CN108332388A - 基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统及方法，该系统系统包括传感器组、采样单元、变频控制单元、输出逆变单元和变频器，传感器组连接采样单元，采样单元连接变频控制单元，变频控制单元连接输出逆变单元，输出逆变单元连接变频器，变频器连接有循环水泵。该方法通过对空调系统冷负荷的实时跟踪分析，来确定空调系统应提供的供冷量，接着通过调节水泵工作频率，使之满足供冷量的需要，实现减小或消除空调系统工作频率的振荡区间的目的，使空调系统在节能的同时平稳运行。

Description

基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统及方法。

背景技术

目前的空调控制系统在节能时通常采用随动控制变频的方式，调节水泵的转动频率达到节能的目的。即设定系统的工况指标(如水温、压力等)，系统周期性地执行变频控制计算(采样实际工况，计算出与指标的误差，并通过PID等算法计算调整工况参数来缩小误差)，以期最终达到设备的工况指标。

目前的变频控制方式，在变频控制上，很难做到精准控制，不够节能。

由于空调系统的运行存在较大的时滞性和积累性，单一时刻的采样并不能反映系统的实时工况，在此情况下，控制系统的变频输出会出现较大的超调，这种超调随着时间积累会产生较大的误差，且这种误差在系统中周期性的出现。为消除这类误差，系统会频繁地进行大幅度变频，造成水泵频率的大幅振荡。

发明内容

本发明的目的在于提供基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统及方法，通过对空调系统冷负荷的实时跟踪分析，来确定空调系统应提供的供冷量，接着通过调节水泵工作频率，使之满足供冷量的需要，实现减小或消除空调系统工作频率的振荡区间的目的，使空调系统在节能的同时平稳运行。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统，包括传感器组、采样单元、变频控制单元、输出逆变单元和变频器，传感器组连接采样单元，采样单元连接变频控制单元，变频控制单元连接输出逆变单元，输出逆变单元连接变频器，变频器连接有循环水泵。

传感器组，完成系统出水温度、回水温度、供水流量的电信信号变送。

采样单元，完成传感器电传信号的A/D转换，输出系统工况参数集。

变频控制单元，根据工部参数集完成采样管理和变频计算，输出频率表征量。

输出逆变单元，完成频率表征量的D/A转换，输出频率控制电传信号。

变频器，根据频率控制电传信号调节供电频率，控制水泵变频运行。

基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于包括以下工作步骤：

(1)传感器组进行系统出水温度、回水温度、供水流量的电信信号变送；

(2)采样单元进行传感器组电传信号的A/D转换，输出系统工况参数集；

(3)变频控制单元过滤异常数据；

(4)创建采样样本；

(5)周期控制单元在每个采样周期发起新的采样，并检查样本等待队列中的样本；

(6)计算冷负荷；

(7)计算使系统供冷与负荷平衡的水泵工作频率，输出频率表征量；

(8)输出逆变单元完成频率表征量ω_t的D/A转换，输出频率控制电传信号；

(9)变频器根据频率控制电传信号调节供电频率，实现水泵变频运行。

进一步，在步骤(4)中，样本数据包括出水温度数据、回水温度数据、采样起始流量数据、采样终末流量数据、采样时间偏移，其中出水温度数据和采样起始流量数据在当前时间进行采集工作，回水温度数据和采样终末流量数据不能在当前时间直接采集得到，需要等待一段时间后才能采集，这段等待时间设为采样时间偏移。

进一步，采样时间偏移的计算方法为：

设使用侧冷冻供水管路长度为L，流量计安装处的管路截面积为S，冷冻水流速为V，时差为Δt，则有：

和

合并两式即有：

此为t时刻测定供水温度时，回水温度测定时刻的偏移量；

未完成的样本送入样本等待队列中。

进一步，在步骤(5)中，对于等待时间已经归0的样本，填入当前采集的回水温度数据和终末流量数据完成采样，完成的样本送入样本列表中；对于等待时间尚未归0的样本，根据当前流速重新计算并更新尚未归0的样本剩余等待时间。

进一步，在步骤(5)中，更新尚未归0的样本的剩余等待时间后需要修正剩余等待时间偏移量。

进一步，在步骤(6)中，冷负荷W的计算原理：

W＝F_(t)·C·(T_retl-T_supl)

式中F_(t)为t时刻流量，C为热容，T_retl和T_supl分别为回水温度和出水温度；

由于空调系统的输出响应速度较慢，为防止控制输出出现大幅度的震荡，需要拉长系统调频的周期，如果采样周期与变频周期一致，则变频周期中的环境变化会被忽略，此时根据采样结果计算的冷负荷就会产生失真。

因此，采用在每一个变频周期中进行多次采样的办法，尽可能减小冷负荷的计算误差。

实际n次采样的总冷负荷计算式为：

式中F_(i)、T_sup(i)、T_ret(i)分别为第i次采样的流量、供水温度和回水温度，t_sample为采样周期，C为热容。

进一步，在步骤(7)中，计算使系统供冷与负荷平衡的水泵工作频率包括：

(7.1)供冷量的计算；

(7.2)平衡频率的计算。

进一步，供冷量的计算的具体步骤如下：

冷冻循环泵的符号定义：N₀为工频转速，N_(t)为t时刻变频转速，P₀为工频功率，P_(t)为t时刻变频功率，ω₀为工频频率，ω_(t)为t时刻变频频率，F₀为工频流量，F_(t)为t时刻变频流量；

则有以下关系：

然后根据对冷冻循环子系统的分析，可知供冷量Q与水泵频率的关系：

当T为一个周期时间时，上式简化为：

进一步，平衡频率的计算的具体步骤如下：

根据算法原理有：Q＝W

于是有：

式中ω_t为当前测量条件下的变频目标频率，T_sup和T_ret分别为主机的出水温度和回水温度；

由上式可以发现水泵频率ω_t和主机出水温度度T_sup均可成为控制供冷量的控制量；控制T_sup需要对主机进行控制，在实际工程中较为困难，因此假定主机设置给定了供回水温差ΔT，在此仅通过水泵频率ω_t控制供冷量，原式变为：

则有：

化简得：

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统及方法，该方法通过对空调系统冷负荷的实时跟踪分析，来确定空调系统应提供的供冷量，接着通过调节水泵工作频率，使之满足供冷量的需要，实现减小或消除空调系统工作频率的振荡区间的目的，使空调系统在节能的同时平稳运行。该方法具有变频目标明确，系统多工作在平衡状态，振荡较小，节能效果增强等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统的结构示意图；

图2为本发明中基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法的流程图；

图3为本发明中修正剩余等待时间偏移量的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统，包括传感器组、采样单元、变频控制单元、输出逆变单元和变频器，传感器组连接采样单元，采样单元连接变频控制单元，变频控制单元连接输出逆变单元，输出逆变单元连接变频器，变频器连接有循环水泵。

传感器组，完成系统出水温度、回水温度、供水流量的电信信号变送。

采样单元，完成传感器电传信号的A/D转换，输出系统工况参数集。

变频控制单元，根据工部参数集完成采样管理和变频计算，输出频率表征量。

输出逆变单元，完成频率表征量的D/A转换，输出频率控制电传信号。

如图2所示：基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，包括以下工作步骤：

(1)传感器组进行系统出水温度、回水温度、供水流量的电信信号变送。

(2)采样单元进行传感器组电传信号的A/D转换，输出系统工况参数集。

(3)变频控制单元过滤异常数据。

(4)创建采样样本，样本数据包括出水温度、回水温度、采样起始流量、采样终末流量、采样时间偏移，其中回水温度和采样终末流量当前尚不能采集到，要等待一段时间后才能采集，这段等待时间即为采样时间偏移，其计算方法为：

设使用侧冷冻供水管路长度为L(注1)，流量计安装处的管路截面积为S，冷冻水流速为V，时差为Δt，则有：

和

合并两式即有：

此为t时刻测定供水温度时，回水温度测定时刻的偏移量。

未完成的样本送入样本等待队列中。

注1：供水管路截面积不一定处处相等，所以此处的管路长度L应为测量各段不同截面积的管路长度后，根据管道容积进行换算获得的等价长度。

(5)周期控制单元在每个采样周期发起新的采样，并检查样本等待队列中的样本，对于等待时间已经归0的样本，填入当前采集的回水温度和终末流量完成采样，完成的样本送入样本列表中；对于等待时间尚未归0的样本，根据当前流速重新计算并更新其剩余等待时间。

更新尚未归0的样本的剩余等待时间后需要修正剩余等待时间偏移量,修正剩余等待时间偏移量流程见图3。

(6)计算冷负荷：

冷负荷W的计算原理：

W＝F_(t)·C·(T_retl-T_supl)

式中F_(t)为t时刻流量，C为热容，T_retl和T_supl分别为回水温度和出水温度。

由于空调系统的输出响应速度较慢，为防止控制输出出现大幅度的震荡，需要拉长系统调频的周期，如果采样周期与变频周期一致，则变频周期中的环境变化会被忽略，此时根据采样结果计算的冷负荷就会产生失真。

因此，采用在每一个变频周期中进行多次采样的办法，尽可能减小冷负荷的计算误差。

实际n次采样的总冷负荷计算式为：

式中F_(i)、T_sup(i)、T_ret(i)分别为第i次采样的流量、供水温度和回水温度，t_sample为采样周期，C为热容。

(7)计算使系统供冷与负荷平衡的水泵工作频率，输出频率表征量；

(7.1)供冷量的计算

冷冻循环泵的符号定义：如表1所示：

表1

N0	工频转速
		N(t)	t时刻变频转速
P0	工频功率
		P(t)	t时刻变频功率
ω0	工频频率
		ω(t)	t时刻变频频率
F0	工频流量
		F(t)	t时刻变频流量

则有以下关系：

根据对冷冻循环子系统的分析，可知供冷量Q与水泵频率的关系：

当T为一个周期时间时，上式简化为：

(7.2)计算平衡频率

根据算法原理有：

Q＝W

于是有：

式中ω_t为当前测量条件下的变频目标频率，T_sup和T_ret分别为主机的出水温度和回水温度。

由上式可以发现水泵频率ω_t和主机出水温度度T_sup均可成为控制供冷量的控制量。控制T_sup需要对主机进行控制，在实际工程中较为困难，因此假定主机设置给定了供回水温差ΔT，在此仅通过水泵频率ω_t控制供冷量，原式变为：

则有：

化简得：

(8)输出逆变单元完成频率表征量ω_t的D/A转换，输出频率控制电传信号；

(9)变频器根据频率控制电传信号调节供电频率，实现水泵变频运行。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制系统，其特征在于：包括传感器组、采样单元、变频控制单元、输出逆变单元和变频器，所述传感器组连接所述采样单元，所述采样单元连接所述变频控制单元，所述变频控制单元连接所述输出逆变单元，所述输出逆变单元连接所述变频器，所述变频器连接有循环水泵；

传感器组，完成系统出水温度、回水温度、供水流量的电信信号变送；

采样单元，完成传感器电传信号的A/D转换，输出系统工况参数集；

变频控制单元，根据工部参数集完成采样管理和变频计算，输出频率表征量；

输出逆变单元，完成频率表征量的D/A转换，输出频率控制电传信号；

变频器，根据频率控制电传信号调节供电频率，控制水泵变频运行。

2.如权利要求1所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于包括以下工作步骤：

(1)传感器组进行系统出水温度、回水温度、供水流量的电信信号变送；

(2)采样单元进行传感器组电传信号的A/D转换，输出系统工况参数集；

(3)变频控制单元过滤异常数据；

(4)创建采样样本；

(5)周期控制单元在每个采样周期发起新的采样，并检查样本等待队列中的样本；

(6)计算冷负荷；

(7)计算使系统供冷与负荷平衡的水泵工作频率，输出频率表征量；

(8)输出逆变单元完成频率表征量ω_t的D/A转换，输出频率控制电传信号；

(9)变频器根据频率控制电传信号调节供电频率，实现水泵变频运行。

3.根据权利要求2所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所述样本数据包括出水温度数据、回水温度数据、采样起始流量数据、采样终末流量数据、采样时间偏移，其中所述出水温度数据和所述采样起始流量数据在当前时间进行采集工作，所述回水温度数据和所述采样终末流量数据不能在当前时间直接采集得到，需要等待一段时间后才能采集，这段等待时间设为采样时间偏移。

4.根据权利要求3所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：所述采样时间偏移的计算方法为：

设使用侧冷冻供水管路长度为L，流量计安装处的管路截面积为S，冷冻水流速为V，时差为Δt，则有：

和

合并两式即有：

此为t时刻测定供水温度时，回水温度测定时刻的偏移量；

未完成的样本送入样本等待队列中。

5.根据权利要求2所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，对于等待时间已经归0的样本，填入当前采集的回水温度数据和终末流量数据完成采样，完成的样本送入样本列表中；对于等待时间尚未归0的样本，根据当前流速重新计算并更新尚未归0的样本剩余等待时间。

6.根据权利要求5所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，更新尚未归0的样本的剩余等待时间后需要修正剩余等待时间偏移量。

7.根据权利要求2所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(6)中，所述冷负荷W的计算原理：

W＝F_(t)·C·(T_retl-T_supl)

式中F_(t)为t时刻流量，C为热容，T_retl和T_supl分别为回水温度和出水温度；

由于空调系统的输出响应速度较慢，为防止控制输出出现大幅度的震荡，需要拉长系统调频的周期，如果采样周期与变频周期一致，则变频周期中的环境变化会被忽略，此时根据采样结果计算的冷负荷就会产生失真。

因此，采用在每一个变频周期中进行多次采样的办法，尽可能减小冷负荷的计算误差。

实际n次采样的总冷负荷计算式为：

式中F_(i)、T_sup(i)、T_ret(i)分别为第i次采样的流量、供水温度和回水温度，t_sample为采样周期，C为热容。

8.根据权利要求2所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：在所述步骤(7)中，计算使系统供冷与负荷平衡的水泵工作频率包括：

(7.1)供冷量的计算；

(7.2)平衡频率的计算。

9.根据权利要求8所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：所述供冷量的计算的具体步骤如下：

冷冻循环泵的符号定义：N₀为工频转速，N_(t)为t时刻变频转速，P₀为工频功率，P_(t)为t时刻变频功率，ω₀为工频频率，ω_(t)为t时刻变频频率，F₀为工频流量，F_(t)为t时刻变频流量；

则有以下关系：

然后根据对冷冻循环子系统的分析，可知供冷量Q与水泵频率的关系：

当T为一个周期时间时，上式简化为：

10.根据权利要求8所述的基于实时负荷跟踪的暧通循环水系统节能控制方法，其特征在于：所述平衡频率的计算的具体步骤如下：

根据算法原理有：Q＝W

于是有：

式中ω_t为当前测量条件下的变频目标频率，T_sup和T_ret分别为主机的出水温度和回水温度；

由上式可以发现水泵频率ω_t和主机出水温度度T_sup均可成为控制供冷量的控制量；控制T_sup需要对主机进行控制，在实际工程中较为困难，因此假定主机设置给定了供回水温差ΔT，在此仅通过水泵频率ω_t控制供冷量，原式变为：

则有：

化简得：