CN111623479A - 一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，包括硬件设备、数据采集软件、数据分析处理输出以及展示软件，所述硬件设备为基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪；基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪包括两种结构模式，第一种为采集末端传感器模块采集空调水系统管路温度后，将数据通过无线方式传至现场的数据采集器，再由数据采集仪统一上传至阿里云服务器；第二种为采集末端传感器模块采集空调水系统管路温度后，直接将数据上传至电信的NBIOT物联网平台，再由该平台将数据上传至阿里云服务器。本发明提出的空调水调适系统不仅在测量过程中省时省力，并且提出一种新的水力平衡调适方法，满足了复杂的空调水系统的平衡调节需求。

Description

一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统

技术领域

本发明涉及一种空调水系统调适方法，尤其是一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统。

背景技术

空调水系统是连接空调末端消费侧与空调冷热源供给侧的重要纽带，一方面空调水系统需要通过调节，满足多个空调末端消费侧在各个时间、各种工况下对空调水量以及冷热量的需求；另一方面，空调水系统的主要动力部件-水泵需要克服水系统中管道、阀门等沿程阻力和局部阻力，将空调系统冷热源制备出的冷水或热水输送给各个空调末端，水泵电耗很大，是节能的重点。因此，实现空调水系统水力平衡，即各空调末端均能获得所需要的冷热水流量平衡以及热力平衡，即各空调末端均能从空调冷水或热水中获得维持室内环境所需的冷量或热量，是空调系统运行调节的主要任务。

传统空调水系统水力平衡和热力平衡的调节，是依靠调节空调水系统干管和支管上的阀门来实现，但由于空调系统现场测量水流量以及冷、热水经过空调末端中的盘管等换热装置实际传递给空调末端的冷量或热量的实际过程非常困难，因此长期以来空调水系统的水力平衡调节和热力平衡调节只能粗略地进行，导致空调末端实际获得的冷水或热水水量与实际需求不匹配，空调末端所负责的室内环境出现过冷、过热等不能满足控制要求的现象。特别是近年来建筑物体量越来越庞大，空调系统越来越复杂，一个空调水系统往往要承担成百上千个空调末端的水量和冷热量输配任务，水力平衡和热力平衡调节的难度更大，传统平衡调节手段无法满足这类复杂空调水系统的平衡调节需求。

同时，针对空调水系统调适的上述需求，传统的水系统管路温度采集设备及装置，大多不具备将多个水系统支路的供回水温度实时传至移动显示设备的功能，目前市场上也尚未有满足上述要求的产品及装置，因此，本发明提供一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，实现空调水系统水力平衡和热力平衡的基础，在于能够同时持续地获取各被调节空调末端、支路的回水温度以及相应的阀门开度，基于回水温度和阀门开度进行计算评估，并给出阀门调节建议、预测调节效果。

关于阀门开度，不论是动态平衡阀还是静态平衡阀，亦或是手动调节阀，其开度均可以人为观察和记录，并进行调节；如果是自动调节的比例积分连续调节阀，其阀门开度在0%到100%之间连续调节，其实际阀门开度也可通过控制系统获得并记录，这一过程通过DDC或PLC均可实现。

本发明旨在于开发可同时测量并可将结果实时采集和传输至中央处理单元或网络云端服务器的多通道温度测量装置，能够实现对水系统多个待调节末端或支路的回水温度同时进行监测，并根据测量数据给出阀门调节策略后，能再次测量回水温度，以便检验平衡调适效果，改进调适策略，逐步逼近理想的水系统热力平衡状态，实现空调水系统水力平衡状况与热力平衡状况的动态评估与系统调适。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，包括硬件设备、数据采集软件、数据分析处理输出以及展示软件，所述硬件设备为基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪；所述基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪包括两种结构模式，第一种为采集末端传感器模块采集空调水系统管路温度后，将数据通过无线方式传至现场的数据采集器，再由数据采集仪统一上传至阿里云服务器；第二种为采集末端传感器模块采集空调水系统管路温度后，直接将数据上传至电信的NBIOT物联网平台，再由该平台将数据上传至阿里云服务器；数据采集软件，对于第一种硬件设备，是嵌入至基于无线网络传输的温度采集设备样机的，对于第二种硬件设备，通过电信的NBIOT物联网平台来实现的，NBIOT温湿度采集器首先全部接入电信的NBIOT物联网平台，通过平台可以对末端数据采集模块进行各种设置，上传的温湿度数据通过特定的接口，经平台上传到指定的阿里云服务器上并存储进数据库；数据分析处理输出及展示软件，其是架设在阿里云服务器上的，同时可实现三种服务，一是NBIOT温湿度展示分析服务，二是微信小程序接口服务，三是空调水系统调适工具服务，其中数据分析处理输出及展示软件中内嵌水系统水力与热力平衡调适核心算法。

上述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，所述空调水系统包括集中空调系统、区域供冷供热系统的冷水或热水输送系统。

上述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，所述NBIOT温湿度采集器不仅可以测大场景的温湿度，也可以测试特殊的中央空调进回水管道接口温度；对于特殊的中央空调进回水管道接口，所述NBIOT温湿度采集器上还设置了贴片式温度探头，可以精确采集进回水温度，从而根据数据可以调节水平衡。

上述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，所述硬件设备可以通过两种不同的结构模式实现，更具体的，第一种结构模式是传感器与采集器分开，基于无线网络传输的温度采集设备样机通过传感器内置无线传输模块，发送数据，实现同时采集多个末端的温度数据并将其存储于采集器中，再由采集器统一通过4G网络将数据上传至服务器中；该模式适用于实际工程中无线网络WIFI信号较好的场合，采用WIFI传输测试的回水温度信息；第二种结构模式是将传感器与采集器整合为一个整体模块，温度采集设备样机利用窄带传输技术的多通道水温测量装置，内嵌4G/5G专用芯片，所述温度采集设备可根据需要灵活布置在各个待调适空调水系统末端或支路上，同时采集温度数据容量不限，测量的回水温度通过NBIOT技术即时传输到云端，云端数据库已建成并在实际工程中试用。

上述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，所述NBIOT具体为窄带传输技术。

上述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，所述数据分析处理输出及展示软件中内嵌水系统水力与热力平衡调适的核心算法如下：

通过将模型和算法，根据待调适系统物理特性，通过采集到的多支路和末端的回水温度数据进行分析处理，从而得到水系统各支路回水温度调节的目标值，并给出对应支路或末端上的阀门调节建议值，通过手动或者自动的手段进行阀门调节后，再对多支路回水温度进行测量和分析，再给出对应支路或末端上的阀门调节建议值，直到接近满意的水系统热力平衡状态。

“满意的水系统热力平衡状态”包括两个层次的含义，其中第一层含义是各个末端供回水温差的方差最小，或者说各个末端回水温度和总回水温度之间的方差和最小，即达到“匀”，具体通过公式表示：

其中，上述公式中T _s,i ,T _r,i 分别代表第i个支路的供水温度、回水温度，T _s ,T _r 分别代表系统总供水温度、总回水温度。

需要指出的是，通过调节实现回水温度尽量均匀的空调末端，应为调节性能相似的同一类空调末端，例如采用连续调节的空调箱为“同一类”空调末端，采用通断调节的风机盘管，则为“同一类”空调末端，完全不调节的空调末端，例如水阀损坏导致水阀常开的空调末端，或者是辐射供冷供热空调末端，则应分别归为“同一类”。已有大量研究表明，不属于“同一类”的空调末端由于其换热原理不同，原理上难以实现回水温度均匀这一热力平衡状态，因此空调水系统的平衡调节应根据空调末端的调节性能分类进行平衡调节；并且通过调适将水系统调节到尽量“匀”，即通过调节阀门开度，使得δ→0，从而通过测量各个末端或支路回水温度从而实时评估水系统热力平衡状况成为可能。

所述“满意的水系统热力平衡状态”第二层次的含义是：通过调适达到水系统的管道阻力系数S值最小；整个管路的S值等于干管S值，与所有并联的末端支路S值之和，其中干管与末端支路之间相当于串联管路，不同的末端支路之间是水系统并联关系；在实际系统运行工况下，干管S值只有在冷机开启台数变化和水泵开启台数变化时才改变，而一旦冷机和水泵开启的台数确定，则干管S值基本不变；而水系统调节过程中，末端S值不断改变，水系统平衡调适一方面要达到第一层次的“匀”的目标，即“热力平衡”，还需要达到第二层次“阻力最小”的目标，即“水力平衡”，并且由以下方程式推导出整个水系统管路S值达到最小的条件：

其中S表示水系统的阻力系数，S _m 表示干管阻力系数，S _t 表示末端支路总阻力系数，S _t , _i 表示第i个支路阻力系数，S _t , _i,0 表示第i个支路水阀全开时盘管的阻力系数，f _i (O _i )表示阀门开度减小时附加的阻力系数，与阀门开度O _i 成反比，当阀门开度O _i 为100%时，f _i (O _i )为0；并且所述第i个支路阻力系数S _t , _i 与阀门开度的关系曲线图，如附图3；因此，空调水系统热力平衡调节为达到第二层次的要求，不仅需要调节各个末端或支路的水阀开度，还需要通过调节末端压差设定值或其他参数，在满足室内环境需求的情况下，使得末端支路的水阀开度尽量打开，其中至少有1个水阀开度为100%，此时：

关于阀门调节的算法，根据同时多路空调水系统末端回水温度测量，实时评估水系统热力平衡状况，并根据各末端支路上的阀门开度现状，进行水系统平衡调适，难点在于阀门开度与实际水量之间的关系，不仅是非线性，而且还存在着一定的不确定性；更具有实际操作性的方法，是一种改进的随机逼近算法结合序列学习的方法，所述实际操作性的阀门调节的方法步骤具体如下：

步骤一，根据实测的各末端回水温度和对应的阀门开度，按供回水温差和阀门开度分别排序，从偏差最大的末端开始调节：先排查供回水温差最小的若干末端，根据现有阀门开度和供回水温差与平均供回水温差的偏差，估计阀门关小幅度；如上述供水温差最小的若干末端阀门开度接近100%，或处于阀门开度排序最大的若干个末端，则应优先调适，关小其阀门；

步骤二，再排查供回水温差最大的若干末端，根据现有阀门开度和供回水温差与平均供回水温差的偏差，估计阀门开大幅度；如其中有阀门开度接近100%，或处于阀门开度排序最大的若干个末端，则需重点关注其干管上是否有不合理阻力，或末端实际所带负荷是否远大于设计负荷；

步骤三，根据试算的阀门调节幅度，在空调负荷相对稳定的时间段内分别调节各个末端阀门开度，待系统稳定后，再次根据各末端实测回水温度，计算供回水温差的方差，进行水系统热力性能评估；并记录各支路供回水温差变化值和阀门开度改变值之间的比例关系；此时，最好监测水系统整体流量和总供回水温差，作为系统整体空调负荷相对稳定的依据；

步骤四，重复上述步骤一~步骤三，使得偏离平均供回水温差的末端偏差逐步缩小，系统趋向收敛；特别是根据各支路水阀开度调节幅度和供回水温差变化值之间的关系，不断修正阀门调节幅度的估计值，保证阀门调节方向是正确的，其也是算法收敛的关键所在，既不能让供回水温差的方差递减的太快，因为系统存在耦合性，不可能一步到位，但是也不能递减过慢，否则虽然最后会收敛，但是时间会很长，系统实际负荷也可能变化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益性技术效果：

1. 本发明通过NBIOT直接将多台设备的数据实时上传至云平台服务器，无需接线采集数据，保证数据采集的即时性；

2. 可以远程设置采集上传频率，不用到现场设置，并且直接可以在电脑手机上查看数据图表并进行分析，节约人力时间成本；

3. 现有水平衡调适方法，一般为水力平衡调适方法，依靠单点测量空调水系统的管路流量来进行，劳动量大，本发明提出的空调水系统水力热力平衡调适方法，通过同时测量多个空调水支路的实时供回水温度，结合相应的阀门开度，作为输入条件，输入核心算法软件，从而自动给出阀门开度调节建议值，并且可以不断迭代，最终使水系统达到满意的热平衡状态。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明中的空调水系统水力平衡与热力平衡状态调适系统的示意图；

图2为本发明中的无线多通路空调水系统平衡状态评估与调适系统现场实施示意图；

图3为空调水系统中第i个支路阻力系数S _t , _i 与阀门开度的关系曲线图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统包括包括硬件设备、数据采集软件、数据分析处理输出以及展示软件，其中位于底层的硬件设备为基于多支路多末端的温度测量与数据传输的专用无线传感器和采集器，设置于底层末端的无线传感器及采集器硬件可通过两种不同的结构模式实现，其中第一种结构模式为传感器与采集器分开模式，通过传感器内置无线传输模块，发送数据，实现同时采集多个末端的温度数据并将其存储于采集器中，再由采集器统一通过4G网络将数据上传至服务器中；所述第一种结构模式适用于实际工程中无线网络WIFI信号较好的场合，采用WIFI传输测试的回水温度信息；第二种结构模式是传感器与采集器整合为一个整体模块，利用窄带传输技术的多通道水温测量装置，内嵌4G/5G专用芯片，可根据需要灵活布置在各个待调适空调水系统末端或支路上，同时采集温度数据容量不限，测量的回水温度通过NBIOT技术即时传输到云端数据库当中；所述第二种结构模式适用于需平衡调节的回水支路在空间上相对分散的场合，例如楼内各空调箱、新风机组、水平支路等处，只要有4G以上移动通信信号覆盖，即可取得良好的使用效果，目前通过优化设计已可做到实时测量、1分钟云端传输一次、连续使用3个月时间的超长待机，能满足空调系统在供冷季或采暖季的连续动态评估和持续调适的需求。位于中间层的数据采集软件将实现数据从硬件采集器传输至电脑或者移动终端的功能，并在电脑或者移动终端上实现多个末端温度数据的同时读取和图形展示。位于上层的数据分析处理软件将对采集到的多个末端温度数据进行深入分析处理，通过软件内部的核心算法，给出水阀反馈控制信息，从而通过手动或者自动调节的手段，进行水力热力平衡调试；若待调适系统的水平衡调试阀门为电动阀，且可由自控系统控制，则上述过程将形成一个闭环，水平衡调适软硬件将实时检测当前的系统热力平衡状态，并自动控制各支路阀门开度，使得系统始终处于热力平衡状态，实现系统的实时调控。

如附图2所示，本发明工作时，在实际调适过程中，在待调适的空调水系统各供回水支路上布置温度采集设备，根据项目实际情况，通过第一种结构模式或者第二种结构模式将供回水温度上传至云服务平台，经过服务器内嵌的核心算法，给出各空调水管路水阀调节开度建议，手动或者电动调整各支路水阀开度，调整后等系统状态趋于稳定，再次获取各空调支路的供回水温度，重复上述过程，直至系统达到热力平衡状态。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，包括硬件设备、数据采集软件、数据分析处理输出以及展示软件，其特征在于：所述硬件设备为基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪；所述基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪包括两种结构模式，第一种结构模式为采集末端传感器模块采集空调水系统管路温度后，将数据通过无线方式传至现场的数据采集器，再由数据采集仪统一上传至阿里云服务器；第二种结构模式为采集末端传感器模块采集空调水系统管路温度后，直接将数据上传至电信的NBIOT物联网平台，再由该平台将数据上传至阿里云服务器；数据采集软件，对于第一种硬件设备，是嵌入至基于无线网络传输的温度采集设备样机的，对于第二种硬件设备，通过电信的NBIOT物联网平台来实现的，NBIOT温湿度采集器首先全部接入电信的NBIOT物联网平台，通过平台可以对末端数据采集模块进行各种设置，上传的温湿度数据通过特定的接口，经平台上传到指定的阿里云服务器上并存储进数据库；数据分析处理输出及展示软件，其是架设在阿里云服务器上的，同时可实现三种服务，一是NBIOT温湿度展示分析服务，二是微信小程序接口服务，三是空调水系统调适工具服务，其中数据分析处理输出及展示软件中内嵌水系统水力与热力平衡调适核心算法。

2.根据权利要求1所述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，其特征在于，所述NBIOT温湿度采集器不仅可以测大场景的温湿度，也可以测试特殊的中央空调进回水管道接口温度；对于特殊的中央空调进回水管道接口，所述NBIOT温湿度采集器上还设置了贴片式温度探头，可以精确采集进回水温度，从而根据数据可以调节水热力平衡。

3.根据权利要求1所述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，其特征在于，所述空调水系统包括集中空调系统、区域供冷供热系统的冷水或热水输送系统。

4.根据权利要求1所述的一种空调水系统水力平衡与热力平衡状态的调适系统，其特征在于，所述基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪的第一种结构模式适用于实际工程中无线网络WIFI信号较好的场合，采用WIFI传输测试的回水温度信息；所述基于NBIOT技术的温湿度无线数据采集仪的第二种结构模式适用于需平衡调节的回水支路在空间上相对分散的场合。

Images