隶属度函数，因此总共有5条隶属度函数曲线，同理，EC对应于A₂共有5条隶属度函数曲线。

对应底层楼宇温控误差E₂的模糊语言变量集合A₃有5个{PB(正大),PS(正小)，,ZE(零)，NS(负小)，PS(负大)}，对应误差EC₂的模糊语言变量A₄有五个{PB(正大),PS(正小)，ZE(零)，NS(负小)，PS(负大)}。E₂对应于A₃的每个取值(模糊集合)分别对应了一个隶属度函数，因此总共有5条隶属度函数曲线，同理，EC₂对应于A₄也有5条隶属度函数曲线。

整个决策算法采用基于先进模糊规则制定的模糊专家算法，根据多年冷水机组运行的工程经验，分别针对顶、底层水阀开度控制问题，分别制定了25条模糊规则，然后通过经典T-S模糊模型进行模糊决策，最终决策给出顶、底层水阀的开度值。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims

1.一种带中庭公建的冷水机组夏季能源优化分配系统，包括写字楼用冷水机组能源优化分配的设计理念、能源优化分配控制算法。

2.根据权利要求1所述的写字楼用冷水机组能源优化分配的设计理念，其特征在于：

夏季制冷模式下，带中庭公建的冷水机组工作一段时间后，顶层的冷空气会逐渐向底层漂移，形成温度梯度场；此时顶层和底层温度传感器测得顶层和底层温度，通过总线将温度传输至控制主机，控制主机计算温度传感器的平均温度和平均温度变化趋势，通过能源优化分配控制算法决定顶层和底层水阀的开度，分别加大和减小顶、底层入水管中的水流量，进而间接调节流入其它层入水管处的水流量，在不增加额外的能源消耗的情况下解决顶层过冷，底层过热的问题。

3.根据权利要求1所述的能源优化分配控制算法，其特征在于基于改进模糊规则制定的先进模糊专家算法，算法包括模糊变量的选取过程、变量模糊化过程，模糊规则制定过程，和模糊决策形成过程四步，其特征在于：

模糊变量的选取过程，采用顶层楼宇的平均温度误差E₁，底层楼宇的平均温度误差E₂，顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁，底层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂作为模糊变量；

变量模糊化过程分为两个部分：

将顶层楼宇的平均温度误差E₁和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁采用模糊变量进行描述，建立E₁(EC₁)和某个模糊变量(模糊集合)之间的对应关系，采用隶属度函数曲线进行描述；

将底层楼宇的平均温度误差E₂和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂采用模糊变量进行描述，建立了E₂(EC₂)和另一个模糊变量(模糊集合)之间的对应关系,采用隶属度函数曲线进行描述；

模糊规则制定过程根据写字楼冷水机组多年运行得到的工程经验，分别基于顶层楼宇的平均温度误差E₁和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁的模糊属性，同时基于底层楼宇的平均温度误差E₂和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂的模糊属性，利用改进模糊规则，给出了每种模糊属性下的顶层水阀开度的判断；

模糊决策形成过程的主要作用是信息融合，根据每种模糊属性下的水阀开度的模糊判断，给出最终的水阀开度决策判断。

4.根据权利要求3所述的变量模糊化过程，其特征在于：

根据多年带中庭公建的冷水机组运行维护得到的工程经验，将顶层楼宇的平均温度误差E₁对应于5个模糊集合{NB(负大)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PB(正大)}，并分别定义了E₁对应于上述5个模糊集合的隶属度函数曲线；将顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁对应于5个模糊集合{NB(负大)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PB(正大)}，并分别定义了EC₁对应于上述五个模糊集合的隶属度函数曲线；

将底层楼宇的平均温度误差E₂对应于5个模糊集合{NB(负大)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PB(正大)}，并分别定义了E₂对应于上述5个模糊集合的隶属度函数曲线；将底层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂对应于5个模糊集合{NB(负大)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PB(正大)}，并分别定义了EC₂对应于上述五个模糊集合的隶属度函数曲线。

5.根据权利要求3所述的隶属度函数曲线，其特征在于：

根据多年带中庭公建的冷水机组运行维护得到的工程经验，制定了顶层楼宇的平均温度误差E₁和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₁对应于各自的模糊集合的隶属度函数曲线；

制定了底层楼宇的平均温度误差E₂和顶层楼宇的平均温度误差变化趋势EC₂对应于各自的模糊集合的隶属度函数曲线。

6.根据权利要求3所述的模糊规则制定，其特征在于：

根据多年带中庭公建的冷水机组运行维护得到的工程经验，分别针对顶、顶层水阀开度模糊控制问题，各自制定得到二十五条模糊规则。