CN107401806B - 中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法 - Google Patents

Abstract

中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，把主机设备和冷冻水泵作为一个整体进行参数模糊控制，首先，采用根据外界环境温度动态提升冷冻水出水温度，以提高主机设备能效；其次，采用恒温差/恒压差变频率变流量模糊控制提高冷冻泵能效；最后，对两者能效总能耗COP总自动寻找最优点，如图1中的B点，并高效运行，保证冷冻站内主机设备和冷冻水泵这个整体运行于最佳匹配、高能效、节能状态。本发明实时采集设备运行状态，进行冷冻站内主机和冷冻水泵整体COP最大化反馈控制计算，通过数据库检索，选取最优运行参数模糊控制，达到最理想的节能效果。

Description

中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法

技术领域

本发明涉及能源与节能技术领域，属于能源管理及节能控制系统的一种中央空调冷冻站内主机及冷冻水系统综合能效提升控制方法。

背景技术

依据国家标准，中央空调最大负载能力是按照气温最高，负荷最大的工作环境设计。实际情况，系统很少在这些极限情况下工作，绝大多数时候都处于部分负荷运行状况。据有关资料统计，中央空调在70％负荷以下波动运行的时间大约占整个系统的97％。因此系统总处于“大马拉小车”的状态，所以，就中央空调系统本身而言存在很大的冗余空间。

随着建筑类中央空调系统应用不断扩大，极大地提高了人们的生活质量和舒适的工作环境，与此同时中央空调系统占据整个建筑用电负荷的40～60％，水系统能耗大约占中央空调系统能耗的60％～70％。水系统作为中央空调系统的主要能耗系统，国内外对其节能降耗、提升能效有许多研究，最典型的是一次泵变流量调节与节能控制。但是，都是单一循环泵节能的研究，忽略了冷冻泵频率变化对冷水主机本身能耗的影响，没有将主机、冷冻泵泵作为一个整体来综合考量节能效果。一般对水系统的冷冻泵进行变频节能控制，如图1中A点，未关注主机设备水流量下降能效降低的影响，冷冻水流量降低到60％，冷水主机COP下降幅度约10％。

本发明结合公共楼宇中央空调耗能高，季节性强，可调潜力大的特点，保证系统良好的运行状态和最佳的运行效率，通过中央空调冷冻站内主机设备及冷冻泵作为一个整体及其综合能效提升控制的方法，使形成的整体运行于最佳匹配、高能效、节能状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术中，对中央空调冷冻站内水系统的节能降耗，提升能效的研究都是对单一循环泵节能的研究，忽略了循环泵频率变化对冷水主机本身能耗的影响，节能效果有限，有待提高。

本发明的技术内容为：中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，把主机设备和冷冻水泵作为一个整体进行参数模糊控制，控制模型为：根据环境温度动态调整冷冻水出水目标温度T₁来对主机设备模糊控制，提高其能效COP_主机，根据对主机设备的控制和末端负荷及冷冻水供回水温差得到冷冻水质量流量M_冷冻泵需求，进而对冷冻泵模糊控制，提高其能效COP_冷冻泵，COP_主机和COP_冷冻泵之和即为总能效COP_总；再通过对中央空调运行数据的采集，调整控制模型中的参数，对调整后的参数重新计算能效，反复对比各种工况下的运行数据和历史数据，从而获取最优能效数据及对应的控制模型参数；当中央空调冷负荷变化时，通过中央空调的主控制器对COP_总进行计算比较并寻得最大化，动态调整模糊控制选取最优运行参数T₁和M_冷冻泵，使得冷冻站内主机设备和冷冻水泵这个整体运行于最佳匹配、高能效、节能状态。

COP_总的计算为：

T₂＝f₃(T₁,M_冷冻泵,Q_末端)

Q为冷水主机制冷量，W_主机为冷水主机消耗的总电量，W_冷冻泵为冷冻水泵消耗的总电量；c_水为水的比热容，T₁为冷冻水出水温度，T₂为冷冻水回水温度，H为冷冻水泵扬程，η为冷冻水泵工作点效率，g为冷冻水泵流量扬程系数，n台中央空调对应n台冷冻水泵，i表示第i台主机或冷冻水泵，M_冷冻泵表示冷冻泵的质量流量，Q_末端为主机末端的负荷；

因此COP_总的计算对应的相关量为T₁，M_冷冻泵，模糊控制中寻找这两个参数的最优进行动态调整。

进一步的，主机设备的模糊控制为：根据环境温度的变化和对室内空气品质IAQ要求，冷水主机动态调整冷冻水出水温度以提高能效，即动态增效，出水温度值修正计算方法：

其中：T_环—当前环境温度

T_s—设定的起始环境温度

T_f—设定的结束环境温度

T_ds—动态增效起始温度，范围：7-12℃

T_df—动态增效结束温度，范围：7-12℃

T_SET—出水温度目标设定温度

采集实时温度、流量和电流等数据，计算实时的COP_主机。

通过降低水泵频率减小流量，降低水泵的耗能，提升冷冻系统中水泵的能效，冷冻泵的模糊控制为：将中央空调系统各末端负荷进行一一叠加计算结果，结合中央空调系统中各个传感器、流量计的反馈计算出冷冻水系统最佳运行温差ΔT和流量M_冷冻泵，进行冷冻泵系统的提前流量控制计算，根据计算结果模糊控制冷冻泵的流量，

其中，冷冻水泵的变频控制根据冷冻水系统的供回水温差或压差，衡量末端用能设备负荷的变化情况，最终按照计算得出的最佳运行温差ΔT和流量M_冷冻泵，以及实际运行的温差、流量、集分水器压差ΔP₁和末端压差ΔP₂进行冷冻泵模糊控制，同时计算实时COP_冷冻泵；当冷冻泵频率降低到最小值且末端负荷需求仍减小时，为保护冷水主机安全运行水系统中的集分水器之间安装旁通阀，此控制阀确保流经机组的流量大于其最小流量限制和压差ΔP₁、ΔP₂的要求。

本发明是面向建筑中央空调，基于能源管理系统软硬件，提出一种中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，把主机设备和冷冻水泵作为一个整体：

首先，采用根据外界环境温度动态提升冷冻水出水温度，以提高主机设备能效；

其次，采用恒温差/恒压差变频率变流量模糊控制提高冷冻泵能效；

最后，对两者能效总能耗COP总自动寻找最优点，如图1中的B点，并高效运行，保证冷冻站内主机设备和冷冻水泵这个整体运行于最佳匹配、高能效、节能状态。

本发明最核心的技术主要是通过搭建系统数据库，实时采集设备运行状态，进行冷冻站内主机和冷冻水泵整体COP最大化反馈控制计算，通过数据库检索，选取最优运行参数模糊控制，达到最理想的节能效果。

附图说明

图1为现有技术中水系统冷冻泵在一定负荷下冷冻水流量与功耗对比示意图。

图2为主机设备出水温度和环境温度的关系图。

图3为本发明冷冻泵的模糊控制模型示意图。

图4为本发明方法的控制模型示意图。

图5为本发明方法的实施流程图。

具体实施方式

本发明把主机设备和冷冻水泵作为一个整体进行参数模糊控制，控制模型为：根据环境温度动态调整冷冻水出水目标温度T₁来对主机设备模糊控制，提高其能效COP_主机，根据对主机设备的控制和末端负荷及冷冻水供回水温差得到冷冻水质量流量M_冷冻泵需求，进而对冷冻泵模糊控制，提高其能效COP_冷冻泵，COP_主机和COP_冷冻泵之和即为总能效COP_总；

通过对中央空调运行数据的采集，调整控制模型中的参数，对调整后的参数重新计算能效，反复对比各种工况下的运行数据和历史数据，从而获取最优能效数据及对应的控制模型参数；当中央空调冷负荷变化时，通过中央空调的主控制器对COP_总进行计算比较并寻得最大化，动态调整模糊控制选取最优运行参数T₁和M_冷冻泵，使得冷冻站内主机设备和冷冻水泵这个整体运行于最佳匹配、高能效、节能状态。

本发明最核心的技术主要是把主机设备和冷冻水泵作为一个整体获取最优能效数据及对应的控制模型参数，搭建系统能效数据库，实时采集设备运行状态，进行冷冻站内主机和冷冻水泵的COP_总最大化反馈控制计算，通过数据库检索，选取最优运行参数模糊控制，达到最理想的节能效果。

本发明面向中央空调冷冻站内主机及冷冻泵，解决综合能效提升技术问题所采用的技术方案如下所述。

1、评价主机和冷冻泵主要能效指标如下：

根据算式(1)、(2)得出最终能效评价指标：

式中，Q为冷水主机制冷量，W_主机为冷水主机消耗的总电量，W_冷冻泵为冷冻水泵消耗的总电量。

2、建立能效优化控制模型

本发明构建的模型主要考虑影响主机和冷冻泵能耗的且广泛应用的冷冻水系统运行参数，将末端、人为、环境及建筑物本体等因素统一反映为冷负荷变化。冷负荷变化引起的冷却水系统变化将自动调整。

优化目标：

其中：

式中：c_水为水的比热容，M表示冷冻水流量，T₁为冷冻水出水温度，T₂为冷冻水回水温度，H为冷冻水泵扬程，η为冷冻水泵工作点效率，g为冷冻水泵流量扬程系数。n台中央空调对应n台冷冻水泵，上面公式中的i表示对应第i台主机或水泵的参数。f₁()表示由T₁和T₂计算单台主机电量的函数关系，f₂()表示计算冷冻泵电量的函数关系，这两个函数为本领域公知技术，不再详述。

此外，空调主机冷冻水的回水温度是由主机冷冻水出水温度，流量及末端的负荷交换需求决定，因此可以表示为：

T₂＝f₃(T₁,M_冷冻泵,Q_末端)

M_冷冻泵表示冷冻泵的质量流量，Q_末端为主机末端的负荷；f₃()表示由T₁、M_冷冻泵和Q_末端计算对应的T₂的函数公式，为本领域公知技术，也不再详述。

综上所述，空调主机系统能效优化的寻优控制量为T₁,M_冷冻泵，也就是系统能效数据库的记录的各种工况下的控制模型的参数。

同时应当注意的是，对T₁,M_冷冻泵的调整受主机制冷能力及压缩机运行条件的限制，约束条件包含：

T_1,min≤T₁≤T_1,max

M_{冷冻泵,min}≤M_冷冻泵≤M_{冷冻泵,max}

(T_1,min，T_1,max)为中央空调的T₁温度界限，(M_{冷冻泵,min}，M_{冷冻泵,max})为中央空调本身限定的M_冷冻泵的浮动范围，也就是在寻优调整时，要注意不要超过中央空调的实际运行能力和条件。

3、能效优化方法：

3.1、主机设备提高能效控制

由于主机的蒸发温度直接影响了COP_主机大小，在相同工况下，冷冻水出水温度T₁每增加1℃，蒸发侧制冷量提升3％，主机设备效率相应提升3％。

针对主机的这一特性：可以根据环境温度的变化(环境温度值每小时采集计算一次)和用户对室内空气品质IAQ要求的特点，冷水主机动态调整冷冻水出水温度，启动增效控制程序，提高机组的运行效率，大大降低机组运行成本。关系图如图2所示。

具体目标出水温度值修正计算方法：

其中：T_环—当前环境温度

Ts—设定的起始环境温度

T_f—设定的结束环境温度

T_ds—动态增效起始温度(范围：7-12℃)

T_df—动态增效结束温度(范围：7-12℃)

T_SET—出水温度目标设定温度

主机设备通过提高冷冻水出水温度，提升能效。

采集实时温度，流量，电流等数据，计算实时的COP主机值。

3.2、冷冻水系统提高能效控制

冷冻水系统负荷计算：根据中央空调系统各末端负荷进行一一叠加计算的结果，然后根据各个传感器、流量计反馈计算出冷冻水系统最佳运行温差ΔT和流量M_冷冻泵进行冷冻泵系统的提前流量控制计算，根据计算结果最终模糊控制水泵的流量。

主机将从末端回来的冷冻水处理成设定温度，再由冷冻泵将处理后的冷冻水送至末端，根据能量守恒定律可知冷冻水失去的冷量应等于末端总负荷，则有如下关系：

T₂＝f₃(T₁,M_冷冻泵,Q_末端)

水泵质量流量M与转速v成一次方关系：

水泵耗电量W与转速v成三次方关系：

频率f与转速v成正比：p为水泵电机的级数，指定水泵的常数。

所以通过降低水泵频率减小流量的手段，降低水泵的耗能，提升冷冻系统中水泵的能效。

冷冻水泵的变频控制根据冷冻水系统的供回水温差/压差衡量末端用能设备负荷的变化情况，最终按照计算得出的最佳运行温差ΔT和流量M_冷冻泵，以及实际运行的温差、流量、集分水器压差ΔP₁、末端压差ΔP₂进行冷冻泵模糊控制，同时计算COP_冷冻泵；当冷冻泵频率降低到最小值且末端负荷需求仍减小时，为保护冷水主机安全运行，水系统中的集分水器之间安装旁通阀，此控制阀确保流经机组的流量大于其最小流量限制和压差ΔP₁、ΔP₂的要求。控制模型如图3。

据测试：单台水泵，如果频率从50HZ降到40HZ，流量变为原来的80％，功率变为原来的51％。

采集实时温度，压力，流量等参数，计算实时COP_冷冻泵值。

3.3、系统整体COP_总寻优

本发明考虑冷冻站内主机和冷冻水泵的整体能效提高，所以目标点为COP_总最优，优选COP_总每小时进行比较寻优一次。采用自控技术和数据库技术建立最优能效数据库，如图5所示，中央空调控制系统开机时应使冷冻水系统以全功率模式运行一段时间，系统开机稳定后如果有负荷变化时候进入能效提升控制模式。能效提升控制启动后，通过中央空调的内部控制器运算COP_总＝COP_主机+COP_冷冻泵。其中主机设备根据控制参数T₁来计算COP_主机，冷冻泵系统根据理论计算的ΔT、ΔP1、ΔP2采用反馈控制和前馈控制相结合的控制方式实现冷冻站供冷量与末端负荷相匹配的智能模糊控制，计算出此时的M_冷冻泵计算值，从而得到计算的COP_总，与当前实际COP_总进行比较且取最优，机组实际运行参数修正为前述比较中较大COP_总时的T₁和M_冷冻泵值进行模糊控制，此过程为动态连续性的。本发明运行时，通过对实时运行数据进行采集分析，不断调整控制模型中的参数，对调整后的参数重新计算能效，反复对比各种工况下的运行数据和历史数据，从而获取最优能效数据及控制模型参数。

Claims (5)

1.中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，其特征是把主机设备和冷冻泵作为一个整体进行参数模糊控制，控制模型为：根据环境温度动态调整冷冻水出水目标温度T₁来对主机设备模糊控制，提高其能效COP_主机，根据对主机设备的控制和末端负荷及冷冻水供回水温差得到冷冻水质量流量M_冷冻泵需求，进而对冷冻泵模糊控制，提高其能效COP_冷冻泵，COP_主机和COP_冷冻泵之和即为总能效COP_总；通过对中央空调运行数据的采集，调整控制模型中的参数，对调整后的参数重新计算能效，反复对比各种工况下的运行数据和历史数据，从而获取最优能效数据及对应的控制模型参数；当中央空调冷负荷变化时，通过中央空调的主控制器对COP_总进行计算比较并寻得最大化，动态调整模糊控制选取最优运行参数T₁和M_冷冻泵，使得冷冻站内主机设备和冷冻泵这个整体运行于最佳匹配、高能效、节能状态。

2.根据权利要求1所述的中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，其特征是COP_总的计算为：

T₂＝f₃(T₁,M_冷冻泵,Q_末端)

Q为冷水主机制冷量，W_主机为冷水主机消耗的总电量，W_冷冻泵为冷冻泵消耗的总电量；n台中央空调对应n台冷冻泵，c_水为水的比热容，T₁为冷冻水出水温度，T₂为冷冻水回水温度，H为冷冻泵扬程，η为冷冻泵工作点效率，g为冷冻泵流量扬程系数，i表示第i台主机或冷冻泵，M_冷冻泵表示冷冻泵的质量流量，Q_末端为主机末端的负荷；

因此COP_总的计算对应的相关量为T₁，M_冷冻泵，模糊控制中寻找这两个参数的最优进行动态调整。

3.根据权利要求1所述的中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，其特征是主机设备的模糊控制为：根据环境温度的变化和对室内空气品质IAQ要求，冷水主机动态调整冷冻水出水温度以提高能效，即动态增效，出水温度值修正计算方法：

其中：T_环—当前环境温度

T_s—设定的起始环境温度

T_f—设定的结束环境温度

T_ds—动态增效起始温度

T_df—动态增效结束温度

T_SET—出水温度目标设定温度

采集实时温度、流量和电流数据，计算实时的COP_主机。

4.根据权利要求1所述的中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，其特征是通过降低水泵频率减小流量，降低水泵的耗能，提升冷冻系统中水泵的能效，冷冻泵的模糊控制为：将中央空调系统各末端负荷进行一一叠加计算结果，结合中央空调系统中各个传感器、流量计的反馈计算出冷冻水系统最佳运行温差ΔT和流量M_冷冻泵，进行冷冻泵系统的提前流量控制计算，根据计算结果模糊控制冷冻泵的流量；

其中，冷冻泵的变频控制根据冷冻水系统的供回水温差或压差，衡量末端用能设备负荷的变化情况，最终按照计算得出的最佳运行温差ΔT和流量M_冷冻泵，以及实际运行的温差、流量、集分水器压差ΔP₁和末端压差ΔP₂进行冷冻泵模糊控制，同时计算实时COP_冷冻泵；当冷冻泵频率降低到最小值且末端负荷需求仍减小时，为保护冷水主机安全运行水系统中的集分水器之间安装旁通阀，此控制阀确保流经机组的流量大于其最小流量限制和压差ΔP₁、ΔP₂的要求。

5.根据权利要求1所述的中央空调冷冻站内主机及冷冻泵综合能效提升控制方法，其特征是中央空调控制系统开机时应使冷冻水系统以全功率模式运行一段时间，系统开机稳定后如果有负荷变化时候进入能效提升控制模式。

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