CN111692721A - 用于空气调节系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于空气调节系统的控制方法。该控制方法包括：S100，获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力，且获取室内换热单元的实际温度变化速率；S200，基于实际制冷/制热能力与温度变化速率来自动学习室内换热单元的换热负荷特性曲线；S300，基于换热负荷特性曲线获取室内换热单元的稳态负荷和/或期望负荷；以及S400，基于稳态负荷和/或期望负荷来调整压缩机的运转台数及转速；和/或调整喷射器运转台数及开度。根据本申请的空气调节系统的控制方法，能够有效协调整套系统的输出能力来动态地适应当前的负荷需求。

Description

用于空气调节系统的控制方法
技术领域
本申请涉及换热领域，具体而言，其涉及一种空气调节系统及用于其的控制方法。
背景技术
目前，商业应用中的大型空气调节系统通常会使用多套并联的部件来获取更好的部分负荷调节能力和运行效率。例如，其可以体现在室内空气末端的多个并联换热单元等；也可以体现在室外制冷/制热端的多个并联压缩机和/或多个并联喷射器等。此时，在部分工况下，例如在根据实际需要仅开启部分室内换热单元的情况时，则无需该空气调节系统的室外制冷/制热端满负荷工作，而仅需部分压缩机或喷射器工作便可满足负荷且达成最高效率。但还需解决具体如何来确认这些并联部件之间的供需关系，以及如何协调这些并联部件来实现稳定的按需制冷/制热与提高能效。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种空气调节系统及用于其的控制方法，从而有效解决了或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题中的一个或多个。
为实现本申请的至少一个目的，根据本申请的第一方面，提供一种用于空气调节系统的控制方法，该空气调节系统包括压缩机和/或喷射器，该控制方法包括：S100，获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力，且获取室内换热单元的实际温度变化速率；S200，基于所述实际制冷/制热能力与所述温度变化速率来自动学习室内换热单元的换热负荷特性曲线；S300，基于所述换热负荷特性曲线获取室内换热单元的稳态负荷和/或期望负荷；其中，所述稳态负荷为所述换热负荷特性曲线上的温度变化速率为0时对应的实际制冷/制热能力；所述期望负荷为所述换热负荷特性曲线上的温度变化速率为期望温度变化速率时对应的实际制冷/制热能力；以及S400，基于稳态负荷和/或期望负荷来调整压缩机的运转台数及转速；和/或调整喷射器运转台数及开度。
可选地，基于室内换热单元的实际温度、客户设定的期望温度以及期望调整时间来获取期望温度变化速率。
可选地，所述期望温度变化速率的函数为dT/dt期望=-(1/t0)*Error；其中，dT/dt期望为期望温度变化速率，t0为期望调整时间，且Error为实际温度与期望温度之间的差值。
可选地，所述换热负荷特性曲线的函数为dT/dt=k1*(Load-Cap)；其中，dT/dt为实际温度变化速率，Cap为实际制冷/制热能力，k1为拟合的换热负荷特性曲线的斜率，Load为拟合的稳态负荷。
可选地，至少基于压缩机输出的实际流量、向室内换热单元输送的制冷剂温度和/或压力、从室内换热单元返回的制冷剂温度和/或压力来获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力。
可选地，在具有喷射器的空气调节系统中，空气调节系统输出的实际制冷/制热能力还关联至喷射器质量卷吸比。
可选地，基于压缩机的转速、进口压力和/或温度、出口压力和/或温度来获取压缩机输出的实际流量。
可选地，基于流量计来获取压缩机输出的实际流量。
可选地，基于各室内换热单元处的节流元件开度及其上、下游压差来获取压缩机输出的实际流量。
可选地，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将压缩机的运转台数调整至最少。
可选地，当所有压缩机均为变频压缩机时，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将全部运行压缩机的转速调整为相同。
可选地，当所有压缩机均为定频压缩机时，通过自动开关最少运转台数的定频压缩机来满足稳态负荷和/或期望负荷。
可选地，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将喷射器的运转台数调整至最少。
可选地，S200中所述的自动学习来获得换热负荷特性曲线的方法包括：函数拟合、构建人工神经网络或构建支持向量机模型中的一个或多个。
根据本申请的另一方面，还提供一种空气调节系统，其包括：控制器，所述控制器用于执行如前所述的控制方法。
可选地，所述空气调节系统为制冷系统或热泵系统。
可选地，还包括：设置在所述空气调节系统的制冷剂回路中的喷射器。
根据本申请的空气调节系统及用于其的控制方法，通过自动学习换热负荷特性曲线来获取稳态负荷和/或期望负荷，并基于此来调整压缩机的运转台数及转速和/或调整喷射器运转台数及开度，从而确保空气调节系统得以稳定输出制冷/制热能力来适应室内换热单元的负荷需求，确保系统稳定、协调且高效地运行。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本申请的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本申请范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1是本申请的空气调节系统的控制示意图。
具体实施方式
下文将参照附图中的示例性实施例来详细地描述本申请。但应当知道的是，本申请可通过多种不同的形式来实现，而不应该被理解为限制于本文所阐述的实施例。在此提供这些实施例旨在使得本申请的公开内容更为完整与相近，并将本申请的构思完全传递给本领域技术人员。
本领域技术人员还应当知道的是，本申请所提出的空气调节系统并非狭义地指代行业内用于楼宇中的具备室外制冷/制热单元与室内换热单元的空调。而应理解为一类具有实现空气调节功能的热力系统，其在各类动力源（例如，电力）的驱动下，通过系统内的制冷剂的相变来实现与待调节位置处的空气交换热量。例如，当该空气调节系统用于建筑暖通空调时，其可能是具备单冷功能(只制冷)的制冷系统，也可能是同时具备制冷与制热能力的热泵系统。再如， 当该空气调节系统用于冷链领域时，其可能是运输制冷系统，也可能是冷藏/冷冻系统。
具体而言，在此提供了一种用于空气调节系统的控制方法。该控制方法至少包括如下步骤。
首先执行S100，获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力，且获取室内换热单元的实际温度变化速率。此步骤旨在获取用于能力评估或预测所需的运行数据，以用于执行随后的评估或预测工作。应当知道的是，这些运行数据可采用直接获取或间接获取的方式，具体方式的选择可能需兼顾获取成本、获取精度、应用场合等多方面的考量。在此示例地提供几种参数获取方式以作参考。
例如，该空气调节系统输出的实际制冷/制热能力，至少可基于压缩机输出的实际流量、向室内换热单元输送的制冷剂温度和/或压力、从室内换热单元返回的制冷剂温度和/或压力来获取。当然，在具有喷射器的空气调节系统中，由于压缩机输出的制冷剂流体经过喷射器高压喷嘴产生卷吸作用从而吸入来自于室内换热单元出口的流体，故还应引入本领域内已有的喷射器质量卷吸比的概念。此时，该空气调节系统输出的实际制冷/制热能力还被关联至喷射器质量卷吸比。喷射器质量卷吸比可由喷射器高压、吸气口和出口的压力和/或温度来获取。
对于获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力所需的这些参数而言，其中部分可采用现有的技术成熟且成本合适的传感器直接获取，如压力传感器、温度传感器、速度传感器等等。而对于压缩机输出的实际流量而言，一方面，确实可以直接采用流量计来获取该数值，但目前的高精度流量计存在成本较高的情形。因此，也可考虑采用间接测量与计算相结合的方式来获取该流量。例如，可基于压缩机的转速、进口压力和/或温度、出口压力和/或温度来获取压缩机输出的实际流量。对于一套常规的空气调节系统而言，一般也会具有测量这些参数的对应传感器。因此，此种流量获取方法不会增加额外的成本且具有较高的精度。另外，由于所需测量的参数均处于主机这一侧，故获取参数也更为可行。备选地，还可基于各室内换热单元处的节流元件开度及其上、下游压差来获取压缩机输出的实际流量，其同样可适用于部分情形。
随后执行S200，基于实际制冷/制热能力与温度变化速率来自动学习室内换热单元的换热负荷特性曲线。此步骤旨在获取用于能力评估或预测所需的基准参数，以用于执行随后的评估或预测工作。该自动学习过程可以包括函数拟合、构建人工神经网络或构建支持向量机模型中的一个或多个。在一些实施例中，可采用曲线拟合的方法来自动学习室内换热单元的换热负荷特性曲线。在该实施例中，获取多个时间点的系统输出的实际制冷/制热能力与此时的温度变化速率，体现在坐标区间内，且由此拟合出一条与多个点有关联的线性函数。在该实施例中，换热负荷特性曲线的函数为dT/dt=k1*(Load-Cap)；其中，dT/dt为实际温度变化速率，Cap为实际制冷/制热能力，k1为拟合的换热负荷特性曲线的斜率，Load为拟合的稳态负荷。
在获取换热负荷特性曲线后，可执行S300来进行应用。也即，基于换热负荷特性曲线获取室内换热单元的稳态负荷或期望负荷。其中，稳态负荷为换热负荷特性曲线上的温度变化速率为0时对应的实际制冷/制热能力。也即，根据当前的系统输出，当到达该点时系统室内换热单元处的温度变化趋近于稳定，此时在换热负荷特性曲线上所体现出的点值也即该系统的实际制冷/制热能力。而期望负荷为换热负荷特性曲线上的温度变化速率为期望温度变化速率时对应的实际制冷/制热能力。系统的稳态负荷和基于用户期望温度变化速率的系统期望负荷并不相同。举例而言，可能在室内空气温度变化趋近于稳定时，离用户预设的期望温度还差1℃，也即，此时系统的实际制冷/制热能力不足以满足用户的实质需求，还需要加大系统输出来消除这1℃的温度偏差。此时，需要一个大于稳态负荷的期望负荷来驱使当前温度动态地靠近期望温度从而消除该温度偏差。反之，则亦可能需要一个小于稳态负荷的期望负荷来消除该温度偏差。此步骤旨在动态地了解系统的当前状况，并评估是否需调增或调减系统输出能力来使其趋近预设的目标值。
在获取期望负荷时，其中的期望温度变化速率与室内换热单元的实际温度、客户设定的期望温度以及期望调整时间有关。例如，若期望温度与实际温度相差较大，且/或客户设定的期望调整时间较短，则有较大的期望温度变化速率，也相应地需要输出较大的实际制冷/制热能力。反之，若期望温度与实际温度相差较小，且/或客户设定的期望调整时间较长，则有较小的期望温度变化速率，也相应地仅需输出较小的实际制冷/制热能力。更具体而言，期望温度变化速率的函数为dT/dt期望=-(1/t0)*Error；其中，dT/dt期望为期望温度变化速率，t0为期望调整时间，且Error为实际温度与期望温度之间的差值。
在基于前述步骤已获取到对系统评估的基础后，可按照前述结果来执行S400，基于稳态负荷和/或期望负荷来调整压缩机的运转台数及转速和/或调整喷射器运转台数及开度。当然，对压缩机的调整适用于任何空气调节系统；而喷射器的相应调整则仅适用于具有该部件的空气调节系统，其通常为大压差系统，例如超临界系统或部分亚临界系统。
应用前述实施例中的空气调节系统控制方法，通过自动学习换热负荷特性曲线来获取稳态负荷和/或期望负荷，并基于此来调整压缩机的运转台数及转速和/或调整喷射器运转台数及开度，从而确保空气调节系统得以稳定输出制冷/制热能力来适应室内换热单元的负荷需求，确保系统稳定、协调且高效地运行。
虽然本申请在步骤S400中提及按需协调压缩机或喷射器，但依然很可能在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下存在多种协调方式。此时，可以进一步地做出如下改型来优化该步骤。
在一个示例中，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将压缩机的运转台数调整至最少。例如，存在三台并联的压缩机，其额定输出能力分别为50kW、30kW及20kW。此时，若需要的稳态负荷或期望负荷为50kW时，存在多个压缩机开启方案可以满足该要求，例如，单独开启50kW的压缩机；或者同时开启30kW及20kW的压缩机。此时，优先级更高的压缩机开启方式为前者，开启的压缩机越少则相应控制越加简单，且运行更为可靠。
在另一个示例中，当所有压缩机均为变频压缩机时，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将全部压缩机的转速调整为相同。例如，存在三台并联的变频压缩机，其额定输出能力均为20kW。此时，若需要的稳态负荷或期望负荷为30kW时，存在多个压缩机开启方案可以满足该要求，例如，开启2台20kW的压缩机，使其一台输出20kW，另一台输出10kW；或者同时开启2台压缩机，使其分别输出15kW。此时，优先级更高的压缩机开启方式为后者，如此更为便于压缩机的控制。
在又一个示例中，当所有压缩机均为定频压缩机时，通过开关最少运转台数的定频压缩机来满足稳态负荷和/或期望负荷。例如，存在四台并联的压缩机，其额定输出能力分别为50kW、40kW、30kW及20kW。此时，若需要的稳态负荷或期望负荷为90kW时，存在多个压缩机开启方案可以满足该要求，例如，同时开启50kW与40kW的压缩机；或者同时开启50kW、30kW及20kW的压缩机（若没有恰好满足期望负荷时，则考虑使用具有略大于期望负荷的额定输出能力的压缩机开启方案）；亦或同时开启40kW、30kW及20kW的压缩机。此时，优先级更高的压缩机开启方式为第一种，此时开启的压缩机越少则相应控制越加简单，且运行更为可靠。
由于定频压缩机无法在温度制冷能力达到设定值后通过调频来使其稳定在设定值，故采用自动开关的方式来将其控制在设定值附近的特定范围内。例如，存在三台并联的定频压缩机，其输出能力均为30kW。此时，若需要的稳态负荷或期望负荷为80kW时，需要求全部开启三台压缩机。但由于这些压缩机无法变频，故其在全部开启时将提供90kW的冷量。其中超出的10kW会使得室内换热单元的温度不断下降并接近设定值，且最终低于设定值。在此过程中，温度变化速率不断变大，对应的计算获取的期望负荷不断减小，直至减小为60kW时，可以自动关闭一台已开启的定频压缩机，并保持另外两台定频压缩机继续开启。
备选地，对于含喷射器的系统而言，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，还可选择将喷射器的运转台数调整至最少。
还应当知道的是，前述特定实施例虽然可能示出、公开或要求了特定步骤顺序，但应了解某些步骤仍可按照任何次序实施、分离或组合，除非已经明确地指出需按照特定顺序来执行。
此外，在此还提供一种空气调节系统的实施例。其既可以是制冷系统，也可以是热泵系统。且其所具有的室外制冷/制热单元100与室内换热单元200及其具体所包含的冷凝部件、蒸发部件、节流部件与压缩机等均可为常规的成熟部件。此外，其所具有的控制器应能够用于执行前述任意实施例或其组合中的控制方法。也即，该控制器可能具备用于计算估测流量的流量评估模块310、用于计算估测实际输出能力的能力评估模块320、用于计算估测实际输出负荷与期望输出负荷的负荷评估与预测模块330及用于根据评估结果来协调控制压缩机或喷射器的协调控制模块340等功能实体中的至少一部分。当然，本领域技术人员应当知道的是，前述控制方法中述及的与调整喷射器有关的内容，仅在该空气调节系统中设置了喷射器时才会生效。此外，该控制器同样还应关联至系统中特定位置的压力传感器、温度传感器或速度传感器等来获取执行计算估测过程所需的参数。
如下将进一步结合图1来描述本申请中的一个实施例的空气调节系统在运转中的系统协调过程。首先，该空气调节系统的控制器的流量评估模块310基于来自传感器的压缩机进口压力和/或温度、出口压力和/或温度及压缩机转速等信息来获取此时压缩机输出的制冷剂的质量流量。在图示的获取方式中，对于特定型号的压缩机而言，其转速曲线SPD1、SPD2等均能在出厂时被确定，基于来自传感器的压缩机的进出口压力的差值Pres.Lift，便可以得到压缩机输出的制冷剂的质量流量m。随后，控制器的能力评估模块320基于来自传感器的向室内换热单元输送的制冷剂温度和/或压力、从室内换热单元返回的制冷剂温度和/或压力获取室内换热单元进出口焓差△h，再结合前述步骤中所获取的质量流量m，来算出其实际制冷能力Cap。当然，对于具有喷射器的系统而言，上述所得Cap还得乘上喷射器质量卷吸比。其中，该喷射器卷吸比可通过系统中喷射器高压、吸气口和出口的制冷剂温度和压力进行估算。再者，控制器的负荷评估与预测模块330通过计算所得的实际输出能力与此时在例如冷柜一类的制冷单元处所获取的温度变化速率来自动学习出换热负荷特性曲线。依图可知，此时的期望制冷负荷Demand Cap应大于实际制冷能力，意指当前系统的实际制冷能力还不足以满足设定的需求，需进一步增大制冷能力的输出。在得到前述评估结果后，控制器的协调控制模块340执行相应的压缩机和/或喷射器的协调控制。负荷由小变大的过程中，先开启尺寸较小的一号喷射器（图中示出为实线），直至将其开启到最大开度，如依然无法满足当前的负荷需求，则开启尺寸较大的二号喷射器（图中示出为虚线）而暂时关闭一号喷射器。若在关闭一号喷射器的同时将二号喷射器依旧从0开度开始缓慢调节的话，则系统会从一号喷射器满开度时的负荷骤降为二号喷射器初始小开度时的负荷，可能会带来较大震荡。在该实例中，因一号喷射器的额定流量为二号喷射器的一半，基于前述考虑，故使得二号喷射器开启时从一半开度起始。随着负荷继续增大则继续开大二号喷射器开度，直至将其开启到最大开度，如依然无法满足当前的负荷需求，则在保持二号喷射器开度最大的同时，再次开启一号喷射器并逐渐加大其开度直至该系统的喷射器最大可调节范围。类似地，还可以单独或同时调整该系统的压缩机运行策略。首先，先开启系统中的变频压缩机（图中示出为实线），直至将其开启到最大转速后依然无法满足当前的制冷能力输出；因此，需要进一步地开启约等于变频压缩机最大输出功率的定频压缩机（图中示出为虚线），并相应地重新开始调整变频压缩机的输出直至该系统的压缩机输出最大可调节范围，从而实现了系统对期望与实际输出之间存在偏差时的响应全过程。
前文中述及的用于执行前述方法的控制器可能涉及若干功能实体，其不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。也可以采用软件形式来实现这些功能实体，或者在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或者在不同处理装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本说明书使用实例来公开本申请，包括最佳模式，并且也使本领域的任何技术人员能够实践本申请，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所涵盖的方法。本申请的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括本领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质差别的等效结构元件，那么其意图也在权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种用于空气调节系统的控制方法，该空气调节系统包括压缩机和/或喷射器，其特征在于，包括：
S100，获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力，且获取室内换热单元的实际温度变化速率；
S200，基于所述实际制冷/制热能力与所述温度变化速率来自动学习室内换热单元的换热负荷特性曲线；
S300，基于所述换热负荷特性曲线获取室内换热单元的稳态负荷和/或期望负荷；其中，所述稳态负荷为所述换热负荷特性曲线上的温度变化速率为0时对应的实际制冷/制热能力；所述期望负荷为所述换热负荷特性曲线上的温度变化速率为期望温度变化速率时对应的实际制冷/制热能力；以及
S400，基于稳态负荷和/或期望负荷来调整压缩机的运转台数及转速；和/或调整喷射器运转台数及开度。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于室内换热单元的实际温度、客户设定的期望温度以及期望调整时间来获取期望温度变化速率。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述期望温度变化速率的函数为dT/dt期望=-(1/t0)*Error；其中，dT/dt期望为期望温度变化速率，t0为期望调整时间，且Error为实际温度与期望温度之间的差值。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述换热负荷特性曲线的函数为dT/dt=k1*(Load-Cap)；其中，dT/dt为实际温度变化速率，Cap为实际制冷/制热能力，k1为拟合的换热负荷特性曲线的斜率，Load为拟合的稳态负荷。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，至少基于压缩机输出的实际流量、向室内换热单元输送的制冷剂温度和/或压力、从室内换热单元返回的制冷剂温度和/或压力来获取空气调节系统输出的实际制冷/制热能力。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在具有喷射器的空气调节系统中，空气调节系统输出的实际制冷/制热能力还关联至喷射器质量卷吸比。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，基于压缩机的转速、进口压力和/或温度、出口压力和/或温度来获取压缩机输出的实际流量，或者基于流量计来获取压缩机输出的实际流量，或者基于各室内换热单元处的节流元件开度及其上、下游压差来获取压缩机输出的实际流量。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的控制方法，其特征在于，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将压缩机的运转台数调整至最少。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的控制方法，其特征在于，当所有压缩机均为变频压缩机时，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将全部运行压缩机的转速调整为相同。
10.根据权利要求1至7任意一项所述的控制方法，其特征在于，当所有压缩机均为定频压缩机时，通过自动开关最少运转台数的定频压缩机来满足稳态负荷和/或期望负荷。
11.根据权利要求1至7任意一项所述的控制方法，其特征在于，在满足稳态负荷和/或期望负荷的情况下，将喷射器的运转台数调整至最少。
12.根据权利要求1至7任意一项所述的控制方法，其特征在于，S200中所述的自动学习来获得换热负荷特性曲线的方法包括：函数拟合、构建人工神经网络或构建支持向量机模型中的一个或多个。
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