CN107421029B

CN107421029B - 一种末端冷量均衡控制方法

Info

Publication number: CN107421029B
Application number: CN201710482452.1A
Authority: CN
Inventors: 吴宝财; 张伟东; 马琎劼; 蔡晓淞; 何毅
Original assignee: Jiangsu Lianhong Smart Energy Co ltd; Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Lianhong Smart Energy Co ltd; Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2037-06-22
Also published as: CN107421029A

Abstract

本发明提供了一种末端冷量均衡控制方法，包括如下步骤：利用模糊串级控制策略动态调节冷冻水各分支环路的冷量均衡控制；利用前馈与反馈控制实现冷站制冷量与末端需冷量的冷量平衡控制；利用分步控制实现冷量均衡控制和冷量平衡控制间的耦合控制，实现冷冻水系统的节能控制。该末端冷量均衡控制方法采用模糊串级闭环控制解决冷冻水系统末端各环路的冷量均衡控制，以及基于末端均衡基础上，通过采集冷冻水相关数据分析末端总冷量需求，并与空调主机进行通信，采集空调主机相关数据计算空调主机的制冷量，保证末端设备的制冷性能和系统的节能运行。

Description

一种末端冷量均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种中央空调控制方法，尤其是一种末端冷量均衡控制方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，中央空调的应用非常广泛，给人们工作和生活提供了舒适的环境，同时也带来了更多电能消耗和温室气体排放。中央空调能耗占整个建筑能耗的40％～60％。冷冻水系统是中央空调系统的重要组成部分，冷冻水系统的能耗占整个中央空调系统能耗10％～15％。冷冻水系统的运行不仅直接消耗大量电能而且直接影响末端制冷效果以及冷冻机的运行效率，冷冻水系统的节能控制对中央空调系统整体节能具有非常重要的意义。

目前工程上最常用的冷冻水节能控制方法，一种是基于温差恒定的冷冻水变流量控制方法，根据检测的供回水总管温差变化，与温差设定值进行比较，采用PID控制算法控制冷冻水流量，适应末端冷量需求的变化，达到节能运行目的；另外一种是基于压差恒定的冷冻水变流量控制方法，通过采集冷冻水总管压差的变化，与压差设定值进行比较，采用PID控制算法控制冷冻水流量，适应末端冷量需求的变化，达到节能运行目的。以上控制策略主要缺陷是是仅采集总管温度和压差，反应的是冷量总需求的变化，而没有考虑到空调系统在实际运行中普遍存在能量失调问题，无法保证各个末端环路冷量供应与需求平衡。实际中冷冻水系统分成若干个区域，每个区域由一个水系统分支环路进行供冷，由于设计、施工、改造和末端实际运行模式变化引起某些分支环路的阻力偏大，某些分支环路的阻力偏小，就会使实际供水流量与所需水流量产生较大偏差，即产生水力失调。另外，实际运行过程中会出现，某些区域24小时不间断供冷，某些区域间断供冷，某些末端电动阀无法正常关闭等情况，造成区域供冷不平衡，产生水力失调。空调水系统的水力失调会造成空调系统冷冻水分配失衡，某些环路冷量过剩，而某些环路冷量不足，导致某些空调区域空调效果差，为了兼顾局部失衡区域的空调效果，空调冷热源和循环水泵都不得不在“大流量，小温差”状态下工作，导致系统能耗增加。因此，中央空调冷冻水系统不仅要解决总供冷与总需冷的平衡，还需要解决局各分支环路能量失衡，才能根本上解决暖通空调系统的舒适性和节能的矛盾。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：中央空调冷冻水系统在实际运行中普遍存在的水力失衡和能量分配不均问题，工程上常用的恒温差或恒压差变流量控制策略无法协调冷冻水系统节能与末端空调舒适性之间的矛盾。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种末端冷量均衡控制方法，包括如下步骤：

步骤1，利用模糊串级控制策略动态调节冷冻水各分支环路的冷量均衡控制；

步骤2，利用前馈与反馈控制实现冷站制冷量与末端需冷量的冷量平衡控制；

步骤3，利用分步控制实现冷量均衡控制和冷量平衡控制间的耦合控制，实现冷冻水系统的节能控制。

采用模糊串级闭环控制解决冷冻水系统末端各环路的冷量均衡控制，以及基于末端均衡基础上，通过采集冷冻水相关数据分析末端总冷量需求，并与空调主机进行通信，采集空调主机相关数据计算空调主机的制冷量，利用模糊控制算法计算最佳的冷冻机运行台数和水泵运行频率，实现冷冻水系统根据末端负荷的需求进行动态调节，始终保证冷冻水系统能效最优控制，保证末端设备的制冷性能和系统的节能运行。

作为本发明的进一步限定方案，步骤1中，进行冷量均衡控制的具体步骤为：

步骤1.1，在各分支环路上安装电动平衡调节阀、回水温度传感器以及环路冷量计，并安装环境温湿度传感器，将各分支环路的供回水温差和冷量作为被控变量，初始化设定电动平衡调节阀的初始开度以及初始的冷量需求设定值；

步骤1.2，根据检测的环境温湿度数据计算当前各环路的冷量修正值，再根据各分支环路的温差以及温差设定值通过模糊控制算法计算冷量设定值，并将冷量设定值与计算的冷量修正值进行累加运算，从而实时修正初始设定的冷量需求设定值；

步骤1.3，通过各环路冷量计检测各分支环路的冷量当前值，将冷量当前值与修正后的冷量需求设定值进行比较，采用模糊控制算法计算相应环路的电动平衡调节阀开度，对相关环路的冷量进行均衡控制。

经过反复修正各环路的冷量设定值，就可以逐步实现各个环路回水温度趋于设定值，即实现各个环路的末端设备所获得的冷量需求与供给平衡，达到制冷效果均衡地目的。

作为本发明的进一步限定方案，在实时修正初始设定的冷量需求设定值时，先设定偏差阈值范围，当温差在偏差阈值范围外时采用模糊控制算法；当温差在偏差阈值范围内时转换成PID控制，该控制策略描述如下：

上式中，k_e为偏差量化因子，k_ec为偏差变化率量化因子，K_P为PID控制器比例常数，K_I为PID控制器积分常数，K_D为PID控制器微分常数，以偏差e_i及偏差的变化率ec_i作为输入变量，经过反复修正各环路的冷量设定值P_i冷’，逐步实现各个环路回水温度趋于设定值，即实现各个环路的末端设备所获得的冷量需求与供给平衡，达到制冷效果均衡的目的。

采用在偏差阈值范围外时采用模糊控制算法，以获得良好的瞬态性能；而在偏差阈值范围内时转换成PID控制，以获得良好的稳态性能。

作为本发明的进一步限定方案，步骤2中，冷量平衡控制的具体步骤为：

步骤2.1，在集水器和分水器上安装温度传感器和压差传感器，在集水器和分水器之间旁通管道上安装电动比例调节阀，将集分水器的供回水温差和压差作为被控变量，初始化设定初始压差值以及初始温差值；

步骤2.2，测量集水器和分水器的实时压差，将实时压差与压差设定值进行比较，利用闭环PID控制算法调节冷冻水泵的运行频率，从而动态调节冷冻水循环量；

步骤2.3，测量集水器和分水器实时温度，根据实时温度计算集水器和分水器的实时温差，将实时温差与设定的初始温差值进行比较，计算出温差差值以及温差差值的变化率；

步骤2.4，利用模糊控制算法对初始压差值进行周期性修正。

采用模糊控制算法对内环压差设定值进行周期性修正，以弥补采用定压差变流量控制不能反映实际负荷的变化的需求，解决了冷站总供冷和末端总需冷的冷量平衡问题。

作为本发明的进一步限定方案，步骤3中，耦合控制的具体步骤是在负荷侧和冷源侧增加扰动控制环路，利用模糊控制策略对冷站的冷冻主机开启台数以及冷冻水各分支环路的压差设定值进行修正。

由于中央空调系统控制涉及多参量的调节和控制，控制回路和被控参数相互干扰、相互耦合，对某个参数进行调节和控制时，必然导致其它被控参数发生变化，需要考虑中央空调控制系统的耦合性和强干扰性。为消除末端各环路的冷量均衡控制调节对总冷量供需平衡调节的干扰，及主机冷量的供应对控制系统产生的扰动，增加了负荷侧和冷源侧的扰动控制环路，即通过实时检测末端环路电动比例调节阀的开度变化、冷量表的实时冷量和主机的实时制冷量，采用智能模糊控制策略，对冷冻主机的开启台数和内环控制回路的压差设定值进行修正，提高系统的抗干扰性能和自适应能力，从而提高了系统的稳定性能和动态性能。

本发明的有益效果在于：采用模糊串级闭环控制解决冷冻水系统末端各环路的冷量均衡控制，以及基于末端均衡基础上，通过采集冷冻水相关数据分析末端总冷量需求，并与空调主机进行通信，采集空调主机相关数据计算空调主机的制冷量，利用模糊控制算法计算最佳的冷冻机运行台数和水泵运行频率，实现冷冻水系统根据末端负荷的需求进行动态调节，始终保证冷冻水系统能效最优控制，保证末端设备的制冷性能和系统的节能运行。

附图说明

图1为本发明的末端冷量均衡控制方法流程图；

图2为本发明的冷量供需平衡控制方法流程图；

图3为本发明的系统控制结构图；

图4为本发明的末端冷量均衡控制系统图；

图5为本发明的冷量供需平衡控制系统图。

具体实施方式

本发明采用基于冷量分配平衡的冷冻水变流量控制，它包含两个控制环节，首先是末端分支环路之间的冷量均衡控制，其次是冷站与末端之间的冷量供需平衡控制，两个控制环节紧密结合，相互联系，共同组成冷冻水变流量控制系统，其控制结构如图3所示。末端冷量平衡控制与冷量总供需平衡控制单独设置控制器，通过现场总线互联，并通过网络控制器与上位机通信，实时传递控制参数，实现冷冻水系统最优控制。具体控制方法包括如下步骤：

步骤1，利用模糊串级控制策略动态调节冷冻水各分支环路的冷量均衡控制，在各环路上安装电动平衡调节阀、回水温度传感器、环路冷量计，并安装环境温湿度传感器，系统将各环路的供回水温差和冷量作为被控变量，外环检测各环路的供回水温差，计算其与温差设定值的偏差及其变化率，采用模糊控制算法计算各环路冷量设定值，同时，控制系统前馈控制检测环境温湿度数据，计算当前各环路的冷功率修正值，通过外环控制器计算的冷量设定值与前馈控制计算的冷量修正值进行累加运算，计算内环控制器冷量需求设定值；内环通过冷量计检测各环路的冷量当前值，与环路冷量需求设定值进行比较，采用模糊控制算法控制相应环路供水端的电动平衡调节阀开度，对相关环路的冷量进行动态平衡控制，使各个环路上获得的冷量趋于均衡，消除管网因为冷量失衡造成末端冷热不均，能量浪费现象，为冷冻水变流量调节创造有利条件；

步骤2，利用前馈与反馈控制实现冷站制冷量与末端需冷量的冷量平衡控制；在集分水器上安装温度传感器和压差传感器，集分水器之间旁通管道上安装电动比例调节阀，在总供回水总管上安装冷量表，对冷冻水循环泵变频控制柜和冷水机组进行通信集成，将集分水器的供回水温差和压差作为被控变量，根据实际测量的总供回水温差及其变化率，冷量表瞬时冷功率及其变化率，采用反馈和前馈控制器调节总供回水压差设定值，再与实际测量的压差值进行比较，采用PID控制算法调节冷冻水循环泵频率，对总供水流量进行动态调节，使冷站提供的冷冻水与末端负荷需求相匹配，从而实现冷冻水最佳供给控制，系统能效最优；

步骤3，利用分步控制实现冷量均衡控制和冷量平衡控制间的耦合控制，实现冷冻水系统的节能控制；由于中央空调系统控制涉及多参量的调节和控制，控制回路和被控参数相互干扰、相互耦合，对某个参数进行调节和控制时，必然导致其它被控参数发生变化，需要考虑中央空调控制系统的耦合性和强干扰性；为消除末端各环路的冷量均衡控制调节对总冷量供需平衡调节的干扰，及主机冷量的供应对控制系统产生的扰动，增加了负荷侧和冷源侧的扰动控制环路，即通过实时检测末端环路电动比例调节阀的开度变化、冷量表的实时冷量和主机的实时制冷量，采用智能模糊控制策略，对冷冻主机的开启台数和内环控制回路的压差设定值进行修正，提高系统的抗干扰性能和自适应能力，从而提高了系统的稳定性能和动态性能。

步骤1.2，根据检测的环境温湿度数据计算当前各环路的冷量修正值，再根据各分支环路的温差以及温差设定值通过模糊控制算法计算冷量设定值，并将冷量设定值与前馈控制器计算的冷量修正值进行累加运算，从而实时修正初始设定的冷量需求设定值；

步骤2.4，利用模糊控制算法对初始压差值进行周期性修正。

如图1和4所示为末端冷量均衡控制系统及流程图，假设中央空调末端系统分为n个区域，每个区域的空调设备主要是风机盘管、新风机和组合空调，单个空调设备的控制由各自的控制单元实现。本发明不对末端空调设备的控制策略进行阐述，只对各区域的分支环路冷量进行平衡控制，其策略描述如下：

各环路的电动阀设置初始开度θ_i0和初始冷功率设定值P_i0冷’(i＝1,2，···，n)，各环路末端空调按使用需求进行启停。控制器的前馈控制通过采集室外环境温湿度数据计算各环路冷量修正值U_i，外环控制器通过采集各环路的温差及温差设定值，采用模糊控制算法计算冷量设定值P_i冷’，与前馈控制环路冷量修正值U_i进行累加，从而修正内环控制器的设定值P_i冷set，与内环控制器通过冷量计检测的当前冷功率P_i冷(i＝1,2，···，n)进行比较，采用模糊控制算法计算控制量，调节阀门开度，从而控制各环路冷冻水冷量分配。

待整个空调系统基本达到平衡后，冷量均衡控制器检测到各个环路回水温度t₁，t₂，···t_n以及分水器供水温度t_in，计算出各个环路的供回水温差值：

如各环路末端空调对温差的需求不一样，各个环路的温差设定值可以单独设定为△t_iset(i＝1,2，···，n)；假定各环路末端空调对温差的需求一致，可以通过以下方式计算各环路的温差设定值：

冷量均衡控制器每隔一个采样周期T，比较各环路的温差△t_i与温差设定值△t_iset之间的差值e_i及温差的变化率e_ci(i＝1,2，···，n)，采用Fuzzy-PID负荷控制算法，修正各环路的冷量设定值u_i。其控制策略是：在大偏差范围内，即偏差e在某个阈值之外时采用模糊控制算法，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即e_i落到阈值之内时转换成PID控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。该控制策略描述如下：

上式中，k_e为偏差量化因子，k_ec为偏差变化率量化因子，K_P为PID控制器比例常数，K_I为PID控制器积分常数，K_D为PID控制器微分常数，它是以偏差e_i及偏差的变化率e_ci作为输入变量。冷量均衡控制器经过反复修正各环路的冷量设定值P_i冷’，就可以逐步实现各个环路回水温度趋于设定值，即实现各个环路的末端设备所获得的冷量需求与供给平衡，达到制冷效果均衡地目的。

末端冷量平衡控制器采用的是串级模糊双闭环控制系统，其控制系统框图如图5所示，外环检测环路出水温度T_i与供水温度T_g，计算该环路温差△T_i，再计算△T_i与平均温差

的差值e_i，采用模糊控制器对e_i和de_i/dt进行模糊推理和计算，得出冷量设定值P_i冷’对各环路冷量进行重新修正，内环实时检测环路冷功率P_i冷，与前馈控制器的负荷预测值U_i和外环控制器计算的冷量设定值P_i冷’进行比较，采用智能模糊控制算法调节环路电动比例调节阀开度，保持末端冷量逐步趋于均衡。整个调节过程由计算机根据控制模型自动进行。

如图2和5所示为冷量供需平衡控制系统框图及其流程图，其控制策略介绍如下：

冷量供需平衡控制采用串级双闭环控制加前馈控制相结合的策略，其中，控制系统内环通过检测分集水器的压差△P，与压差设定值△Pst进行比较，采用闭环PID控制算法，计算冷冻水泵的运行频率f，动态调节冷冻水循环量，满足末端负荷变化和主机负荷变化对冷冻水流量的需求；其次，控制系统外环通过检测集分水器供回水温度Tg和Th，计算冷冻水供回水温差△T，与设定的温差△Tst进行比较，计算出温差差值e及其变化率de/dt，采用模糊控制算法，对内环压差设定值△Pst进行周期性修正，以弥补采用定压差变流量控制不能反映实际负荷的变化的需求，解决了冷站总供冷和末端总需冷的冷量平衡问题。

由于中央空调系统控制涉及多参量的调节和控制，控制回路和被控参数相互干扰、相互耦合，对某个参数进行调节和控制时，必然导致其它被控参数发生变化，本发明充分考虑中央空调控制系统的耦合性和强干扰性。为消除末端各环路的冷量均衡控制调节对总冷量供需平衡调节的干扰，及主机冷量的供应对控制系统产生的扰动，增加了负荷侧和冷源侧的扰动控制环路，即通过实时检测末端环路电动比例调节阀的开度变化、冷量表的实时冷量和主机的实时制冷量，采用智能模糊控制策略，对冷冻主机的开启台数和内环控制回路的压差设定值进行修正，提高系统的抗干扰性能和自适应能力，从而提高了系统的稳定性能和动态性能。

本发明采用基于冷量按需分配的冷冻水节能控制方法，把整个中央空调水系统作为一个整体，首先采用模糊串级控制策略动态调节冷冻水各分支环路的冷量均衡；其次采用前馈与反馈控制解决冷站制冷量与末端需冷量的平衡；最后通过分步控制解决两级控制间的耦合问题，实现冷冻水系统最佳节能控制，满足空调系统节能和舒适性的需求。

Claims

1.一种末端冷量均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤3，利用分步控制实现冷量均衡控制和冷量平衡控制间的耦合控制，实现冷冻水系统的节能控制；

步骤1中，进行冷量均衡控制的具体步骤为：

步骤1.3，通过各环路冷量计检测各分支环路的冷量当前值，将冷量当前值与修正后的冷量需求设定值进行比较，采用模糊控制算法计算相应环路的电动平衡调节阀开度，对相关环路的冷量进行均衡控制；

在实时修正初始设定的冷量需求设定值时，先设定偏差阈值范围，当温差在偏差阈值范围外时采用模糊控制算法；当温差在偏差阈值范围内时转换成PID控制，该控制策略描述如下：

上式中，k_e为偏差量化因子，k_ec为偏差变化率量化因子，K_P为PID控制器比例常数，K_I为PID控制器积分常数，K_D为PID控制器微分常数，以偏差e_i及偏差的变化率ec_i作为输入变量，经过反复修正各环路的冷量设定值P_i冷’，逐步实现各个环路回水温度趋于设定值，即实现各个环路的末端设备所获得的冷量需求与供给平衡，达到制冷效果均衡的目的；

步骤2中，冷量平衡控制的具体步骤为：

步骤2.4，利用模糊控制算法对初始压差值进行周期性修正。

2.根据权利要求1所述的末端冷量均衡控制方法，其特征在于，步骤3中，耦合控制的具体步骤是在负荷侧和冷源侧增加扰动控制环路，利用模糊控制策略对冷站的冷冻主机开启台数以及冷冻水各分支环路的压差设定值进行修正。