CN108168052A - 一种中央空调制冷系统最优启停控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其包括建立中央空调预冷负荷模型以及基于该模型的制冷系统的最优化启动控制，同时包括最优化启动控制实施所必须控制网络系统，该控制网络采用三层网络架构，三层网络结构分别是：1、监控中心，采用以太网；2、主干传输网络，采用光纤以太网；3、现场控制网络，采用以太网；现场控制网络包括3个子系统，分别是冷站控制系统、能耗计量分析系统和末端空调控制系统，其中，末端空调由多个区域控制系统构成。本发明在保证空调参数达标的前提下，可实现空调系统的最优能耗，并保证系统运行的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及能源与节能技术领域，属于暖通空调自动化领域，具体是一种中央空调制冷系统最优启停控制方法。
背景技术
随着城市规模的发展，建筑能耗已与工业能耗、交通能耗并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上升趋势。建筑能耗将超越工业、交通行业，居于社会能源消耗之首，而中央空调的能耗又是建筑能耗的主要部分，我国建筑能耗已占社会总能耗的20％—25％，正逐步上升到30％，中央空调能耗占建筑总能耗的50％—70％，所以，降低其运行能耗对节约能源、提高能耗的利用率、实施绿色建筑战略具有重要意义。
如何降低中央空调能耗，也一直是建筑节能的主要课题，在提高设备效率，改进运行模式等方面已有许多研究成果，但在管理节能方面，研究成果较少。管理方式节能需要相应的技术支持，目前我国的建筑设备而运行管理水平普遍较低，大多数公共建筑、办公建筑的空调系统和照明系统主要依靠管理人员人工控制的方式进行管理，自动化水平较低，缺乏科学运行管理机制，在这种管理方式和技术条件下，建筑运行管理节能几乎无法实施。例如，政府有关部门要求各类商场、办公建筑的夏季室内温度设置不得低于26℃，冬季不得高于20℃，但由于缺乏有效的技术保证，需要靠用户自觉设定室内温度，这样的要求很难产生实质性的效果。由于缺乏完善有效的管理手段，公共建筑室内温度设置不合理、室内无人时仍然保持空调运行等现象十分普遍，而这种非理性的消费方式所造成的能源浪费是不可小视的。因此，要实现建筑管理节能，促使用户合理地使用空调等设备，只有建立在相应的技术手段基础智商的管理才是最有效的。
中央空调自动化控制在建筑中已广泛应用，但传统的控制策略简单，如冷/热站集中控制器，只能够实现冷热站设备的自动化联锁控制，但无法根据环境参数的变化、空调负荷动态变化，进行动态调节和自适应控制，无法始终保证系统安全可靠、能效最优运行。另外，空调末端的控制与冷热站控制基本是独立运行，不具备信息传输功能，末端设备的运行参数和状态、室内环境参数等信息无法与空调的冷冻机控制系统实现信息共享，导致冷热站节能优化控制缺乏相应的信息，进而造成系统安全可靠性不高，系统能效水平较低。显然，这样的控制系统无法实现空调系统运行的智能化管理和节能控制。
发明内容
本发明的目的在于解决当前中央空调制冷系统在开机控制策略上，普遍采用人工定时开机或手动开机，开机默认开启台数和时间均机械化，无法根据季节模式、主机类型、当地气候特征和历史运行数据等多种因数，综合判断最优的开机模式，造成系统自动化运行稳定性较差，进而影响末端空调效果和浪费能源的问题，提出了一种中央空调制冷系统最优启停控制方法。
本发明采取的技术方案是：一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其包括建立中央空调预冷负荷模型以及基于该模型的制冷系统的最优化启动控制，
所述中央空调预冷负荷模型建立如下：
Qneed＝C水·Mc·(T1-T0)+k1·Tout (4-1)
Qsup＝Nn·PN·(t1-t0)-k2·PN (4-2)
Qneed＝Qsup (4-4)
式中，Qneed——预冷需求冷量，单位kJ；
Qsup——预冷供应冷量，单位kJ；
C水——水的比热容，取4.2kJ/kg·℃；
Mc——空调冷冻水系统保有水量，固定值，设计或测试获得，单位kg；
T1——开机时的冷冻水供水温度值，测量获得，单位℃；
T0——冷冻水供水温度设定值，建筑供冷需求温度，可设定，单位℃；
Tout——室外环境温度，单位℃；
k1——模型修正参数1，修正预冷时间段存在的空调负荷；
k2——模型修正参数2，修正机组加载至额定制冷量的损耗；
PN——机组额定制冷功率，单位kW；
Nn——第n天首次开机台数，计算获得；
Wch(n-1)——第n-1天机组总耗电量，单位kW·h；
Pch——单台机组的额定电功率，单位kW；
t1——建筑需要正常供冷的时间，单位是h；
t0——中央空调开机时间，计算获得，单位h；
t——中央空调全天工作时间，单位h；
所述制冷系统的最优化启动控制包括如下步骤：
步骤一：根据所述公式4-1计算预冷所需冷量，根据所述公式4-4计算所需供冷量，根据所述公式4-3计算预冷开机台数，根据所述公式4-2计算预冷开机时间；
步骤二：当预冷开机时间到了的时候，启动空调区域中提前预冷空调末端的水阀；
步骤三：计算正常未运行冷冻设备系统中累计运行时间最短的系统编号；
步骤四：检测该系统编号下的冷冻设备系统是否正常，若不正常则返回步骤三进行重新计算调用，若正常则进行下一步骤五；
步骤五：开启上述冷冻设备系统，并检测其运行状态；待运行一段时间后检测运行系统的台数是否小于步骤一中计算的预冷开机台数，若不小于则表示正常，若小于则表示有冷冻设备系统未启动成功，此时则返回步骤三进行重新计算运行。
进一步的，所述步骤五中，若检测该系统编号下的冷冻设备系统正常，则依次开启该系统的冷冻侧电动阀、冷却侧电动阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机和冷冻机，检测到以上设备运行状态后，延迟至少一分钟的时间，再检测运行系统的台数。
进一步的，所述制冷系统的最优化启动控制依托控制网络系统进行实施，所述控制网络系统采用三层网络架构，该三层网络架构分别是监控中心、主干传输网络和现场控制网络。
进一步的，所述监控中心采用以太网；所述主干传输网络采用光纤以太网；所述现场控制网络采用以太网。
进一步的，所述现场控制网络包括3个子系统，分别是冷站控制系统、能耗计量分析系统和末端空调控制系统，其中，末端空调由多个区域控制系统构成。
本发明的有益效果如下：
本发明解决了中央空调运行中普遍存在如何运行空调制冷系统的问题：传统的人工操作方式是，根据中央空调运行管理制度，管理人员制定冷站开关机及操作运行计划，下达控制空调系统的参数控制指标，如冷冻水供回水温度、压力、冷却水供回水温度等参数指标，空调运行班组根据参数控制指标要求，依据操作经验，人工决定何时开启制冷系统，根据水温的控制要求，人工判断开启主机的台数，这种传统人工操作方式过分依赖人工经验，对操作人员的技术要求和工作态度要求较高，往往不能获得很好的控制效果。当前，随着建筑智能化、网络通信和控制技术的发展，很多建筑中央空调系统采用自动化控制代替人工操作，节省了大量的人力，提高了中央空调系统的运行管理水平，但是，自动化控制的效果参差不齐，很多系统智能化水平有限，只能做到简单的制冷系统设备自动化联锁启停，无法根据气候的变换，及空调区域对冷冻水需求的变化，智能判断制冷系统的最佳开启时间和最优启动台数，保证空调参数达标的前提下，实现空调系统的最优能耗，并保证系统运行的安全可靠性。
本发明正是为了解决上述当前中央空调制冷系统自动化运行控制中存在的一个重要问题，即中央空调制冷系统何时启动制冷设备，以及制冷系统的最佳运行策略。
本发明采用基于中央空调启动阶段的负荷模型，建立空调供需平衡关系，并结合制冷系统的历史运行数据、环境参数，采用模糊控制算法，计算制冷系统开机台数和自动开机时间，实现空调制冷系统最佳节能控制，满足空调系统节能和舒适性的需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是中央空调智能控制网络结构图。
图2是中央空调制冷系统的最优化启动控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其包括建立中央空调预冷负荷模型以及基于该模型的制冷系统的最优化启动控制。同时本发明还给出了以上最优化启动控制实施所必须控制网络系统，该控制网络采用三层网络架构，其结构图如图1所示，三层网络结构分别是：1、监控中心，采用以太网；2、主干传输网络，采用光纤以太网；3、现场控制网络，采用以太网。现场控制网络包括3个子系统，分别是冷站控制系统、能耗计量分析系统和末端空调控制系统，其中，末端空调由多个区域控制系统构成。
1、中央空调预冷负荷模型
中央空调系统为保证末端空调效果，在正常供冷时间区间(工作时间)之前，需要提前开启制冷系统进行预冷，中央空调制冷系统启动负荷主要包括两个方面，一是空调冷冻水主管道、分支管道中保有的静态的循环介质降温是主要负荷，另外，部分末端空调区域会提前预冷，如换新风，公共区域空调负荷，是次要负荷。中央空调系统负荷模型见式4-1到4-4描述，简单介绍如下，式4-1描述的是需求负荷总冷量，等于冷冻水从起始温度T1降至设定温度T0所放出的热量和部分预冷空调负荷，预冷空调负荷与环境温度正相关。式4-2是冷冻机供冷量计算公式，等于预冷时间段冷冻机生产的总冷量，采用额定制冷量乘以工作时间，减去一个修正系数。式4-3是开机台数计算公式，采用上个工作日冷冻机累计总电量除以冷机额定制冷功率与工作时间的乘积，并进行取整运算。式4-4表述的意思是系统供冷与蓄冷平衡，联合以上4个公式，可计算出制冷系统预冷开机时间和开机台数。空调预冷负荷模型所表达两个层面的意思是，一是随着环境气候的变化，空调负荷是动态变化的，不同季节制冷系统开机时间应是有区别的，如预冷时间过早，则造成能源浪费，如预冷时间过晚，则不能满足空调实际需求；其次，应确保预冷结束后空调进入正常供冷后，制冷系统安全稳定运行，制冷主机的开关机不应频繁，如预冷投入主机台数过多，则过渡至正常供冷阶段，会出现频繁开关机，造成系统不稳定。
Qneed＝C水·Mc·(T1-T0)+k1·Tout (3-1)
Qsup＝Nn·PN·(t1-t0)-k2·PN (3-2)
Qneed＝Qsup (3-4)
式中，Qneed——预冷需求冷量，单位kJ；
Qsup——预冷供应冷量，单位kJ；
C水——水的比热容，取4.2kJ/kg·℃；
Mc——空调冷冻水系统保有水量，固定值，设计或测试获得，单位kg；
T1——开机时的冷冻水供水温度值，测量获得，单位℃；
T0——冷冻水供水温度设定值，建筑供冷需求温度，可设定，单位℃；
Tout——室外环境温度，单位℃；
k1——模型修正参数1，修正预冷时间段存在的空调负荷；
k2——模型修正参数2，修正机组加载至额定制冷量的损耗；
PN——机组额定制冷功率，单位kW；
Nn——第n天首次开机台数，计算获得；
Wch(n-1)——第n-1天机组总耗电量，单位kW·h；
Pch——单台机组的额定电功率，单位kW；
t1——建筑需要正常供冷的时间，单位是h；
t0——中央空调开机时间，计算获得，单位h；
t——中央空调全天工作时间，单位h。
以上模型假定是单一冷源计算的开机时间和开机台数，对于冷热源多种配置的冷站系统，应考虑季节模式、主机型式、当地气候特征等多种因数，综合判断最优的运行组合。
2、中央空调制冷系统智能启动控制策略
中央空调智能开机首先是正确时间和以正确的开机组合开始预冷阶段，把空调冷冻水降至末端空调所需的设定温度，然后稳定过渡至正常供冷阶段。控制系统根据两个阶段的负荷特点差异性，采用不同的控制策略，预冷开机时间段，主要制冷负荷是冷冻水管中保有的高温冷水降温负荷，其类似于一个阶跃负荷模型；正常供冷负荷是室内人员、照明、设备和窗墙辐射等带来的冷负荷，其变化特点是相对缓慢，一般的控制策略可以较好的跟踪负荷的变化。本发明给出了中央空调制冷系统制冷开关机控制策略，其控制流程图如图2所示。具体步骤为：
步骤一：根据所述公式4-1计算预冷所需冷量，根据所述公式4-4计算所需供冷量，根据所述公式4-3计算预冷开机台数，根据所述公式4-2计算预冷开机时间；
步骤二：当预冷开机时间到了的时候，启动空调区域中提前预冷空调末端的水阀；
步骤三：计算正常未运行冷冻设备系统中累计运行时间最短的系统编号；
步骤四：检测该系统编号下的冷冻设备系统是否正常，若不正常则返回步骤三进行重新计算调用，若正常则进行下一步骤五；
步骤五：依次开启该系统的冷冻侧电动阀、冷却侧电动阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机和冷冻机，检测到以上设备运行状态后，延迟至少一分钟的时间，再检测运行系统的台数是否小于步骤一中计算的预冷开机台数，若不小于则表示正常，若小于则表示有冷冻设备系统未启动成功，此时则返回步骤三进行重新计算运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其特征在于包括建立中央空调预冷负荷模型以及基于该模型的制冷系统的最优化启动控制，
所述中央空调预冷负荷模型建立如下：
Qneed＝C水·Mc·(T1-T0)+k1·Tout (4-1)
Qsup＝Nn·PN·(t1-t0)-k2·PN (4-2)
Qneed＝Qsup (4-4)
式中，Qneed——预冷需求冷量，单位kJ；
Qsup——预冷供应冷量，单位kJ；
C水——水的比热容，取4.2kJ/kg·℃；
Mc——空调冷冻水系统保有水量，固定值，设计或测试获得，单位kg；
T1——开机时的冷冻水供水温度值，测量获得，单位℃；
T0——冷冻水供水温度设定值，建筑供冷需求温度，可设定，单位℃；
Tout——室外环境温度，单位℃；
k1——模型修正参数1，修正预冷时间段存在的空调负荷；
k2——模型修正参数2，修正机组加载至额定制冷量的损耗；
PN——机组额定制冷功率，单位kW；
Nn——第n天首次开机台数，计算获得；
Wch(n-1)——第n-1天机组总耗电量，单位kW·h；
Pch——单台机组的额定电功率，单位kW；
t1——建筑需要正常供冷的时间，单位是h；
t0——中央空调开机时间，计算获得，单位h；
t——中央空调全天工作时间，单位h；
所述制冷系统的最优化启动控制包括如下步骤：
步骤一：根据所述公式4-1计算预冷所需冷量，根据所述公式4-4计算所需供冷量，根据所述公式4-3计算预冷开机台数，根据所述公式4-2计算预冷开机时间；
步骤二：当预冷开机时间到了的时候，启动空调区域中提前预冷空调末端的水阀；
步骤三：计算正常未运行冷冻设备系统中累计运行时间最短的系统编号；
步骤四：检测该系统编号下的冷冻设备系统是否正常，若不正常则返回步骤三进行重新计算调用，若正常则进行下一步骤五；
步骤五：开启上述冷冻设备系统，并检测其运行状态；待运行一段时间后检测运行系统的台数是否小于步骤一中计算的预冷开机台数，若不小于则表示正常，若小于则表示有冷冻设备系统未启动成功，此时则返回步骤三进行重新计算运行。
2.根据权利要求1所述的一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其特征在于所述步骤五中，若检测该系统编号下的冷冻设备系统正常，则依次开启该系统的冷冻侧电动阀、冷却侧电动阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机和冷冻机，检测到以上设备运行状态后，延迟至少一分钟的时间，再检测运行系统的台数。
3.根据权利要求1所述的一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其特征在于所述制冷系统的最优化启动控制依托控制网络系统进行实施，所述控制网络系统采用三层网络架构，该三层网络架构分别是监控中心、主干传输网络和现场控制网络。
4.根据权利要求3所述的一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其特征在于所述监控中心采用以太网；所述主干传输网络采用光纤以太网；所述现场控制网络采用以太网。
5.根据权利要求3或4所述的一种中央空调制冷系统最优启停控制方法，其特征在于所述现场控制网络包括3个子系统，分别是冷站控制系统、能耗计量分析系统和末端空调控制系统，其中，末端空调由多个区域控制系统构成。
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Denomination of invention: An Optimal Start Stop Control Method for Central Air Conditioning Refrigeration System Effective date of registration: 20231206 Granted publication date: 20200131 Pledgee: Nanjing Bank Co.,Ltd. Nanjing North Branch Pledgor: JIANGSU LIANHONG SMART ENERGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980069294 |