CN108826592A

CN108826592A - 一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法

Info

Publication number: CN108826592A
Application number: CN201710303858.9A
Authority: CN
Inventors: 王丹; 刘开欣; 杨献莘; 兰宇; 贾宏杰
Original assignee: Tianjin University (qingdao) Marine Engineering Research Institute Co Ltd
Current assignee: Tianjin University (qingdao) Marine Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-16

Abstract

一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法通过网络化控制，通过对多联机中央空调机组进行数学描述，构建多联机中央空调机组的系统仿真模型，提出一种基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法；该方法在实现联网集中监控各项功能的同时，还可避免多联机集中空调系统在非工作时间及非空调季节的待机能耗，从而大幅降低多联机集中空调系统的运行能耗；同时投资少，控制灵活，节约空间。

Description

一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法

技术领域

本发明涉及多联机中央空调的节能控制领域，尤其涉及一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法。

背景技术

近年来，中央空调系统被广泛应用于大中型建筑的室内温湿度调节。在大中型建筑中，中央空调系统相比于分体空调具有使用方便、投资低、噪音小、维护容易等众多优势。然而，目前市面上的中央空调控制系统仍面临着许多问题：(1)中央空调控制系统大多仍采用房间独立控制的分散控制方式，在房间较多的建筑中进行空调开关及温度的管理耗时费力；(2)空调运行于门开窗开及房间无人等情况下易造成大量的能源浪费。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法通过网络化控制，在实现联网集中监控各项功能的同时，还可避免多联机集中空调系统在非工作时间及非空调季节的待机能耗，从而大幅降低多联机集中空调系统的运行能耗；同时投资少，控制灵活，节约空间。

一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法，包括以下步骤：

（1）对多联机中央空调机组进行数学描述。多联机中央空调机组的关键部件为压缩机、电子膨胀阀、冷凝器以及蒸发器这四个部分，针对这四个关键部件进行仿真模型的建立，并最终构建多联机中央空调机组的系统仿真模型。

（2）提出一种基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法。

基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法流程图如图2所示。本方法通过对中央空调前端设备的网络化管理，实现对中央空调系统的集中控制。系统采用网络化结构，分为顶层中心控制单元、信息双向传输通道、终端执行控制器三个部分。其中，顶层中心控制单元负责各个终端的运行状态信息汇总、分析处理以及调控指令的制定，调控指令主要通过温度优先序列算法获得；信息双向传输通道负责调控指令及终端设备运行状态信息的双向交互；终端执行控制器包括控制面板、环境监测传感器及终端状态调节单元，用户可通过控制面板对终端运行参数进行设置并采集终端所处环境变化信息，环境监测传感器负责监测终端所处环境的动态变化，终端状态调节单元根据经由信息双向传输通道传导的顶层中心控制单元制定的调控指令调节终端的运行状态。

一种基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法，集一拖多技术、智能控制技术、多重健康技术、节能技术和网络控制技术等多种高新技术于一身，与多联机中央空调负荷模型相互配合，实现了对多联机中央空调有效的控制，满足用户对舒适性、方便性等多方面的要求。

附图说明

图1为本发明提供的多联机中央空调系统建模流程图；

图2为本发明提供的基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法流程图；

图3为本发明提供的网络化中央空调控制系统的网络拓扑；

图4为本发明提供的基于温度优先队列的控制算法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了有效实现多联机中央空调的节能控制，本发明实施例提供了一种基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法：

101：多联机中央空调的机理建模

（1）压缩机仿真模型建立

空调压缩机的运转频率较高，因此，压缩机动态变化的过程比制冷系统的时间常数要小，在进行仿真设计时，一般采用稳态模型进行计算。压缩机的制冷剂流量计算可以使用以下公式得到：

（1）

压缩机的排气温度的计算公式为：

（2）

压缩机的输入功率为：

（3）

公式中各项参数分别代表不同的含义。其中代表压缩机的转速。表示压缩机的排量。代表根据等熵过程计算出的排气焓值。表示压缩机的等熵效率。表示压缩机的流量系数。

（2）电子膨胀阀仿真模型的建立

空调制冷系统的电子膨胀阀的动作响应很快，因此这部分的变化对制冷系统的动态过程的影响不大，几乎可以忽略。但是对电子膨胀阀进行仿真计算，对于系统性能的优化具有十分重要的意义。电子膨胀阀一般都采用稳态仿真模型进行计算。

电子膨胀阀出口焓值的计算公式为：

（4）

制冷剂流量的计算公式为：

（5）

其中，和分别表示电子膨胀阀的流量系数和开口面积。

（3）冷凝器仿真模型的建立

冷凝器是空调的核心部分，对冷凝器进行动态仿真，需要在换热器中采用分区模型，即将冷凝器分为过热段、两相段以及过冷段三个部分，将蒸发器分为两相段和过热段两个部分，在分区模型的基础上，可以采用移动边界法进行冷凝器的动态仿真模型的建立。

在冷凝器模型中，假设制冷剂沿水平管作一维流动，同时冷凝器中的两相段在一种热力平衡的状态，并且对冷凝器的压力损失带来的影响进行忽略；假设空气是一维流动的，并且处于物性均匀的状态；假设冷凝器模型中管壁的轴向导热是忽略不计的。则可以对冷凝器的过热段、两相段以及过冷段进行守恒方程的建立。

其中冷凝器过热段的守恒方程为：

（6）

两相段的守恒方程为：

（7）

过热段的守恒方程为：

（8）

表示冷凝器空气流量。表示关联矩阵。

（4）蒸发器仿真模型的建立

蒸发器的分区模型与冷凝器的分区模型类似。

蒸发器两相段的能量守恒方程是：

（9）

过热段的能量守恒方程是：

（10）

在蒸发器的模型建立过程中，需要对管壁的能量守恒方程进行确定，即：

（11）

（5）系统仿真模型的建立

具体的系统仿真建模流程如图1所示。对系统进行仿真计算时，具体的计算过程包括几个步骤。第一，根据既定的制冷系统工作条件，对制冷系统初始时刻的各个参数的具体数值进行计算，得到相应的初始值。第二，在某个时刻，根据前一个时刻显示的结果，计算出该时刻系统方程需要的矩阵中的参数。第三，对状态参数对不同时间的微分值进行计算。第四，在前一时刻各个变量数值的基础上利用微分值对时间补偿进行相应的积分处理，得到各个状态中具体变量的数值。最后，利用所得到的变量值作为下一个时刻计算时的初始值，以此类推，循环连续地进行计算。

102：提出了基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法；

网络化控制是一种多联机中央空调控制系统节能控制方式。网络化中央空调控制系统的网络拓扑采用总线型结构，其网络拓扑如图3所示。对空调机组配置通信接口及智能网关，接入到能源管理系统，对多联机中央空调系统进行集中控制。通过顶层中心控制单元对多联机中央空调主机的远程管理，实现对于每个房间温度、风速等在内的集中控制和管理。通过终端执行控制器设置夏季开机温度、冬季开机温度、禁开季节、冬季夏季限温、上下班时间等参数；通过能源管理系统远程调节控制空调、异常使用空调报警：包括界面提示和短信报警等。通过网络化控制，在实现联网集中监控各项功能的同时，还可避免多联机集中空调系统在非工作时间及非空调季节的待机能耗，从而大幅降低多联机集中空调系统的运行能耗。

顶层中心控制单元

在本系统的顶层中心控制单元中，应用了基于温度优先队列的控制算法。该算法的控制流程图如图4所示。每一个时刻，系统都存在开启与关闭两个设备群，用如下两个集合加以描述：

(12)

(13)

其中，t为所研究的时刻，和为t时刻处于开启和关闭的两个设备群，所包含设备数目分别为和，可控设备数。不难看出：随着时间变化，和中设备数目和其中设备的运行状态均会发生变化，因此，数值也是时变的。按开启设备在前，关闭设备在后方式，对其进行编号，对应集合可表示为：

(14)

定义终端所处环境在t时刻的运行温度、设定温度、温度下限、温度上限和温度死区如下：

(15)

其中，,,和分别为第i台设备在t时刻的运行温度、设定温度、温度的上下限；为该时刻设备的温度死区，定义为：

(16)

由于设备的参数差异性，其运行功率也各不相同，因此定义设备群功率集合：

(17)

其中，为第i台设备在时刻t所消耗的电功率，内设备在t时刻从电网中汲取的功率可表示为：

(18)

在进行控制策略设置时，其关键在于如何遴选控制对象，以满足外界的控制量需求。为此我们分析设备在由开→关和由关→开两个变化过程的能量变化：

第i个设备由开→关：

当第i个设备在t时刻由开→关变化时，将有一台设备停止运行，因此有如下关系成立：

(19)

(20)

(21)

即当第i个设备由开→关变化时，系统供应给群内功率减少，同时群内设备数减1，而群内设备数加1，此时等效于在这群设备中削减了的负荷。

第i个设备由关→开：

当第i个设备在t时刻由关→开变化时，其过程与设备由开→关刚好相反，系统供应给群内功率增加，同时群内设备数加1，而群内设备数减1，此时等效于在这群设备中削减了的发电：

(22)

(23)

(24)

在控制策略设计时，综合运用上述两个过程即可实现对系统控制信号的响应。实现过程如下：

第一步，确定控制群。当需要减少系统负荷消耗时，对群设备实施控制，关停部分设备；当需要增加系统负荷消耗时，对群设备实施控制，开启部分设备。

第二步，确定具体控制设备。在t时刻，分两种情况考虑：

需减少系统负荷消耗时

在群内，从开始反向搜索以确定参与调控的设备组，需满足如下条件：

(25)

需增加系统负荷消耗时

(26)

第三步，根据需要依次关闭内各设备或开启内各设备，从而直接触发这些设备改变其运行状态。

通过上述方法得到系统的调控指令，并通过信息双向传输通道下发给终端执行控制器进行响应。

终端执行控制器

终端执行控制器包括控制面板、环境监测传感器及终端状态调节单元，用户可通过控制面板对终端运行参数进行设置，环境监测传感器负责监测终端所处环境的动态变化，终端状态调节单元根据经由信息双向传输通道传导的顶层中心控制单元制定的调控指令调节终端的运行状态。

此外，在网络数据包传输中，本系统使用了UDP嵌入式网络协议栈。另外，本系统在UDP协议的基础上设计了一套应用层协议，囊括了状态上报、事件上传、定时控制、数据透传等功能。协议采用一包多串数据的形式，并且自带数据校验。通过该协议，执行器可接收多条事件及状态消息，并可一次发布多条不同的控制命令。该协议保证了PC端能够及时收集每个房间的空调信息，并能实时地对前端空调进行单独或批量设置。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

Claims

1. 一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）对多联机中央空调机组进行数学描述

多联机中央空调机组的关键部件为压缩机、电子膨胀阀、冷凝器以及蒸发器这四个部分，针对这四个关键部件进行仿真模型的建立，并最终构建多联机中央空调机组的系统仿真模型；

（2）提出一种基于网络化控制的多联机中央空调系统控制方法

通过对中央空调前端设备的网络化管理，实现对中央空调系统的集中控制；系统采用网络化结构，分为顶层中心控制单元、信息双向传输通道、终端执行控制器三个部分。

2.根据权利要求1所述一种基于网络化控制的多联机中央空调控制方法，其特征在于：顶层中心控制单元负责各个终端的运行状态信息汇总、分析处理以及调控指令的制定，调控指令主要通过温度优先序列算法获得；信息双向传输通道负责调控指令及终端设备运行状态信息的双向交互；终端执行控制器包括控制面板、环境监测传感器及终端状态调节单元，用户可通过控制面板对终端运行参数进行设置并采集终端所处环境变化信息，环境监测传感器负责监测终端所处环境的动态变化，终端状态调节单元根据经由信息双向传输通道传导的顶层中心控制单元制定的调控指令调节终端的运行状态。