CN109084403B - 基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法 - Google Patents

基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法，包括：步骤A：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和热力学特性得出时间与负荷率关联的T‑负荷率数据组；步骤B：决策树生成，取整个时间段内的多个状态点，每个所述状态点上分布节点；步骤C：决策树选枝，通过所述运行数据和所述T‑负荷率数据组，计算每个所述父节点功耗和由此父节点直接产生的每个所述子节点功耗的叠加值；比较每个父节点对应的叠加值，将所述叠加值最低的父节点和由其产生的子节点保留，其余舍弃；无需计算所有可能的控制策略的结果即可得出最优控制策略，考量的因素全面，避免了过多的计算量，结果生成速度快。

Description

基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法
技术领域
本发明涉及冷水机组的控制领域，尤其是基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法
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，建筑功耗在全国总功耗中所占比例越来越高，目前已经达到25％以上，其中,冷水机组功耗约占60％以上，而在负荷分布较高的夏季，空调的功耗甚至能占用到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的方法，可以提高每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。另外一些方案中即便考虑到了所有的并联方式，也是从尽量提高制冷功耗比EER的角度出发，使得冷水机组在需要不同负荷率运行时，需要切换不同的并联方式来达到最大的理论EER。但是在实际操作过程中，这种控制策略没有考虑到在切换运行方式时频繁的开关机时会对电路产生强大的冲击电流，而冲击电流的存在会提高整个冷水机系统的功耗，造成实际总功耗增大，无法完全达到理想效果；而且若是在冷水机的台数较多时，需要将所有可能的控制策略都列举出来，然后再根据所有的最终结果进行比对，这种方法使得计算量达到一个非常庞大的数字，导致计算速度缓慢，使得即时控制变得难以实现，因此具有一定的局限性。
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，提供基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法，以决策树剪枝的形式，无需计算所有可能的控制策略的结果即可得出最优控制策略，考量的因素全面，避免了过多的计算量，结果生成速度快。
为了达到上述目的，本发明的技术方案有：
基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法，包括：
步骤A：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和热力学特性得出时间与负荷率关联的T-负荷率数据组；
步骤B：决策树生成，取整个时间段内的多个状态点，每个所述状态点上分布节点；从第二个状态点开始至最后一个状态点，依次以上一状态点的所有节点作为下一状态点的父节点向下分裂，每次所述分裂产生的节点为子节点；
步骤C：决策树选枝，通过所述运行数据和所述T-负荷率数据组，计算每个所述父节点功耗和由此父节点直接产生的每个所述子节点功耗的叠加值；比较每个父节点对应的叠加值，将所述叠加值最低的父节点和由其产生的子节点保留，其余舍弃；
步骤D：最优策略生成，重复步骤C，直至所述决策树中每个所述状态点仅有一个对应节点；将每个状态点的节点按时间顺序排列，作为所述整个时间段的最优控制策略。
联系所有节点组成的控制策略集合称为决策树。
进一步地，所述节点为一台或多台冷水机的并联组。
进一步地，所述步骤B中决策树的父节点向子节点的分裂包括如下步骤：
步骤B1：将所有的冷水机编号，形成由字符组成的序列；
步骤B2：直接使用父节点中的字符序列作为第一类子节点的序列；
再进一步地，所述步骤B决策树的父节点向子节点的分裂还包括如下步骤：
步骤B3：遍历所有所述字符，若当前遍历字符在父节点中存在，以父节点中的字符序列为基础，剔除该字符后作为第二类子节点的字符序列。
再进一步地，所述步骤B决策树的父节点向子节点的分裂还包括如下步骤：
步骤B4：遍历所有所述字符，若当前遍历字符在父节点中不存在，以父节点中的字符序列为基础，加上该字符后作为第三类子节点的字符序列。
再进一步地，所述父节点包括所述第一类子节点和/或第二类子节点和/或第三类子节点。
进一步地，所述步骤C还包括如下步骤：
步骤C1：计算由父节点直接产生的每个子节点的功耗，选取功耗最低的子节点为最优子节点；
步骤C2：计算每个父节点的功耗为父功耗，再计算此父节点对应的所述最优子节点的子功耗与所述父功耗的叠加值，比较不同父节点对应的所述叠加值，保留叠加值最低的父节点和由其产生的子节点。
优选地，第一个所述状态点的并联方式为任意单台冷水机运行。一般而言，冷水机开始使用时为全天所需的制冷量很低的时间段，因此在第一个状态点仅开单台可以节省功耗，另一方面，也为后续根据需要增加其它冷水机提供了较大的发挥空间。
优选地，所述时间点与所述状态点重合。将所选的时间点和状态点重合可以更好地根据不同时间点的负荷率分布来切换状态点上冷水机并联方式，不易出现错节的现象。
进一步地，所述冷水机组的运行数据包括容量、冷却水流量、冷却水进水温度、冷冻水出水温度、冷冻水进出水温差和设计功耗量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)以决策树的形式，可以清晰地列举出每个状态点的所有可能出现冷水机组并联方式，考虑全面，避免最终得到的结果为局部最优；
(2)在(1)的基础上进一步优化决策树，以遍历字符的方式保证子节点的生成以其父节点为前提，子节点仅会在父节点中已运行的并联组的基础上保持不变或停机一台或增开机一台，尽量避免频繁开关机。这种方式可以最大程度上减少开关机时产生的强电流，进一步减少总功耗和降低强电流对冷水机系统中各部件的冲击，延长设备的使用寿命；
(3)中部选枝减少总计算量，通过计算某一父节点和由此父节点直接产生的每个子节点功耗的叠加值，可以从一个父节点产生的多个子节点中选出一个最优子节点，其余的多个非最优子节点均舍去，也就是舍去了由这些非最优子节点分裂出的所有节点。假设某一状态点的父节点有N个，通过一次选枝，即可舍去(N-1)/N的枝，免去(N-1)/N的计算量。在每个状态点重复此步骤即可使得每个状态点留下唯一一个节点，最终形成一整套控制方案。
附图说明
图1为本发明的基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法的总流程图；
图2为本发明的实施例中冷水机组的一部分运行数据；
图3为本发明的实施例中冷水机组T-负荷率的曲线图；
图4为本发明的基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法中决策树的实施例1；
图5为本发明的基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法中决策树的实施例2；
图6为本发明的基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法步骤B的流程图；
图7为本发明的基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法步骤C的流程图；
具体实施方式
结合附图说明本发明的基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法：
如附图1所示，本发明的实施步骤主要分为：
步骤A：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和热力学特性得出时间与负荷率关联的T-负荷率数据组；
步骤B：决策树生成，取整个时间段内的多个状态点，每个所述状态点上分布节点；从第二个状态点开始至最后一个状态点，依次以上一状态点的所有节点作为下一状态点的父节点向下分裂，每次所述分裂产生的节点为子节点；
步骤C：决策树选枝，通过所述运行数据和所述T-负荷率数据组，计算每个所述父节点功耗和由此父节点直接产生的每个所述子节点功耗的叠加值；比较每个父节点对应的叠加值，将所述叠加值最低的父节点和由其产生的子节点保留，其余舍弃；
步骤D：最优策略生成，重复步骤C，直至所述决策树中每个所述状态点仅有一个对应节点；将每个状态点的节点按时间顺序排列，作为所述整个时间段的最优控制策略。
在步骤A中，对于冷水机组而言，每台冷水机的设定参数各有不同，将每台机编号，并采集包括冷冻水出水温度、冷冻水进出水温差、冷却水进水温度、冷却水流量、冷水机组的额定制冷量和设计功耗量在内的冷水机组运行数据。根据冷水机组运行数据和热力学特性可以得出冷水机组的负荷率随时间变化的T-负荷率数据组，以及在一定负荷率前提下的功耗高低。
取某办公大楼空调系统中的冷水机组采集数据得到冷水机组的运行数据如附图2所示，进过热力学特性分析计算得出T-负荷率数据组，将其绘制为曲线图如附图2，将附图2中t-负荷率曲线分为多个状态点(状态点1，状态点2,状态点3……)
在步骤B中，父节点向子节点的分裂需满足尽量避免频繁启停机的前提，每次开机或关机的冷水机不超过1台，以避免开机和关机时对整个冷水机组造成强大的冲击电流，不利于节能环保和设备的维护。
实施例1：
以3台冷水机组成的冷水机组为例，在状态点2时若选择开两台机，那么以状态点1处节点为父节点的状态点2处的节点需在此两台机开机的基础上，维持原样开机或减少一台或增加一台，所有可能的并联方式如附图4所示。
实施例2：
以3台冷水机组成的冷水机组为例，在状态点2时若选择开一台机，那么以状态点1处节点为父节点的状态点2处的节点需在此两台机开机的基础上，维持原样开机或减少一台或增加一台，所有可能的并联方式如附图5所示。
在冷水机台数较多时，采用如下步骤生成符合条件的子节点，流程图如附图5所示：
步骤B1：将所有的冷水机编号，形成由字符组成的序列；
步骤B2：直接使用父节点中的字符序列作为第一类子节点的序列；
步骤B3：遍历所有所述字符，若当前遍历字符在父节点中存在，以父节点中的字符序列为基础，剔除该字符后作为第二类子节点的字符序列。
步骤B4：遍历所有所述字符，若当前遍历字符在父节点中不存在，以父节点中的字符序列为基础，加上该字符后作为第三类子节点的字符序列。
在步骤C中，需计算节点处的功耗，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，将功耗定为压缩机功耗与水泵功耗之和，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，因此可以通过推算获得在不同负荷率的情况下功耗的计算方式。
通过如下步骤在决策树中从第二个状态点开始计算并比较功耗(如附图6所示)，从而达到选枝剪枝的效果：
步骤C1：计算由父节点直接产生的每个子节点的功耗，选取功耗最低的子节点为最优子节点；
步骤C2：计算每个父节点的功耗为父功耗，再计算此父节点对应的所述最优子节点的子功耗与所述父功耗的叠加值，比较不同父节点对应的所述叠加值，保留叠加值最低的父节点和由其产生的子节点。
多次重复步骤C后整个决策树将剩下唯一的一条枝干，再将此枝干的节点按时间顺序排列，即可作为整个时间段的最优控制策略。
在实际运用中，数据库由EXCEL生成，用户只需提供冷水机组选型手册上的基本数据(制冷量、压缩机额定耗功量，冷却水流量)，输入端负荷时间序列也支持从EXCEL直接导入；具备多种不同容量、类型(离心、螺杆)、使用不同制冷剂的冷水机组数据库(xml)，支持多种不同类型冷水机组的控制策略寻优；计算速度快捷，计算一个负荷点所需时间不超过10秒，可以实现大批量计算，甚至以年为单位的控制策略也能生成。
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 (5)

1.基于空调负荷时序分布的冷水机组静态控制策略获得方法，其特征在于，包括：
步骤A：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和热力学特性得出时间与负荷率关联的T-负荷率数据组；
步骤B：决策树生成，取整个时间段内的多个状态点，每个所述状态点上分布节点；从第二个状态点开始至最后一个状态点，依次以上一状态点的所有节点作为下一状态点的父节点向下分裂，每次所述分裂产生的节点为子节点；
所述步骤B中决策树的父节点向子节点的分裂包括如下步骤：
步骤B1：将所有的冷水机编号，形成由字符组成的序列；
步骤B2：直接使用父节点中的字符序列作为第一类子节点的序列；
步骤B3：遍历所有所述字符，若当前遍历字符在父节点中存在，以父节点中的字符序列为基础，剔除该字符后作为第二类子节点的字符序列
步骤B4：遍历所有所述字符，若当前遍历字符在父节点中不存在，以父节点中的字符序列为基础，加上该字符后作为第三类子节点的字符序列；
步骤C：决策树选枝，通过所述运行数据和所述T-负荷率数据组，计算每个所述父节点功耗和由此父节点直接产生的每个所述子节点功耗的叠加值；比较每个父节点对应的叠加值，将所述叠加值最低的父节点和由其产生的子节点保留，其余舍弃；
所述步骤C还包括如下步骤：
步骤C1：计算由父节点直接产生的每个子节点的功耗，选取功耗最低的子节点为最优子节点；
步骤C2：计算每个父节点的功耗为父功耗，再计算此父节点对应的所述最优子节点的子功耗与所述父功耗的叠加值，比较不同父节点对应的所述叠加值，保留叠加值最低的父节点和由其产生的子节点；
步骤D：最优策略生成，重复步骤C，直至所述决策树中每个所述状态点仅有一个对应节点；将每个状态点的节点按时间顺序排列，作为所述整个时间段的最优控制策略。
2.根据权利要求1所述的冷水机组静态控制策略获得方法，其特征在于，所述节点为一台或多台冷水机的并联组。
3.根据权利要求1所述的冷水机组静态控制策略获得方法，其特征在于，所述父节点包括所述第一类子节点和/或第二类子节点和/或第三类子节点。
4.根据权利要求1所述的冷水机组静态控制策略获得方法，其特征在于，所述时间点与所述状态点重合。
5.根据权利要求1所述的冷水机组静态控制策略获得方法，其特征在于，所述冷水机组的运行数据包括容量、冷却水流量、冷却水进水温度、冷冻水出水温度、冷冻水进出水温差和设计功耗量。
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