CN108931030A - 一种江水源热泵系统的节能控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种江水源热泵系统的节能控制方法及系统，其方法包括以下步骤：S1：构成建筑标准冷热能耗大数据；S2：根据建筑功能、用能时间和负荷分布差异，结合建筑标准冷热能耗大数据，进行建筑精细化分区，生成建筑各子区冷热用能需求动态曲线，且每隔一定时间更新一次动态曲线；S3：根据建筑冷热用能需求动态曲线，考虑空调系统的大滞后性和非线性，将江水源热泵系统分成设备启动阶段、稳态运行阶段以及设备停机阶段，进行分阶段控制；以及实时监测江水温度变化，当江水源热泵机组进出水温度差超过设定值时，变频控制相应水泵，调节水流量。本发明还包括一种江水源热泵系统的节能控制系统。本发明具有高效稳定、无污染，能耗小、节能效果显著等优点。

Description

一种江水源热泵系统的节能控制方法及系统

技术领域

本发明涉及空调节能控制领域，特别是一种基于大数据、三阶段与精细分区控制的江水源热泵系统的节能控制方法及系统。

背景技术

空调和采暖设备是建筑能耗中的大户，占建筑总能耗40％～50％，西方发达国家更是占到了60％～70％。可见，建筑节能潜力巨大。

目前中国建筑市场中央空调系统设计十分粗糙，存在严重的能源浪费现象，具体表现为：①盲目使用新能源技术，不注重能源供应系统和用能系统之间的匹配，造成整个空调系统运行效果较差，引起能源浪费和不必要的投资亏损；②中央空调系统初期设计时普遍采用负荷估算法，采取极值负荷作为设计基础数据，一般还会附加10％的裕量，导致设备容量增大20％～50％，出现“大马拉小车”的现象；③中央空调系统90％的时间在70％负荷以下波动运行，而现有的中央空调系统基本上还处于手动启停控制状态，无全局优化群控系统，导致机组和水泵运行效率低下，同时全人工管理模式，使得运营维护混乱，人工成本费用增加。

以冷热负荷为基础数据，进行系统设计，目前主要存在两个问题：①负荷计算不准确，冷热源系统选型过大，造成成本和能源的浪费；②负荷是动态变化的，温度和冷冻/却水是强耦合关系，未能充分挖掘利用冷水机组、水泵和风机的变频调速技术，现仅有的少数局部控制系统也是由电气专业设计，缺乏专业性、科学性。随着大数据和物联网技术的快速发展，行业内普遍认同结合大数据技术采用负荷预测方法、变频调速技术和先进控制策略是目前空调自控领域最重要的发展趋势。

另外，传统的压缩式制冷+锅炉的冷热源方式，电力能耗、污染较大，节能潜力有限。地下水源热泵技术是一种可再生能源技术的综合运用，但是中国目前地下水源热泵技术的运用主要存在以下问题：前期设计粗糙，机组选型过大，水处理不达标；施工不满足设计要求；运行阶段，缺少对热泵系统的有效监管，运营管理相对混乱，造成能源浪费。以上问题导致地下水源热泵系统整体工作性能下降，影响节能效率。

发明内容

为了避免或减缓中央空调系统普遍存在的非线性、时变及大滞后特点对建筑设备用能和室内热舒适环境的影响，充分挖掘和利用可再生能源技术，本发明的目的在于提出一种基于大数据、三阶段与精细分区控制的江水源热泵系统的节能控制方法及系统，以降低建筑空调设备能耗，减小环境污染，改善空调设备运营管理混乱等现状。

本发明的技术方案是：

本发明之一种江水源热泵系统的节能控制方法，包括以下步骤：

S1：将江水源热泵系统所服务的建筑物的内外环境信息进行采集；将采集的内外环境信息与中国五大气候区基础气象数据、各类功能建筑物冷热标准能耗数据进行分析处理，构成建筑标准冷热能耗大数据；

S2：根据建筑功能、用能时间和负荷分布差异，结合建筑标准冷热能耗大数据，进行建筑精细化分区，并生成建筑各子区冷热用能需求动态曲线，且每隔一定时间更新一次动态曲线；

S3：根据建筑冷热用能需求动态曲线，考虑空调系统的大滞后性和非线性，将江水源热泵系统分成设备启动阶段、稳态运行阶段以及设备停机阶段，进行分阶段控制，实现整体节能；以及实时监测江水温度变化，当热泵机组江水源侧进出水温度差超过设定值时，变频控制相应江水提升水泵，调节江水流量。

进一步，S1中，所述各类功能建筑物冷热标准能耗数据包括建筑当地气象条件数据、建筑功能、建筑体形系数、围护结构参数、空调面积、人员使用情况及建筑室内环境初始设计参数；所述建筑室内环境初始设计参数包括人体体感温度、湿度、温度、风速。

进一步，人体体感温度通过充分考虑人对环境的主观感受，在计算机内嵌体感温度计算模型，根据某时刻空气温度、辐射强度、湿度和风速的综合影响，生成动态体感温度曲线，指导负荷计算，其模型通过以下公式获得：

T＝T₁×K₁×K₂

式中：T为人体体感温度；T₁为空调室内设计温度；K₁为地区修正系数；K₂为季节修正系数。

进一步，S2中，所述建筑精细化分区是以区域冷热负荷为划分依据，根据建筑物内房间功能、用能人数、室外环境参数，当每平方米冷热负荷差异>30％时，就划分一个新的空调区域；新空调区域面积不小于500平方米，实现子区内温度独立控制。

进一步，S3中，所述设备启动阶段的时间范围t₁为1/6～2/3小时，冷热水流量控制为额定工况1.1～1.5倍；稳态运行阶段的时间t₂为t₀-t₁-t₃(t₀为系统运行总时间)，冷热水流量依据建筑冷热用能需求动态曲线执行；设备停机阶段的时间范围t₃为1/3～1/2小时，冷热水流量依据建筑冷热用能需求动态曲线执行。

此外，时间t₀、t₁、t₂和t₃因系统形式而异，需要根据机组容量、水路设置等具体情况而定。

进一步，S3中，所述设备启动阶段的控制方式包括以下步骤：

S301：根据环境参数决定最佳开机时间(主要由用能时间、室内外环境参数和系统容量所决定)；

S302：如果开机时间到，判断地下水水温是否处于设定温度范围内，超过设定温度范围，则报警并结束；在设定温度范围内，系统会进入开机模式界面；

S303：当选择夏季制冷模式时，先监测主机是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则监测江水源侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后顺次开启水处理设备；开启后，监测水处理设备是否正常启动，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启江水提升泵及相关阀门；开启后，检测冷冻水侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启冷冻水泵及相关阀门；隔一定时间后再开启江水源热泵机组主机，从而完成夏季制冷模式的启动阶段；

S304：当选择冬季制热模式时，则相关阀门换向至冬季制热模式，具体包括：先监测主机是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，检测冷冻水侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启冷水侧水泵及相关阀门；开启后，检测江水源侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后顺次开启水处理设备；再监测水处理设备是否正常启动，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启江水提升泵及阀门；再隔一定时间后开启江水源热泵机组主机，从而完成冬季制热模式的启动阶段。

进一步，所述稳态运行阶段的控制方式包括以下步骤：

S311：开启江水源热泵机组后，先检测蒸发器进出口水温，判断进出水口的温差ΔT1是否等于设定温差值，若等于，则按原状态运行；若不等于，则通过PID温差控制，调节冷冻水泵频率及相关阀门开度；

S312：检测蒸发器进出口水温，再次判断进出口温差ΔT1是否等于设定温差值，若不等于，则继续进行PID温差调节；若调节后，ΔT1等于设定温差值，则在设定温差范围内运行；

S313：检测冷凝器进出口水温，判断进出水口的温差ΔT2是否等于设定温差值，若不等于，则通过PID温差控制，调节相应江水提升泵及相关阀门开度，直至ΔT2等于设定温差值，由此完成稳态运行阶段的运行。

进一步，所述设备停机阶段的控制方式包括以下步骤：

S321：根据环境参数决定最佳关机时间(主要由室内外环境参数和系统管道存水冷却能力共同决定)；

S322：如果关机时间到，则关闭江水源热泵机组主机；

S323：隔一定时间后检测江水源热泵机组主机信号，确认主机是否关机，若未关机，则向系统主机报警；若已关机，隔一定时间后关闭江水提升泵；

S324：确认江水提升泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，隔一定时间后关闭水处理装置泵；

S325：确认水处理装置泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，隔一定时间后关闭冷冻水泵；

S326：确认冷冻水泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，再关闭水路所有阀门，从而完成停机阶段的运行。

本发明之一种江水源热泵系统的节能控制系统，包括：

综合管理层，用于对数据进行综合分析和处理，根据所采集的建筑内外环境信息，并根据建筑标准冷热能耗大数据，生成建筑各子区冷热用能需求动态曲线，再根据实际需求的冷热负荷，生成新的建筑冷热用能需求动态曲线，且每隔15～30min更新一次动态曲线；以及完成各项指令的下达；

智能控制层，用于接受综合管理层的指令，并反馈设备层的信息；

设备层，用于接收传感器单元发送来的数据信息，并控制执行单元动作。

进一步，所述传感器单元用于实时采集建筑内外环境信息，包括空调设备实时监测参数、空调水系统实时监测参数、江水实时监测参数、室内典型房间实时监测参数、室外环境实时监测参数。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的基于大数据的建筑标准冷热负荷预测模型，充分考虑了室外环境气象参数、建筑功能(即考虑建筑类型、建筑用途、使用特征、用能时间特征等)、建筑基本参数(体型系数、围护结构、空调面积、用能人数、室内环境设计参数等)，同时以丰富的传感器为硬件支撑，采集存储空调运行时的各项参数，经过复杂的计算分析生成建筑负荷动态变化曲线，预测接下来某一时刻负荷变化趋势，提前调节冷热水流量。该模型极大程度上克服了建筑负荷变化的不确定性带来的控制调节困难，避免“大马拉小车”的现象，使系统总能效可以在原有系统效率基础上再提高5％-30％；缩短50％～85％的由空调系统滞后性带来的调节时间差，保证室内温度波动在1.0℃范围内；同时该模型具有自学习功能，对存储的数据进行综合分析，寻找用能规律，随着时间的的推移，负荷预测将越来越准确，由于数据库记录了建筑全年能耗数据，为后期建筑节能分析提供了基础资料。

(2)本发明提供的基于大数据的建筑冷热标准能耗预测模型，将人体的体感温度作为重要的考量标准，参与建筑冷热负荷的计算。而当前的空调设计，采用不变的设计温度(如夏季26℃，冬季18℃)，没有考虑到湿度、辐射和风速对人感受的综合影响，相同的设计温度，在不同时刻给人带来的主观感受是不同的；而将体感温度纳入空调设计中，不仅保障了高品质的热环境，还可能有节能的潜力。

(3)本发明提供的建筑精细化分区的方法，避免了传统粗糙分区带来的弊端，充分考虑建筑特征、建筑功能、建筑冷热负荷、用能时间特征等，能够避免由于室内设计参数、建筑功能、人员使用情况、外界环境影响等差异引起的控制困难，同时在一定程度上达到节能目的，保证了室内热舒适环境品质，达到控制方便灵活、降低能耗和保障高品质热环境的目的。

(4)本发明提供的设备三阶段启停控制策略，启动阶段通过优化开机程序，降低不必要的设备启动能耗，达到快速启动的目的；稳定运行阶段以负荷预测模型和精确控制手段，有效克服系统的滞后性，保障高品质室内环境；停机阶段充分考虑系统自身的冷却能力，提前停机，降低设备能耗。

(5)本发明采用的地下水源热泵空调系统，属于可再生能源技术的综合开发利用。地下水体量大且水温常年较为稳定，是良好的低温热源。因地制宜的使用地源热泵中央空调系统，可以实现节能环保的目的，与传统机械制冷+锅炉的冷热源方式相比，年均节能率在40％以上。同时经过精确地负荷计算和预测，可以有效避免设备选型过大的问题，精细分区和实时监测有效保证了高品质的室内热环境。

(6)在稳态运行阶段中，通过检测蒸发器和冷凝器的进出口水温，当进出口温差偏离设定值时，对水泵进行变频调节，通过调整流速，达到恒定进出口温度的目的，即达到恒定江水进出口温度的目的，使得江水源热泵机组始终处于高效、稳定的运行状态。

(7)通过将构建建筑标准冷热负荷预测模型、精细分区控制与分阶段控制相结合，充分利用了大数据技术、物联网技术、变频调速技术和新能源技术，实现了中央空调系统的优化节能控制；与传统的机械制冷+锅炉的冷热源方式相比，降低建筑设备能耗40％～65％、降低维护运营成本费用50％～80％，同时空调时间内室温波动不高于1℃。

附图说明

图1是本发明实施例江水取水方式示意图；

图2是本发明实施例江水源热泵系统结构示意图；

图3是本发明实施例江水源热泵系统开机阶段控制逻辑图；

图4是本发明实施例江水源热泵系统运行阶段控制逻辑图；

图5是本发明实施例江水源热泵系统停机阶段控制逻辑图；

图6是本发明实施例建筑标准冷热负荷预测模型工作原理图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

一种江水源热泵系统的节能控制包括基于大数据分析处理的建筑标准冷热负荷预测模型、建筑精细化分区控制和空调设备三阶段启停控制三部分。

本发明中，建筑标准冷热负荷预测模型，即建筑标准冷热能耗数据库，主要包括设计阶段建筑原始数据(如建筑当地气象条件数据、建筑功能、建筑体形系数、围护结构参数、空调面积、人员使用情况及建筑室内环境初始设计参数等)、系统运行阶段实时数据采集与存储单元、数据综合处理单元三个部分。

其中，建筑当地气象条件数据是指与天气相关的各种数据，如太阳辐射、温度、湿度、气压、风速、降雨量等，可通过相对应的传感器进行检测。所述的建筑功能包括建筑类型(如居住房屋、商场、学校、工厂等)、建筑用途(如居住、商业、教育、厂房等)、用能时间特征(如用能频率、时间)等。所述的建筑体形系数是指建筑物与室外空气接触的外表面积与建筑体积的比值，该比值可通过相关软件计算得出。所述的围护结构参数是指建筑及房间各面的围挡物，如门、窗、墙等，能够有效地抵御不利环境的相关设计参数，如传热系数、遮阳系数、气密性等。所述的人员使用情况是指建筑内或不同层、不同区内的用能人数。所述的建筑室内环境初始设计参数包括人体体感温度、湿度、风速等相关参数。上述的设计阶段建筑原始数据共同构建而成的冷热负荷需求数据精确度达到全年逐时基准，其中建筑功能、建筑基本参数(包括建筑体型系数、围护结构参数、空调面积、人员使用情况)、建筑室内环境设计参数在节能系统运行初始，需根据实际情况重新设定参数。

前述的人体体感温度，是指通过充分考虑人对环境的主观感受，在计算机内嵌体感温度计算模型，根据某时刻空气温度、辐射强度(综合考虑太阳辐射、墙体辐射及室内其他物体辐射等)、湿度和风速的综合影响，生成动态体感温度曲线，指导负荷计算。其简化模型可以看成是对空调室内设计温度(规范要求温度)加以修正，考虑地区和季节性带来的影响，简化计算公式如下:

T＝T₁×K₁×K₂

式中：T为人体体感温度(℃)；T₁为空调室内设计温度(℃)；K₁为地区修正系数(南方地区0.8～0.92，北方地区0.85～0.95)；K₂为季节修正系数(夏季0.85～0.95，冬季1.05～1.15，过渡季1.0)。

上述设计阶段建筑原始数据和系统运行阶段实时采集的数据均存储在存储单元中。根据设计阶段建筑原始数据和系统运行阶段实时采集的数据，数据综合处理单元自动完成计算生成冷热用能需求动态曲线，并能根据用户需求自主设定数据更新时间，一般以15～30min为宜。

本发明的建筑标准冷热负荷预测模型能够很好的减缓空调系统的大滞后性，克服了负荷变化的不确定性，同时该模型具有自学习功能，对存储的数据进行综合分析，寻找用能规律，随着时间的的推移，负荷预测将越来越准确，由于数据库记录了建筑全年能耗数据，为后期建筑节能分析提供了基础资料。

本发明中，建筑精细化分区控制是以区域冷热负荷为划分依据，根据建筑物内房间功能、用能人数、室外环境参数，当每平方米冷热负荷差异>30％时，就划分一个新的空调区域，并且新空调区域面积不宜小于500平方米，实现子区内温度独立控制。精细化分区的目的在于避免由于室内设计参数、建筑功能、人员使用情况、外界环境影响等差异引起的控制困难，同时在一定程度上达到节能目的，保证了室内热舒适环境品质。

三阶段启停控制包括设备启动阶段、稳态运行阶段和设备停机阶段，该控制策略有别于传统的顺序控制。本发明的启动阶段要充分考虑设备的启停时间、启停顺序(地下水源热泵机组、冷冻/却水水泵等)、系统水容量和管道的物理长度，给出精确地启停时间控制量。同时由于系统的滞后性和快速带走室内余热(进行室内预热)，在启动阶段加大冷热水流量(为额定流量的1.1～1.5倍)，达到快速启动的目的，从而快速进行室内原始冷热负荷排出。设备启动至稳态运行阶段的时间范围优选为0.5小时以内；第二阶段为稳态运行阶段，时间限定为用能系统工作时间减去第一阶段以及第三阶段的时间，冷热水流量依据标准冷热需求曲线执行。稳态运行阶段严格以负荷预测模型输出数据为依据，通过变频调速技术控制冷热水流量，达到节能目的。第三阶段为冷热主机系统关闭阶段，时间为t₃，冷热水流量依据标准冷热需求曲线执行，即用能结束时间前t₃小时，关闭冷热主机系统(时间t₃由室内外环境参数和冷冻水管路存水冷却能力共同决定)。由于准确计算提前开关机的时间量，减少了设备不必要的运行时间，达到节能目的。

上述江水源热泵系统的节能控制方法具体包括以下步骤：

S101：将江水源热泵系统所服务的建筑物的内外环境信息，通过物联网技术进行采集；采集的信息上传至中央主机进行分析比对，中央主机内嵌了中国五大气候区基础气象数据、各类功能建筑物冷热标准能耗数据，构成建筑标准冷热能耗大数据；

S102：根据所采集的建筑内外环境信息，进行建筑精细化分区，并生成建筑各子区冷热用能需求动态曲线，每15分钟更新一次；

S103：江水源热泵中央空调系统的室内末端、冷冻水泵、阀门、江水源侧水泵及热泵主机，及时响应中央主机所发的指令，按照建筑冷热用能需求动态曲线，并分阶段、考虑调节段长度与流体流速所导致的时间延后基础上，进行变流量调节，实现江水源热泵系统在设备启动阶段、稳态运行阶段以及设备停机阶段的整体节能控制。

上述分阶段进行控制，能够保证空调时间内室内温度波动不高于1℃，使系统总能效在原有效率基础上再提高5％-30％；实时监测江水温度变化，当江水源热泵机组进水温差上下波动超过1.0℃时，变频调速控制水泵，调节水流量，从而保证江水源热泵机组冷凝器(夏季)进出口水温恒定，使得系统稳定高效运行。

为达到上述目的，本发明还提供了一种以江水源热泵系统为基础的中央空调控制系统，包括监测数据的上传、控制数据的下发和综合处理服务器三部分，其中监测数据的上传需要各种传感器实时采集数据，其内容包括空调设备实时监测参数、空调水系统实时监测参数、江水实时监测参数、室内典型房间实时监测参数、室外环境实时监测参数；控制数据的下发是指综合处理服务器根据上传的监测数据，经过分析处理下发控制数据进行空调系统的优化管理，内容包括空调主机的启停与变频控制、各类水泵启停与变频控制、各电控阀门启停与流量调节控制等；综合处理服务器是整个控制系统的核心，包括对数据的处理分析生成冷热负荷预测模型、控制数据的下发、报警预警系统、信息数据显示及人机交互。

以下为本发明的一个优选实施例：

本案例为实际工程项目：重庆市某办公建筑污水源热泵中央空调系统设计。

该项目位于重庆市，是一栋小型六层办公建筑空调方案设计。建筑占地面积650平方米，空调区面积3100平方米，功能房间主要有事务大厅、办公室、会议室、接待室等。经过实地勘察调研和工程技术经济分析，拟采用江水源热泵系统为用户提供制冷和采暖，夏季设计冷水供回水温度7/12℃，冬季设计热水供回水温度40/45℃。相应的设计参数见表1、表2：

表1.室外环境设计参数

表2.室内环境设计参数

经过计算，夏季空调总冷负荷为210.8kw；冬季空调热负荷为165.5kw(包括新风负荷)。

根据实地调研发现，该项目邻近长江，距离长江直线距离350米。通过对相应流段的水质、水温、水量等监测和查阅相应水文资料，经过工程技术经济分析，一致确定采用江水源热泵系统为建筑供冷供热。

长江该段流域，夏季月平均水温为22～25℃，冬季月平均水温为11～16℃，满足江水源热泵机组对水温的要求。其中相关累年水质数据与江水源热泵机组要求水质指标如表3：

表3.长江重庆段水质数据

重庆段夏季月均含沙量为307～920mg/L，冬季月均含沙量为23～42mg/L，年平均含沙量为522mg/L，不满足江水源热泵机组的要求。江水含沙量是制约江水源热泵机组运行的重要因素之一，应对其进行相应的水处理措施。

通过实地考察，以及和重庆市水务局部门沟通，采用固定式广口井顶管取水方式，其示意图见附图1。在江岸附近设置水泵房1，水泵房1的下部连接江水引用管2，江水引用管2的端部设有吸水喇叭口3，用于吸入大量的江水。江水经江水引用管进入集水井4内，由于影响热泵工作的主要因素是江水含沙量和浊度，因此需要设置相应的水处理设备6。例如，江水提升泵5的入水口采用40目格栅61过滤，过滤大块漂流物后再使江水进入江水提升泵5；江水提升泵5的出水口处通过管道依次连接旋流除砂器、水综合处理器和胶球清洗装置，采用旋流除砂器，主要去除江水中的泥沙、固体颗粒和悬浮物，降低江水含沙率和浊度；再通过水综合处理器和胶球清洗装置，进一步提高水的质量，以满足热泵用水的水质要求。过滤后的江水泵送至江水源热泵机组。上述过滤设备仅是本发明的一个优选实施例，并不具体限定本发明。

经过暖通专业人员设计，整个系统采用江水源热泵机组+风机盘管+新风机组形式的空调系统，设备置于地下负一层设备用房，满足用户对冷热量的需求。由于系统较小，为方便控制，冬夏季空调模式切换采用内切换(通过四通换向阀换向)的方法；为了减小水泵能耗，江水源侧采用7℃的大温差换热，夏季设计进水温度24℃；由于空调系统较小，尾水直接排放到下流河域，对江水及周围生态的影响可忽略不计。其中央空调系统图见附图2。本实施例包括75台风机盘管、6台新风机组和冷冻水泵7。由于各部件之间的连接关系已是现有技术，此处不再赘述。

考虑0.8的同时使用系数，其系统主要设备选型参数见表4、表5。

表4.江水源热泵机组设备参数

表5.水泵选型具体参数表

根据空调区使用功能、时间和负荷上的差异，采用建筑精细化分区控制的思想。其中一层事务大厅为一个分区；二、三、四层主要为办公室，用能时间较为统一，负荷占比均匀，为一个空调区；五、六层主要为会议室和档案室，空间较大，使用时间短且不固定，划分为一个空调区。

为了达到节能与精确控制的目的，该系统还有一套完整的监测和控制系统：在建筑四侧外墙上分别预埋1个温湿度传感器，在南侧外墙上设置1台太阳辐照仪，在典型代表房间(如办公室、会议室、接待室等)各设置1个温湿度传感器和1个CO₂浓度检测传感器，在事务大厅设置2个温湿度传感器和2个CO₂浓度检测传感器；所有水泵采用变频水泵，阀门采用电动控制阀，整个水路系统流量可以在30％～100％之间实现无极调节；在冷冻水进出水干管上分别设置流量传感器、温度传感器、压力传感器，在供回水旁通管上设置压力平衡阀；在污水侧进出水干管上分别设置流量传感器、温度传感器、压力传感器；在新风机组和风机盘管上分别设置电动二通阀；进行江水温度变化检测，智能调节江水流量，保障热泵系统高效、稳定和安全运行。

本实施例中，监测参数主要包括空调设备实时监测参数、空调水系统实时监测参数、江水实时监测参数、室内典型房间实时监测参数、室外实时监测参数。其中空调设备实时监测参数包括各类水泵转速与电力参数、各类阀门开度检测、空调主机电力参数。空调水系统实时监测参数包括压力、温度、液位、压力流速、压力、压力温度等参数。江水实时监测参数包括温度、流量等参数。室内典型房间实时监测参数包括湿度、温度、CO₂浓度等参数。室外实时监测参数包括辐照强度、湿度、风速、温度等参数。将上述各参数均上传至数据采集器，数据采集器可以是多个。数据采集器通过集中器与服务器和客户端进行通信，服务器与客户端进行通信，它们之间的连接可以是有线和/或无线通信方式。数据采集器中上传的检测数据可通过集中器传输至服务器进行存储、分析和计算。客户端设有上位机界面，操作者可下达指令经服务器和集中器发送给中央控制柜，由中央控制柜控制各系统动作，包括深湖水源热泵机组的启停控制、主机变频控制、各类水泵启停与变频控制、各类变频器的控制以及各电控阀门开停与流量调节控制等，从而能够实现远程群控和一键启停的模式。

本实施例中，三阶段控制是该江水源热泵系统的核心控制策略，其算法在服务器内进行。主要包括启动阶段、稳态运行阶段和停机阶段。

如图3所示：启动阶段的控制方式包括以下步骤：

S201：根据环境参数决定最佳开机时间(由设定的室内参数、监测的室外参数、主机容量和管路设置方式共同决定，通过参数的描述，控制系统内嵌计算机准确计算从开机至达到室内要求的温度所需要的时间τ₁，由设定的用能工作时间(如上午8:00)减去提前开机时间τ₁，即得到最佳开机时间)；

S202：如果开机时间到，判断地下水水温是否处于设定温度范围内，如果超过设定温度范围，则报警并结束；如果处于设定温度范围内，系统会进入开机模式界面；

S203：开机模式界面包括夏季制冷和冬季制热，或者只设置一个模式，如夏季制冷，夏季制冷的下侧设有“是”按键和“否”按键，选择“是”，则进入夏季制冷模式，选择“否”，则进入冬季制热模式。

S204：当选择夏季制冷模式时，如选择“是”按键，先监测主机是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则监测江水源侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则30s后顺次开启水处理设备；开启后，监测水处理设备是否正常启动，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则30s后开启江水提升泵及阀门；开启后，检测冷冻水侧环路(用户侧)是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则30s后开启冷冻水泵及阀门；3min后再开启江水源热泵机组主机，从而完成夏季制冷模式的启动阶段。

S205：若选择“否”按键，则通过四通换向阀换向，转至冬季制热模式，具体包括：先监测主机是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，检测冷冻水侧环路(用户侧)是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则30s后开启冷水侧水泵及阀门；开启后，检测江水源侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则30s后顺次开启水处理设备；再监测水处理设备是否正常启动，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则30s后开启江水提升泵及阀门；3min后再开启江水源热泵机组主机，从而完成冬季制热模式的启动阶段。

如图4所示：稳态运行阶段的控制方式包括以下步骤：

S301：开启热泵机组后，先检测蒸发器进出口水温，判断进出口的温差ΔT1是否等于设定温差值(如5℃)，若等于，则按原状态运行；若不等于，则通过PID温差控制，调节冷冻水泵频率及相关阀门开度；

S302：检测蒸发器进出口水温，再次判断进出口的温差ΔT1是否等于设定温差值，若不等于，则继续进行PID温差调节；直至ΔT1等于设定温差值，则在设定温差范围内运行；

S303：检测冷凝器进出口水温，判断进出水口的温差ΔT2是否等于设定温差值，若等于，则在设定温差范围内运行；若不等于，则通过PID温差控制，调节江水提升泵频率及相关阀门开度，直至ΔT2等于设定温差值，由此完成稳态运行阶段的运行。

通过检测蒸发器和冷凝器的进出口水温，当进出口温差偏离设定值时，对水泵进行变频调节，通过调整流速，达到恒定进出口温度的目的，使得江水源热泵机组始终处于高效、稳定的运行状态。

如图5所示：停机阶段的控制方式包括以下步骤：

S401：根据环境参数决定最佳关机时间(由设定的室内参数、监测的室外参数、管道存水冷却能力共同决定，通过参数的描述，控制系统内嵌计算机准确计算当前管道存水维持设定室内环境的时间τ₁，由设定的用能停止时间(如下午6：00)减去提前关机时间τ₂，即得到最佳关机时间)；

S402：如果关机时间到，则关闭江水源热泵机组主机；

S403：3min后检测江水源热泵机组主机信号，确认主机是否关机，若未关机，则向系统主机报警；若已关机，隔15s后关闭江水提升泵；

S404：确认江水提升泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，隔2min后关闭水处理装置泵，；

S405：确认水处理装置泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，隔20min后关闭冷冻水泵；

S406：确认冷冻水泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，再关闭水路所有阀门，从而完成停机阶段的运行。

如图6所示，本实施例建筑标准冷热负荷预测模型的原理为：将初始设计原始资料和室内外实时监测数据录入服务器内，形成建筑标准冷热负荷预测模型，然后生成建筑冷热负荷预测动态曲线，再根据实际需求的冷热负荷，将这种实际建筑能耗存储至建筑标准负荷预测模型内，再次生成新的建筑冷热负荷预测动态曲线，如此更新。这样，能够很好的减缓空调系统的大滞后性，克服了负荷变化的不确定性，同时该模型具有自学习功能，对存储的数据进行综合分析，寻找用能规律，随着时间的的推移，负荷预测将越来越准确，由于数据库记录了建筑全年能耗数据，为后期建筑节能分析提供了基础资料。

综上所述，本实施例基于这种大数据、三阶段与精细分区控制的江水源热泵系统节能控制方法，该江水源热泵系统已经稳定运行超过1年。在运行期间，设备和控制系统无任何故障，节能效果明显，室内热环境品质高，具体表现在：与常规控制相比，设备从开机到室内温度稳定的时间缩短了21分钟，通过系统的自身冷却能力，可提前30分钟停机，而不影响室内温度变化，在负荷预测模型的支持下，系统变流量运行，有效克服了空调系统普遍存在的大滞后性，时间调节差缩短73％；室内环境在空调时间能一直保持良好的热舒适性，温度变化幅度不超过0.8℃，新风量及C0₂浓度满足相应标准规定的卫生要求；与机械制冷+锅炉的传统冷热源方式相比，综合节能60％；完全实现自动化远程控制，人工管理成本费用降低75％；具有良好的社会效益，整个过程无污染、零排放，受到政府和用户的充分肯定。

以上所述的具体实施案例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将江水源热泵系统所服务的建筑物的内外环境信息进行采集；将采集的内外环境信息与中国五大气候区基础气象数据、各类功能建筑物冷热标准能耗数据进行分析处理，构成建筑标准冷热能耗大数据；

S2：根据建筑功能、用能时间和负荷分布差异，结合建筑标准冷热能耗大数据，进行建筑精细化分区，并生成建筑各子区冷热用能需求动态曲线，且每隔一定时间更新一次动态曲线；

S3：根据建筑冷热用能需求动态曲线，考虑空调系统的大滞后性和非线性，将江水源热泵系统分成设备启动阶段、稳态运行阶段以及设备停机阶段，进行分阶段控制，实现整体节能；以及实时监测江水温度变化，当热泵机组江水源侧进出水温差超过设定值时，变频控制相应江水提升泵，调节江水流量。

2.根据权利要求1所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，S1中，所述各类功能建筑物冷热标准能耗数据包括建筑当地气象条件数据、建筑功能、建筑体形系数、围护结构参数、空调面积、人员使用情况及建筑室内环境初始设计参数；所述建筑室内环境初始设计参数包括人体体感温度、湿度、风速和墙体辐射。

3.根据权利要求2所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，人体体感温度通过充分考虑人对环境的主观感受，在计算机内嵌体感温度计算模型，根据某时刻空气温度、辐射强度、湿度和风速的综合影响，生成动态体感温度曲线，指导负荷计算，其模型通过以下公式获得：

T＝T₁×K₁×K₂

式中：T为人体体感温度；T₁为空调室内设计温度；K₁为地区修正系数；K₂为季节修正系数。

4.根据权利要求1～3任一项所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，S2中，所述建筑精细化分区是以区域冷热负荷为划分依据，根据建筑物内房间功能、用能人数、室外环境参数，当每平方米冷热负荷差异>30％时，就划分一个新的空调区域；新空调区域面积不小于500平方米，实现子区内温度独立控制。

5.根据权利要求1～3任一项所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，S3中，所述设备启动阶段的时间范围t₁为1/6～2/3小时，冷热水流量控制为额定工况的1.1～1.5倍；稳态运行阶段的时间t₂为t₀-t₁-t₃，其中t0为系统运行总时间，冷热水流量依据建筑冷热用能需求动态曲线执行；设备停机阶段的时间范围t₃为1/3～1/2小时，冷热水流量依据建筑冷热用能需求动态曲线执行。

6.根据权利要求1～3任一项所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，S3中，所述设备启动阶段的控制方式包括以下步骤：

S301：根据环境参数决定最佳开机时间；

S302：如果开机时间到，判断地下水水温是否处于设定温度范围内，超过设定温度范围，则报警并结束；在设定温度范围内，系统会进入开机模式界面；

S303：当选择夏季制冷模式时，先监测主机是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则监测江水源侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后顺次开启水处理设备；开启后，监测水处理设备是否正常启动，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启江水提升泵及相关阀门；开启后，检测冷冻水侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启冷冻水泵及相关阀门；隔一定时间后再开启江水源热泵机组主机，从而完成夏季制冷模式的启动阶段；

S304：当选择冬季制热模式时，则相关阀门换向至冬季制热模式，具体包括：先监测主机是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，检测冷冻水侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启冷水侧水泵及相关阀门；开启后，检测江水源侧环路是否异常，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后顺次开启水处理设备；再监测水处理设备是否正常启动，若异常，则向系统报警并结束；若正常，则隔一定时间后开启江水提升泵及阀门；再隔一定时间后开启江水源热泵机组主机，从而完成冬季制热模式的启动阶段。

7.根据权利要求1～3任一项所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，所述稳态运行阶段的控制方式包括以下步骤：

S311：开启江水源热泵机组后，先检测蒸发器进出口水温，判断进出水口的温差ΔT1是否等于设定温差值，若等于，则按原状态运行；若不等于，则通过PID温差控制，调节冷冻水泵频率及相关阀门开度；

S312：检测蒸发器进出口水温，再次判断进出口温差ΔT1是否等于设定温差值，若不等于，则继续进行PID温差调节；若调节后，ΔT1等于设定温差值，则在设定温差范围内运行；

S313：检测冷凝器进出口水温，判断进出水口的温差ΔT2是否等于设定温差值，若不等于，则通过PID温差控制，调节相应江水提升泵及相关阀门开度，直至ΔT2等于设定温差值，由此完成稳态运行阶段的运行。

8.根据权利要求1～3任一项所述江水源热泵系统的节能控制方法，其特征在于，所述设备停机阶段的控制方式包括以下步骤：

S321：根据环境参数决定最佳关机时间；

S322：如果关机时间到，则关闭江水源热泵机组主机；

S323：隔一定时间后检测江水源热泵机组主机信号，确认主机是否关机，若未关机，则向系统主机报警；若已关机，隔一定时间后关闭江水提升泵；

S324：确认江水提升泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，隔一定时间后关闭水处理装置泵；

S325：确认水处理装置泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，隔一定时间后关闭冷冻水泵；

S326：确认冷冻水泵是否关闭，若未关闭，则向系统主机报警；若关闭，再关闭水路所有阀门，从而完成停机阶段的运行。

9.一种江水源热泵系统的节能控制系统，其特征在于，包括：

综合管理层，用于对数据进行综合分析和处理，根据所采集的建筑内外环境信息，并根据建筑标准冷热能耗大数据，生成建筑各子区冷热用能需求动态曲线，且每隔15～30min更新一次动态曲线；以及完成各项指令的下达；

智能控制层，用于接受综合管理层的指令，并反馈设备层的信息；

设备层，用于接收传感器单元发送来的数据信息，并控制执行单元动作。

10.根据权利要求9所述的江水源热泵系统的节能控制系统，其特征在于，所述传感器单元用于实时采集建筑内外环境信息，包括空调设备实时监测参数、空调水系统实时监测参数、江水实时监测参数、室内典型房间实时监测参数、室外环境实时监测参数。