CN109000334A - 一种冷水机组节能控制策略的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷水机组节能控制策略的获得方法，包括：步骤A：模型构建，通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；步骤B：数据采集；步骤C：分组计算；步骤D：最优组选取，取在每个负荷率区间中所述EER‑负荷率数据组中对应的EER值最高的并联组，作为此段负荷率区间对应的最优并联组；步骤E：控制策略选定；可以综合已有冷水机组的所有并联方式来制定最优的控制策略，使得冷水机组在高能效比的情况下运行，从而达到节省能耗的目的，有利于现代化可持续发展。

Description

一种冷水机组节能控制策略的获得方法

技术领域

本发明涉及冷水机组的控制领域，尤其是一种冷水机组节能控制策略的获得方法

背景技术

在当前社会经济的快速发展以及人们对生活环境舒适性要求的不断提高，使得空调系统成为了人类日常生活和工业生产过程中不可缺少的一部分。据资料统计，进入21世纪后，建筑能耗在全国总能耗中所占比例越来越高，目前已经达到25％以上，其中,冷水机组能耗约占60％以上，而在负荷分布较高的夏季，空调的能耗甚至能占用到1/3[1]。因此，对冷水机组的优化节能，是为响应国家节能减排号召，实现现代化可持续发展所亟待解决的关键问题。

冷水机运行状况可用能效比EER来作为一个判断标准，EER是指冷水机的制冷量与轴功率的比值；负荷率则是指冷水机当前的制冷量与额定制冷量的比值。基于国内中央空调的行业设计习惯，通常是按照其所能实现的最大负荷设计，传统水冷式冷水机组亦是如此，而这就导致了在实际运行过程中，冷水机组长时间都是处于低负荷运行的状态，其所能达到的EER远远低于其在额定负荷下的设计值。在部分负荷工况下，将一台或者多台冷水机并联，通过切换并联的冷水机台数、使得不同设计参数的冷水机加入或退出工作等方法，可以提高单台冷水机的运行负荷，这也是提高冷水机机组制冷效率的有效方法。

然而，传统的控制策略寻优方法因模型构建参数选取不完善、模型精度较低、应用计算繁琐等局限性，无法考虑冷水机组所有可能采用的并联方式，大多只对其预先拟定好的若干个并联运行方案进行对比分析，不能考虑到所有的并联运行方式。但是，实际工程中机组中每台冷水机的制冷量并非相同，不同并联组合方式也存在其各自最佳适用负荷区间，如果分析只局限于预先拟定好的若干个并联方式，则寻优结果可能会变成局部最优，而不能将整体的主要因素和方案较为全面地考虑在内。

发明内容

本发明目的在于针对上述背景技术中存在的问题，提供一种冷水机组节能控制策略的获得方法，通过构建冷水机组的热力学模型，可以综合已有冷水机组的所有并联方式来制定最优的控制策略，使得冷水机组在高能效比的情况下运行，从而达到节省能耗的目的，有利于现代化可持续发展。

为了达到上述目的，本发明的技术方案有：

一种冷水机组节能控制策略的获得方法，包括：

步骤A：模型构建，通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；

步骤B：数据采集，采集冷水机组的运行数据；取整个时间段内的多个时间点，根据所述冷水机组运行数据得出对应时间点的T-负荷率数据组；

步骤C：分组计算，将冷水机组中不同冷水机按照排列组合方式排出所有并联组，并将每个所述并联组的运行数据和负荷率数据分别代入所述热力学模型得出每个所述并联组的负荷率-EER数据组；

步骤D：最优组选取，取在每个负荷率区间中所述EER-负荷率数据组中对应的EER值最高的并联组，作为此段负荷率区间对应的最优并联组；

步骤E：控制策略选定，按照所述T-负荷率数据组中每个时间段的负荷率选取对应的最优并联组，将所有最优并联组按时间顺序组合，形成所述整个时间段内的最优控制策略。

进一步地，所述步骤C包括如下步骤：

C1：从所有m台冷水机中任意选取n(n≤m，m和n均属于自然数)台冷水机按照一定的顺序排成一列，形成一个所述并联组，按此方法将所有可能的所述并联组排出；

C2：将每个所述并联组的运行数据和负荷率数据分别代入所述热力学模型，得出每个所述并联组的负荷率-EER数据组。

进一步地，所述步骤D包括如下步骤：

D1：比对每个所述并联组的负荷率-EER数据组，选出数据相同的点，作为并联组的切换点；

D2：取每两个所述切换点之间EER值大于所述切换点处EER值的并联组作为此段负荷率区间对应的最优并联组。

进一步地，将所有所述并联组的负荷率-EER数据组汇总在同一曲线图一上，当同一负荷率范围内对应有多个并联组的曲线时，取中EER值最高的曲线段；被选取的每两条所述曲线段的交点作为所述切换点，每条曲线段对应的并联组即作为此段负荷率的最优并联组。

进一步地，将所述T-负荷率数据组绘制成曲线图二，按照所述曲线图二中线条的走势，将曲线图二划分为多个所述时间段，按照每个时间段的整体负荷率选择与之对应的最优并联组；将每个最优并联组按时间段的先后，排序组合形成所述整个时间段内的最优控制策略。

进一步地，所述热力学模型计算流程包括如下步骤：

步骤A1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路冷水机的支路流量；

步骤A2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

步骤A3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

步骤A4：假设冷却水出水温度；

步骤A5：假设蒸发器的换热量；

步骤A6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

步骤A7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行步骤A8；否，则执行步骤A5；

步骤A8：计算冷却水侧换热量；

步骤A9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行步骤A10，否，则执行步骤A4；

步骤A10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

步骤A11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行步骤A12；否，则执行步骤A2；

步骤A12：计算压缩机功耗。

所述热力学模型计算公式如下：

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

所述冷水机支路满足以下关系：

Δp＝Δp₁+Δp₂

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)根据热力学第一定律和物料守恒定律，构建完善的热力学模型；再将冷水机组所有可能的并联方式列出，通过采集冷水机组的运行数据，代入每个并联组中即可得到EER-负荷率的关联数据组，可以直接分析每个并联组在不同负荷率下EER的变化关系；

(2)将每个并联组的EER-负荷率数据组合分析，可以得到每个负荷率区间对应的最优并联组，按照负荷率随时间的分布关系，即可得出每个时间段的最优并联组，从而生成整个时间段的最优控制策略；

(3)将各类关联数据绘制为曲线图，使得各种关系变得可视化，可以更加直观的得出所需的最优控制组。

附图说明

图1为本发明的一种冷水机组节能控制策略的获得方法的总流程图；

图2为本发明中冷水机组的支路流量计算流程图；

图3为本发明中压缩机功耗计算流程图；

图4为本发明实施例2中大楼一天中的T-负荷率分布图；

图5为本发明实施例2中所有并联方式下冷水机组功耗-总负荷率曲线图；

图6为本发明实施例2中机组一的最优控制策略图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的一种冷水机组节能控制策略的获得方法，包括如附图1所示的几个步骤：

步骤A：模型构建，通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；

步骤B：数据采集，采集冷水机组的运行数据；取整个时间段内的多个时间点，根据所述冷水机组运行数据得出对应时间点的T-负荷率数据组；

步骤C：分组计算，将冷水机组中不同冷水机按照排列组合方式排出所有并联组，并将每个所述并联组的运行数据和负荷率数据分别代入所述热力学模型得出每个所述并联组的负荷率-EER数据组；

步骤D：最优组选取，取在每个负荷率区间中所述EER-负荷率数据组中对应的EER值最高的并联组，作为此段负荷率区间对应的最优并联组；

步骤E：控制策略选定，按照所述T-负荷率数据组中每个时间段的负荷率选取对应的最优并联组，将所有最优并联组按时间顺序组合，形成所述整个时间段内的最优控制策略。

根据热力学第一定律，能量在转换过程中，其总值保持不变。对于一台冷水机组，则在构成冷水水机组的三大部件蒸发器、冷凝器及压缩机之间，能量传递的总值是守恒的；而且对于冷水机组的制冷剂循环，冷水机组的在运行过程中整体系统是封闭的，封闭系统的物料也是守恒，即制冷剂的量是守恒的。

以市面上常见的冷水机组作为研究对象，很容易获知其自身的额定参数及其使用的制冷剂型号，通过查询也能轻易获知制冷剂的热力学参数。

首先对冷水机组的各个支路流量进行计算，所述冷水机支路满足以下关系：

Δp＝Δp₁+Δp₂

式中，L_o、D_i、Z、n_o为蒸发器有效换热管长、管内径、冷冻水流程，v_o为冷冻水流速；△P₁、△P₁、△P为冷冻水通过蒸发器时摩擦阻力、局部阻力与总阻力；G_o为流过蒸发器流量。

还需要通过传感器等常用测量工具测量冷水机组中冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以作为已知的量。

构建冷水机组热力学模型，需要对冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机进行热力学分析。

对于蒸发器：

蒸发器内的传热过程包括：制冷剂侧的沸腾传热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热。通过制冷剂侧的对流换热系数、制冷量、冷冻水的定性流速、冷冻水侧的对流化热系数等9个控制变量耦合方程，可以得到蒸发温度与制冷量、冷冻水流量、冷冻水出水温度、冷冻水进水温度的函数关系。

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

对于冷凝器：

冷凝器的传热过程包括：制冷剂的冷凝换热，金属壁、垢层的导热以及冷却水的吸热过程。一般的壳管式冷凝器管内侧为制冷剂，管外侧为冷冻水。通过传热过程的总热阻、制冷机的物性参数等11个控制变量耦合方程，可以得到蒸发温度与制冷量、支路流量、冷却水进水温度的函数关系。

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

对于压缩机：

通过压缩机的总功耗、压缩机的轴功率、压缩机的理论功耗等10个控制变量耦合方程，可以得到能量守恒的关系式。最后通过对冷凝温度的多次迭代，计算给定工况下的单台机运行功耗。

根据以上关系建立冷水机组的热力学模型，计算流程如图2所示包括：

步骤A1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路冷水机的支路流量；

步骤A2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

步骤A3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

步骤A4：假设冷却水出水温度；

步骤A5：假设蒸发器的换热量；

步骤A6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

步骤A7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行步骤A8；否，则执行步骤A5；

步骤A8：计算冷却水侧换热量；

步骤A9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行步骤A10，否，则执行步骤A4；

步骤A10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

步骤A11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行步骤A12；否，则执行步骤A2；

步骤A12：计算压缩机功耗。

作为本发明的实施例1：

以市面上三台不同容量的冷水机组为例，定为机组一，制冷剂均为R134a，计算工况条件与机组结构参数分别下：

机组群工况条件：

机组结构参数：

根据上述并联特性模型计算机组群冷冻水流量分配(由于机组群总负荷确定，故冷冻水总管流量G_total已知)，计算过程如下：

假设已知机组群冷冻水总管压降△p，由于各冷水机组压降等于总管压降，则对于1号主机，假设已知1号的冷冻水流速v_o，由冷冻水进出水温查询物性参数表可以得到冷冻水的运动粘度ν，并联式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可计算冷冻水流过蒸发器时的实际流速v_{o_act}，其中，系数C取0.457，m取0.2111。

ξ＝C Re^-m(2)

Δp＝Δp₁+Δp₂(5)

比较v_o与v_{o_act}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设v_o，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。由式(6)可以计算1号机所分配到的冷冻水流量G_o。

同理，可以计算出2号、3号机所分配到的冷冻水流量，将三台机的冷冻水流量相加并与G_total进行对比，当偏差幅度大于0.001时，重新假设△p，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。此时机组群冷冻水流量分配已计算完毕，将各冷水机组所分配到的冷冻水流量作为单台机热力特性模型的计算边界条件，即可计算出各冷水机组的功耗，将其相加并除以机组群总制冷量，即可以得到当前并联方式下机组群的能效比EER。

其中，利用单台机热力特性模型计算冷水机组的功耗，计算过程如下：

1、蒸发器工况模拟

蒸发器内的传热过程包括制冷剂侧的沸腾换热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热。污垢热阻R_fo取0.00011m²·K/W，故换热过程的总换热系数为：

假设一个蒸发温度t_o，蒸发器管外翅片肋化系数取1.5，并联式(8)、式(9)可得制冷剂侧换热系数h_R134a。

并联式(10)、(11)、(12)、(13)可得冷冻水侧换热系数h_o。

并联式(14)、(15)可得实际蒸发温度t_{o_act}。

Q_o＝A_oK_oΔt(14)

比较t_o与t_{o_act}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设t_o，进行迭代，直到计算偏差小于0.001，(当偏差幅度小于0,001时，则认为t_o与t_{o_act}实质是相等)。

2、冷凝器与压缩机工况模拟

冷凝器内的传热过程包括制冷剂侧的沸腾换热、冷冻水侧对流换热以及通过换热管壁与污垢层的导热，污垢热阻R_fk取0.00015m²·K/W，换热过程的总热阻为：

假设一个压缩机的出口压力p_out，查物性参数表可得冷凝器的冷凝温度t_k，假设一个冷却水出水温度t_{cool_ex}，由式(17)可计算冷凝器的对数传热温差△t_k：

假设一个冷凝器换热量Q_k，并联式(18)、(19)、(20)可得冷凝器内制冷剂侧换热系数h_{R134a_k}，其中制冷剂的导热系数λ_R134a、密度ρ_R134a、动力粘度ν_R134a可通过冷凝温度t_k查询物性参数表获得。

冷却水侧的换热系数计算方式同蒸发器的冷冻水侧计算方式，由此可得冷却水侧换热系数h_k。由式(21)可计算冷凝器实际换热量Q_{k_act}。

Q_{k_act}＝A_kK_kΔt(21)

比较Q_{k_act}与Q_k大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设Q_k，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。由式(22)可计算实际冷却水出水温度t_{cool_ex_act}。

比较t_{cool_ex_act}与t_{cool_ex}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设t_{cool_ex}，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。通过p_out查询物性参数表可得蒸发器进口焓值h_{eva_in}，由1.中计算出的蒸发温度t_{o_act}查询物性参数表可得蒸发器出口焓值h_{eva_out}，由式(23)可计算蒸发器制冷剂流量q_{ma_o}。

通过p_out与t_{o_act}查询物性参数表可得压缩机出口焓值h_{com_out_act}与压缩机进口焓值h_{com_in}，并联式(24)、(25)可得压缩机实际功耗。

η_s＝0.28168+1.14249g(φ-0.2)-0.59051g(φ-0.2)²-0.69255g(φ-0.2)³+1.42011g(φ-0.2)⁴-0.83229g(φ-0.2)⁵(25)

由式(26)可得等熵压缩下压缩的出口焓值h_{com_out}，即冷凝器的进口焓值。

h_{com_out}＝W-h_{com_in}(26)

由式(27)可得冷凝器制冷剂流量q_{ma_k}。

比较q_{ma_o}与q_{ma_kx}大小，当偏差幅度大于0.001时，重新假设p_out，进行迭代，直到计算偏差小于0.001。此时模型闭合，计算收敛。压缩机功耗可由下式计算：

P_e＝q_{ma_k}g(h_{com_out}-h_{com_in})(28)

通过压缩机功耗计算冷水机组的能效比EER。

对冷水机组进行排列组合，可得机组一的所有并联方式如下表所示：

按照上述计算方式对上述所有并联方式进行计算，可得机组一所有并联方式在全负荷下的EER如下所示(单元格为空表示在当前负荷率下采用该并联方式会导致冷水机组报警停机)。

作为本发明的实施例2：，

取某一办公大楼为研究对象，其机组运行数据如下表所示，将其定为机组二。

在过渡季节，该办公楼的控制策略为等冷水供水温度的常规控制方式，通常为操作人员根据经验开启两台大机并联运行。取该大楼一天中的负荷分布为研究样本，绘制基于该样本的负荷分布时间序列图如附图4所示。由图中信息可知，在早上8点左右由于接近上班时间，从8点开始到11点30分左右，冷水机组总负荷由40％迅速增大到64％，并在58％～60％的区间中上下浮动，至午休时分，从11点左右到中午12点机组总负荷迅速从60％下降至46％，并在12点之后至下午两点前在47％～43％的区间中上下浮动，下午2点时由于又到办公时间，负荷在一个多小时内从45％飙升至83％，之后开始下降至下午4点30分左右。

通过绘制不同并联方式下冷水机组EER-总负荷率曲线图来探寻最优控制策略。首先，排列组合得到的所有并联方式一共有五种，如下表所示：

通过多台机负荷分配模型计算，绘制不同并联方式下冷水机组功耗-总负荷率曲线与EER-总负荷率曲线如附图5所示。取附图5中EER最高的负荷区间，得到并联方式的最佳切换点如下表所示:

基于该办公楼当天的负荷分布特点，机组二就可以采用如附图6所示的并联方案。对于冷水机组的运行性能，采用绘制EER-轴功率曲线图的方法所确定的控制策略要优于原大楼的所采用的传统控制策略，当大楼空调系统总负荷率在80％时，节能量能达到77Kw。

作为本发明的实施例3，

取TRANE的额定值冷量相同的三台冷水机为研究对象，定为机组三，计算分析后得出：以EER-总负荷率曲线图确定机组在不同负荷下的控制策略的方法也适用于均匀负荷分布。但是，在相同运行工况下，随着负荷率的提高，非均匀负荷分布机组的总体能效比要优于均匀分布。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，包括：

步骤A：模型构建，通过冷水机组的蒸发器、冷凝器及压缩机的热力学性能构建冷水机组的热力学模型；

步骤B：数据采集，采集冷水机组的运行数据；取整个时间段内的多个时间点，根据所述冷水机组运行数据得出对应时间点的T-负荷率数据组；

步骤C：分组计算，将冷水机组中不同冷水机按照排列组合方式排出所有并联组，并将每个所述并联组的运行数据和负荷率数据分别代入所述热力学模型得出每个所述并联组的负荷率-EER数据组；

步骤D：最优组选取，取在每个负荷率区间中所述EER-负荷率数据组中对应的EER值最高的并联组，作为此段负荷率区间对应的最优并联组；

步骤E：控制策略选定，按照所述T-负荷率数据组中每个时间段的负荷率选取对应的最优并联组，将所有最优并联组按时间顺序组合，形成所述整个时间段内的最优控制策略。

2.根据权利要求1所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，所述步骤C包括如下步骤：

C1：从所有m台冷水机中任意选取n(n≤m，m和n均属于自然数)台冷水机按照一定的顺序排成一列，形成一个所述并联组，按此方法将所有可能的所述并联组排出；

C2：将每个所述并联组的运行数据和负荷率数据分别代入所述热力学模型，得出每个所述并联组的负荷率-EER数据组。

3.根据权利要求1所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，所述步骤D包括如下步骤：

D1：比对每个所述并联组的负荷率-EER数据组，选出数据相同的点，作为并联组的切换点；

D2：取每两个所述切换点之间EER值大于所述切换点处EER值的并联组作为此段负荷率区间对应的最优并联组。

4.根据权利要求3所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，将所有所述并联组的负荷率-EER数据组汇总在同一曲线图一上，当同一负荷率范围内对应有多个并联组的曲线时，取中EER值最高的曲线段；被选取的每两条所述曲线段的交点作为所述切换点，每条曲线段对应的并联组即作为此段负荷率的最优并联组。

5.根据权利要求1所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，将所述T-负荷率数据组绘制成曲线图二，按照所述曲线图二中线条的走势，将曲线图二划分为多个所述时间段，按照每个时间段的整体负荷率选择与之对应的最优并联组；将每个最优并联组按时间段的先后，排序组合形成所述整个时间段内的最优控制策略。

6.根据权利要求1所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，所述热力学模型计算流程包括如下步骤：

步骤A1：获取冷冻水出水温度、冷冻水温差、冷却水进水温度以及支路冷水机的支路流量；

步骤A2：假设压缩机进行等熵压缩时的出口温度；

步骤A3：计算冷凝器进口参数、冷凝器出口参数及蒸发器参数；

步骤A4：假设冷却水出水温度；

步骤A5：假设蒸发器的换热量；

步骤A6：计算蒸发器制冷剂侧换热量；

步骤A7：判断蒸发器制冷剂侧换热量与蒸发器的换热量是否相等；是，则执行步骤A8；否，则执行步骤A5；

步骤A8：计算冷却水侧换热量；

步骤A9：判断冷却水侧换热量与制冷剂侧换热量是否相等；是，则执行步骤A10，否，则执行步骤A4；

步骤A10：计算冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量；

步骤A11：判断冷凝器内的制冷剂流量和蒸发器内制冷剂流量是否相等；是，则执行步骤A12；否，则执行步骤A2；

步骤A12：计算压缩机功耗。

7.根据权利要求6所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，所述热力学模型计算公式如下：

蒸发器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷冻水侧换热系数：

蒸发器总换热过程：

冷凝器内各参数有以下关系：

制冷剂侧换热系数：

冷却水侧换热系数：

冷凝器内总换热过程；

8.根据权利要求6所述的冷水机组节能控制策略的获得方法，其特征在于，所述冷水机支路满足以下关系：

Δp＝Δp₁+Δp₂