CN108662735A - 一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法 - Google Patents

一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法，包括：在操作面板中输入房间设定温度和冷冻水设定供回水温差；各传感器实时检测空调房间温度、冷冻水的供水温度和回水温度，并把空调房间温度信号输出至风机控制器，把冷冻水的供水温度和回水温度信号输出至水阀控制器；计算房间温度偏差及冷冻水供回水温差偏差；判断房间温度偏差或冷冻水供回水温差偏差，根据判断结果控制风机转速或水阀开度。该方法通过对回风温度、供回水温度的不断采集，经PID算法运算处理后，调节送风机风速和表冷器冷冻水调节阀的开度，室内温度和冷冻水供回水温差能稳定在设定值，系统舒适性得到提升。

Description

一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法
技术领域
本发明属于中央空调末端设备技术领域，具体涉及一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法。
背景技术
据有关资料，末端设备的能耗占中央空调系统运行能耗的25％～35％，有效降低末端设备运行能耗，是降低中央空调系统运行能耗的重要内容。在进行空调工程设计时，末端负荷按最大值计算，进行设备选择时以计算负荷或者计算流量为参考，一般还会考虑一定的富余量，所以设备会出现选型过大的情况。实际运行中，中央空调系统90％的时间是在65％的最大负荷运行的。对于末端采用风机盘管的空调系统，传统的调节方式是通过通断阀控制冷冻水的流量，在部分负荷工况下，开启阀门时，冷冻水按额定流量运行，导致换热器小温差运行，换热效率低。研究表明风机盘管水阀通断控制必然产生“大流量、小温差”，“大流量、小温差”问题势必导致水泵能耗增加。
如果末端设备为连续调节，在部分负荷时，若保持送风量不变，为满足空调房间的室温要求，流量减少，出水温度升高。并且随着室内负荷的不断减少，流量降低，出水温度将升的很高，远远偏离设计的进出水温差。在末端设备的控制过程中，如果仅仅调节冷冻水流量，一方面，末端设备的进出水温差将偏离设计值(如5℃)，因为一般冷冻水流量为设计值的40％时，表面换热器换热量已经达到额定换热量的70％左右，所以在部分负荷时，若只是通过改变冷冻水流量来适应负荷的变化，冷冻水流量将大幅度降低，这将影响室内的除湿。另一方面，末端设备风机的能耗占中央空调系统运行能耗的25％～35％，有效降低风机运行能耗，是降低中央空调系统运行能耗的重要内容，所以在实际的控制过程中，应同时调节风量以减少风机的能耗。
在常规的中央空调系统的末端设备中，无论是风机盘管还是空调机组，都没有关注冷冻水供回水的温度，也没有对冷冻水温度进行有效的监控与控制，在实际的控制过程中，应同时调节冷冻水流量和送风量，使室内温度达到设定要求，并且冷冻水的进出水温差不偏离设计值。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统，包括操作面板、风机控制器、水阀控制器、室内温度传感器、冷冻水供水温度传感器、冷冻水回水温度传感器、冷冻水调节阀和变频风机，所述风机控制器和水阀控制器内部均设置有PID运算模块；
所述操作面板连接所述风机控制器和水阀控制器的信号输入端，所述室内温度传感器与所述风机控制器的信号输入端连接，所述变频风机连接所述风机控制器的信号输出端，所述冷冻水供水温度传感器和冷冻水回水温度传感器均与所述水阀控制器的信号输入端连接，所述冷冻水调节阀连接所述水阀控制器的信号输出端。
本发明的另一个目的在于提供一种中央空调系统末端设备节能优化控制方法，包括操作面板、风机控制器、水阀控制器、室内温度传感器、冷冻水供水温度传感器、冷冻水回水温度传感器、冷冻水调节阀和变频风机；所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：用户在所述操作面板中输入房间设定温度ts和冷冻水供回水温差tw；当不输入时，采用默认值，房间设定温度默认为26℃，冷冻水供回水温差默认为5℃；
步骤2：在末端设备运行过程中，所述室内温度传感器、冷冻水供水温度传感器和冷冻水回水温度传感器分别实时检测空调房间温度tr、通过末端设备的冷冻水的供水温度twi和冷冻水的回水温度two，并把空调房间温度信号输出至所述风机控制器，把冷冻水的供水温度信号和回水温度信号输出至所述水阀控制器；
步骤3：在所述风机控制器中，将采集到实时的空调房间温度tr与房间设定温度ts进行比较，计算得到房间温度偏差Δ1：Δ1＝ts-tr；
步骤4：判断房间温度偏差Δ1是否等于0，是则执行步骤8；否则，执行步骤5；
步骤5：继续判断Δ1是否大于0，是则执行步骤6；否则，执行步骤7；
步骤6：若Δ1＞0，所述冷冻水调节阀开度不变，将房间温度偏差Δ1作为输入信号发送至所述风机控制器的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为风机控制信号，所述风机控制器将风机控制信号发送至所述变频风机控制所述变频风机转速减小；
步骤7：若Δ1＜0，所述冷冻水调节阀开度不变，将房间温度偏差Δ1作为输入信号发送至所述风机控制器的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为风机控制信号，所述风机控制器将风机控制信号发送至所述变频风机控制所述变频风机转速增大；
步骤8：若Δ1＝0，将采集到实时的冷冻水的供水温度twi和冷冻水的回水温度two计算后与设定的冷冻水供回水温差Δtw进行比较，计算得到冷冻水供回水温差偏差Δ2：Δ2＝Δtw-(two-twi)；
步骤9：判断冷冻水供回水温差偏差Δ2是否等于0，是则执行步骤10；否则，执行步骤11：
步骤10：若Δ2＝0，保持所述变频风机转速与所述冷冻水调节阀开度不变；
步骤11：继续判断Δ2是否大于0，是则执行步骤12；否则，执行步骤13；
步骤12：若Δ2＞0，所述变频风机转速不变，将冷冻水供回水温差偏差Δ2作为输入信号发送至所述水阀控制器的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为水阀控制信号，所述水阀控制器将水阀控制信号发送至所述冷冻水调节阀控制所述冷冻水调节阀开度减小；
步骤13：若Δ2＜0，所述变频风机转速不变，将冷冻水供回水温差偏差Δ2作为输入信号发送至所述水阀控制器的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为水阀控制信号，所述水阀控制器将水阀控制信号发送至所述冷冻水调节阀控制所述冷冻水调节阀开度增大。
优选地，在运行过程中，调节所述变频风机转速优先控制空调房间温度，空调房间温度满足后调节所述冷冻水调节阀开度控制冷冻水供回水温差，在所述步骤3之后，若房间温度偏离设定值，执行步骤6和步骤7；若房间温度达到设定值，冷冻水供回水温差偏离设定值，执行步骤12和步骤13。
优选地，所述步骤12中，所述冷冻水调节阀开度控制下的冷冻水流量不低于额定流量的40％。
本发明提供的中央空调系统末端设备节能优化控制系统及方法的有益效果在于：
1.本发明对中央空调末端设备同时进行冷冻水流量和送风量的调节，根据风机的相似率，风机能耗可大幅度下降；通过仿真研究表明，采用本发明的控制系统时，在房间负荷变为80％时，末端设备的风量稳定在73％额定风量，如果按相似定率，能耗仅为38.9％额定能耗；而在常规的中央空调系统末端设备中，风机一般采用三速风机，并且交由使用者手动控制，无法保证随时调节，风机常处于高速运转状态，能耗较大；
2.本发明通过增加了对冷冻水供回水温差控制的回路，以冷冻水温差的偏差值调节水阀开度，在有限较短的时间内，有效控制冷冻水供回水温差，克服了传统控制方式上存在的“大流量小温差”的问题，节省了冷冻水泵的输送能耗；另外，当所有末端经控制调节后，冷冻水供回水温差都达到设定值后，可以提高整个冷冻水系统的稳定性；
3.本发明对室内房间温度和冷冻水供回水温度的不断采集并通过控制算法运算处理，自动输出控制信号至风机控制回路和水阀控制回路，调节变频风机转速和冷冻水调节阀的开度，通过调节后，超调量较小，稳定时间快，室内温度能快速达到稳定值，达到稳定、节能、舒适的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的流程图；
图3为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的效果图；
图4为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的冷冻水出水温度响应曲线图；
图5为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的当额定负荷变为80％负荷时送风量(相对)的响应曲线。
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。
实施例1
本发明实施例1提供了一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统，如图1所示，包括操作面板1、风机控制器2、水阀控制器3、室内温度传感器4、冷冻水供水温度传感器5、冷冻水回水温度传感器6、冷冻水调节阀7和变频风机8，风机控制器2和水阀控制器3内部均设置有PID运算模块；
操作面板1连接风机控制器2和水阀控制器3的信号输入端，室内温度传感器4与风机控制器2的信号输入端连接，变频风机8连接风机控制器2的信号输出端，冷冻水供水温度传感器5和冷冻水回水温度传感器6均与水阀控制器3的信号输入端连接，冷冻水调节阀7连接水阀控制器3的信号输出端。本实施例中，操作面板1会与控制器2、控制器3有数据的交互过程，比如操作面板需要显示房间温度、冷冻水温差的话，数据需要分别从控制器2、控制器3中提取，同时，还通过操作面板1向控制器输入设定温度等参数，因此操作面板1和控制器2、控制器3是通过双向通道进行连接的。
在上述系统基础上，本实施例还提供了一种中央空调系统末端设备节能优化控制方法，图2为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的流程图，控制方法包括以下步骤：
步骤1：用户在操作面板1中输入房间设定温度ts和冷冻水供回水温差tw；当不输入时，采用默认值，房间设定温度默认为26℃，冷冻水供回水温差默认为5℃；
步骤2：在末端设备运行过程中，室内温度传感器4、冷冻水供水温度传感器5和冷冻水回水温度传感器6分别实时检测空调房间温度tr、通过末端设备的冷冻水的供水温度twi和冷冻水的回水温度two，并把空调房间温度信号输出至风机控制器2，把冷冻水的供水温度信号和回水温度信号输出至水阀控制器3；
步骤3：在风机控制器2中，将采集到实时的空调房间温度tr与房间设定温度ts进行比较，计算得到房间温度偏差Δ1：Δ1＝ts-tr；
步骤4：判断房间温度偏差Δ1是否等于0，是则执行步骤8；否则，执行步骤5；
步骤5：继续判断Δ1是否大于0，是则执行步骤6；否则，执行步骤7；
步骤6：若Δ1＞0，冷冻水调节阀7开度不变，将房间温度偏差Δ1作为输入信号发送至风机控制器2的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为风机控制信号发送至风机控制器2，风机控制器2将风机控制信号发送至变频风机8控制变频风机8转速减小；
步骤7：若Δ1＜0，冷冻水调节阀7开度不变，将房间温度偏差Δ1作为输入信号发送至风机控制器2的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为风机控制信号发送至风机控制器2，风机控制器2将风机控制信号发送至变频风机8控制变频风机8转速增大；
步骤8：若Δ1＝0，将采集到实时的冷冻水的供水温度twi和冷冻水的回水温度two计算后与设定的冷冻水供回水温差Δtw进行比较，计算得到冷冻水供回水温差偏差Δ2：Δ2＝Δtw-(two-twi)；
步骤9：判断冷冻水供回水温差偏差Δ2是否等于0，是则执行步骤10；否则，执行步骤11：
步骤10：若Δ2＝0，保持变频风机8转速与冷冻水调节阀7开度不变；
步骤11：继续判断Δ2是否大于0，是则执行步骤12；否则，执行步骤13；
步骤12：若Δ2＞0，变频风机8转速不变，将冷冻水供回水温差偏差Δ2作为输入信号发送至水阀控制器3的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为水阀控制信号，水阀控制器3将水阀控制信号发送至冷冻水调节阀7控制冷冻水调节阀7开度减小；
步骤13：若Δ2＜0，变频风机8转速不变，将冷冻水供回水温差偏差Δ2作为输入信号发送至水阀控制器3的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为水阀控制信号，水阀控制器3将水阀控制信号发送至冷冻水调节阀7控制冷冻水调节阀7开度增大。
需要说明的是，本实施例在运行过程中，调节变频风机8转速优先控制空调房间温度，空调房间温度满足后调节冷冻水调节阀7开度控制冷冻水供回水温差，在步骤3之后，若房间温度偏离设定值，执行步骤6和步骤7；若房间温度达到设定值，冷冻水供回水温差偏离设定值，执行步骤12和步骤13。
同时，在步骤12中，冷冻水调节阀7开度控制下的冷冻水流量不低于额定流量的40％。如果不考虑冷冻水供水温度的偏差，可以省略冷冻水供水温度传感器5。
图3为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的效果图，具体为应用Matlab软件中的Simulink工具对本实施例的中央空调系统末端设备节能优化控制方法与传统的单变水量控制方法在70％的额定负荷下进行仿真模拟得到的空调房间的温度响应曲线。从图中可以看出，两种控制方式下，房间温度均能根据负荷变化自动调节并稳定在给定温度，但明显的，基于本实施例的控制下的房间温度稳定时间比较短，说明本实施例采用的中央空调系统末端设备优化控制方法应用在末端设备的控制中，可以使被控房间温度可以很快接近设定温度，达到稳定状态，获得较好的调节性能，提高室内舒适性。
图4为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的冷冻水出水温度响应曲线图，具体为应用Matlab软件中的Simulink工具对本实施例的中央空调系统末端设备节能优化控制方法在70％的额定负荷下进行仿真模拟得到的冷冻水出水温度响应曲线，冷冻水供水温度默认为7℃，设定冷冻水供回水温差为5℃，即冷冻水出水温度为12℃。由图4可以看出经过短暂调节过程后，末端设备换热器冷冻水出水温度稳定在给定的12℃。说明本实施例采用的中央空调系统末端设备优化控制方法应用在末端设备的控制中时，可以在满足房间温度的条件下，冷冻水出水温度也能达到设定值。即同时满足了房间舒适性和冷冻水温差的要求，这是常规的控制方法所不具备的。
图5为本发明实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法的当额定负荷变为80％负荷时风量(相对)的响应曲线。从图中可以看出，在房间负荷变为80％时，末端设备的风量稳定在73％额定风量，能耗与风量不做调节的系统相比，如果按相似定率，能耗仅为38.9％额定能耗。说明本实施例1提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法下的风机具有节能效益。
本实施例提供的中央空调系统末端设备节能优化控制方法具有以下有益效果：
(1)本实施例对中央空调末端设备同时进行冷冻水流量和送风量的调节，根据风机的相似率，风机能耗可大幅度下降。通过仿真研究表明，采用本实施例的控制方法时，在房间负荷变为80％时，末端设备的风量稳定在73％额定风量，如果按相似定率，能耗仅为38.9％额定能耗。而在常规的中央空调系统末端设备中，风机一般采用三速风机，并且交由使用者手动控制，无法保证随时调节，风机常处于高速运转状态，能耗较大；
(2)本实施例通过增加了对冷冻水供回水温差控制的回路，以冷冻水温差的偏差值调节水阀开度，在有限较短的时间内，有效控制冷冻水供回水温差，克服了传统控制方式上存在的“大流量小温差”的问题，节省了冷冻水泵的输送能耗。另外，当所有末端经控制调节后，冷冻水供回水温差都达到设定值后，可以提高整个冷冻水系统的稳定性；
(3)本实施例对室内房间温度和冷冻水供回水温度的不断采集并通过控制算法运算处理，自动输出控制信号至风机控制回路和水阀控制回路，调节风机风速和浮点阀的开度，通过调节后，超调量较小，稳定时间快，室内温度能快速达到稳定值，达到稳定、节能、舒适的目的。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种中央空调系统末端设备节能优化控制系统，其特征在于，包括操作面板(1)、风机控制器(2)、水阀控制器(3)、室内温度传感器(4)、冷冻水供水温度传感器(5)、冷冻水回水温度传感器(6)、冷冻水调节阀(7)和变频风机(8)，所述风机控制器(2)和水阀控制器(3)内部均设置有PID运算模块；
所述操作面板(1)连接所述风机控制器(2)和水阀控制器(3)的信号输入端，所述室内温度传感器(4)与所述风机控制器(2)的信号输入端连接，所述变频风机(8)连接所述风机控制器(2)的信号输出端，所述冷冻水供水温度传感器(5)和冷冻水回水温度传感器(6)均与所述水阀控制器(3)的信号输入端连接，所述冷冻水调节阀(7)连接所述水阀控制器(3)的信号输出端。
2.一种中央空调系统末端设备节能优化控制方法，其特征在于，包括操作面板(1)、风机控制器(2)、水阀控制器(3)、室内温度传感器(4)、冷冻水供水温度传感器(5)、冷冻水回水温度传感器(6)、冷冻水调节阀(7)和变频风机(8)；所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：用户在所述操作面板(1)中输入房间设定温度ts和冷冻水供回水温差tw；当不输入时，采用默认值，房间设定温度默认为26℃，冷冻水供回水温差默认为5℃；
步骤2：在末端设备运行过程中，所述室内温度传感器(4)、冷冻水供水温度传感器(5)和冷冻水回水温度传感器(6)分别实时检测空调房间温度tr、通过末端设备的冷冻水的供水温度twi和冷冻水的回水温度two，并把空调房间温度信号输出至所述风机控制器(2)，把冷冻水的供水温度信号和回水温度信号输出至所述水阀控制器(3)；
步骤3：在所述风机控制器(2)中，将采集到实时的空调房间温度tr与房间设定温度ts进行比较，计算得到房间温度偏差Δ1：Δ1＝ts-tr；
步骤4：判断房间温度偏差Δ1是否等于0，是则执行步骤8；否则，执行步骤5；
步骤5：继续判断Δ1是否大于0，是则执行步骤6；否则，执行步骤7；
步骤6：若Δ1＞0，所述冷冻水调节阀(7)开度不变，将房间温度偏差Δ1作为输入信号发送至所述风机控制器(2)的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为风机控制信号，所述风机控制器(2)将风机控制信号发送至所述变频风机(8)控制所述变频风机(8)转速减小；
步骤7：若Δ1＜0，所述冷冻水调节阀(7)开度不变，将房间温度偏差Δ1作为输入信号发送至所述风机控制器(2)的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为风机控制信号，所述风机控制器(2)将风机控制信号发送至所述变频风机(8)控制所述变频风机(8)转速增大；
步骤8：若Δ1＝0，将采集到实时的冷冻水的供水温度twi和冷冻水的回水温度two计算后与设定的冷冻水供回水温差Δtw进行比较，计算得到冷冻水供回水温差偏差Δ2：Δ2＝Δtw-(two-twi)；
步骤9：判断冷冻水供回水温差偏差Δ2是否等于0，是则执行步骤10；否则，执行步骤11：
步骤10：若Δ2＝0，保持所述变频风机(8)转速与所述冷冻水调节阀(7)开度不变；
步骤11：继续判断Δ2是否大于0，是则执行步骤12；否则，执行步骤13；
步骤12：若Δ2＞0，所述变频风机(8)转速不变，将冷冻水供回水温差偏差Δ2作为输入信号发送至所述水阀控制器(3)的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为水阀控制信号，所述水阀控制器(3)将水阀控制信号发送至所述冷冻水调节阀(7)控制所述冷冻水调节阀(7)开度减小；
步骤13：若Δ2＜0，所述变频风机(8)转速不变，将冷冻水供回水温差偏差Δ2作为输入信号发送至所述水阀控制器(3)的PID运算模块进行PID算法运算处理，并将运算结果作为水阀控制信号，所述水阀控制器(3)将水阀控制信号发送至所述冷冻水调节阀(7)控制所述冷冻水调节阀(7)开度增大。
3.根据权利要求2所述的中央空调系统末端设备节能优化控制方法，其特征在于，在运行过程中，调节所述变频风机(8)转速优先控制空调房间温度，空调房间温度满足后调节所述冷冻水调节阀(7)开度控制冷冻水供回水温差，在所述步骤3之后，若房间温度偏离设定值，执行步骤6和步骤7；若房间温度达到设定值，冷冻水供回水温差偏离设定值，执行步骤12和步骤13。
4.根据权利要求2所述的中央空调系统末端设备节能优化控制方法，其特征在于，所述步骤12中，所述冷冻水调节阀(7)开度控制下的冷冻水流量不低于额定流量的40％。
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