CN113531708A - 一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统及方法 - Google Patents

一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统及方法，解耦式高效中央空调冷却水控制系统包括由一台主机和多台从机组成的模块化冷却水泵能效控制柜组，主机和每台从机的柜体内均有电源系统单元、调速系统单元和控制系统单元，控制系统单元将运算结果送入调速系统单元，主机和从机的控制系统单元之间通过通信交互网络连接，流量平衡阀和信号探头组接入主机的控制系统单元，每台主机或从机用于拖动一台水泵，主机用于获取、计算冷却水系统的运行工况信息和对从机分配调度，通信网络正常时，主机负责分配调度运行，通信网络不正常时，从机维持当前状态运行；能效管控平台与模块化冷却水泵能效控制柜组的主机连接，进行数据交互。

Description

一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统及方法，属于大型水冷中央空调节能控制技术领域。
背景技术
在大型水冷中央空调节能控制系统领域中，现有技术的中央空调系统几乎所有的节能控制都采用系统集成化BA系统控制（Building Automation System），这种控制形式的原理如图1所示，这种形式控制的优点是：（1）可选用DDC控制器，采用TCP/IP协议，实现以太网通信网络，通讯速率高；（2）系统群控，控制回路较集中，只需1份应用程序就可满足整个系统运行；（3）可由计算机现场下载控制方案，使用灵活；（4）DDC内预置控制方案，方便安装调试。多种数据通信方式适合各种被控设备和实现系统集成。
由于以上各种优点，BA系统控制被广泛应用于各种楼宇建筑、工业控制、智能仪表等领域的中央空调节能控制系统。但是这种BA系统控制仍有以下缺点：
（1）如果出现信号探头故障，会导致整个系统失控；
（2）如果DDC控制器出现异常，会导致整个系统无法运行，安全级别低；
（3）需要专业人员进行现场编程、调试。系统实现的实施周期较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全系数高，不会因为信号探头故障或控制器异常就会导致整个系统无法正常运行的解耦式高效中央空调冷却水控制系统。同时，本发明还提供一种该解耦式高效中央空调冷却水控制系统的控制方法，
本发明的解耦式高效中央空调冷却水控制系统采用如下技术方案：一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统，其包括冷却塔系统组、主机群组、冷却水泵组，冷却水泵组的总出口和主机群组的总进口之间连接有主机组总进水管，主机群组的总出口和冷却塔系统组的总进口之间连接有主机总出水管，冷却塔系统组的总出口和冷却水泵组的总进口之间连接有总回水管，所述主机总出水管和总回水管之间连接有流量平衡管，流量平衡管小于等于总回水管或主机组总出水管管径，流量平衡管上设有流量平衡阀，流量平衡阀为电动阀，所述解耦式高效中央空调冷却水控制系统还包括信号探头组、模块化冷却水泵能效控制柜组和能效管控平台；
信号探头组有两组，第一组是安装在主机组总进水管上压力传感器和温度传感器，第二组是安装在主机总出水管上的压力传感器和温度传感器；
模块化冷却水泵能效控制柜组包括一台主机和一台以上的从机，主机和每台从机的柜体内均有电源系统单元、调速系统单元和控制系统单元，控制系统单元将运算结果送入调速系统单元，主机和从机的控制系统单元之间通过通信交互网络连接，流量平衡阀的信号端以及各信号探头组统一接入主机的控制系统单元，冷却水泵组中的各水泵的信号端分别接入主机和从机的控制系统单元，每台主机或从机用于拖动一台水泵，主机用于获取、计算冷却水系统的运行工况信息和对从机分配调度，通信网络正常时，主机负责分配调度运行，通信网络不正常时，从机维持当前状态运行；能效管控平台与模块化冷却水泵能效控制柜组的主机连接，进行数据交互。
主机和每台从机均为强弱电一体化设计，从机最多有7台。
主机和从机采用RS485接口实现手拉手通信交互网络连接。
本发明的解耦式高效中央空调冷却水控制方法采用如下技术方案：一种解耦式高效中央空调冷却水控制方法，将信号探头组和流量平衡阀的信号端接入模块化冷却水泵能效控制柜组的主机，进行流量平衡计算和能效控制计算，各信号探头组用于采集对应管路处的温度和压力值，安装在主机组总出水管上的压力传感器和温度传感器测得的压力和温度分别为P0和T1，安装在主机组总出水管上的压力传感器和温度传感器得的压力和温度分别为P1和T0；
流量平衡阀计算具体如下：
（1）当冷却水当前T1小于设置的冷却水最低回水温度时，流量平衡阀门开始进入调节；
（2）采集T1环比变化判断温度趋势为升幅或平幅或降幅：以固定时间段为一个周期，记录当前T1为T1前，一个周期后T1为T1后；当前ΔT=T1前-T1后，n个周期以后，ΣΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3+…ΔTn，若ΣΔT大于0则温度为上幅趋势，若ΣΔT等于0则温度为平幅趋势，若ΣΔT小于0则温度为降幅趋势；
（3）当回水温度在升幅趋势下，流量平衡阀的开度逐渐减小，当回水温度环比变化趋势转为平幅状态时，保持当前阀位；
（4）当回水温度在降幅趋势下，流量平衡阀的开度逐渐增大，当回水温度环比变化趋势转为平幅状态时，保持当前阀位；
在室外温度较低的情况下，通过打开流量平衡阀提高水温；室外温度较高的情况下，流量平衡阀则逐渐关小。
能效控制算法包括基础算法和负荷温差流量修正算法，具体为：
一、基础算法：
主机端为目标：
当前总流量ΔPPV总=当前主机端流量ΔPPV主机端，
总流量需求ΔPSV总=主机端流量需求ΔPSV主机端，
其中，当前主机端流量ΔPPV主机端=P0-P1，主机端流量需求ΔPSV主机端是人为设定；
二、负荷温差流量修正算法：
（1）主机端上下限计算
a)主机端ΔT修ΔP补偿上限值=总流量需求ΔPSV总×主机端ΔT修ΔP补偿上限比例；
b)主机端ΔT修ΔP补偿下限值= 总流量需求ΔPSV总×主机端ΔT修ΔP补偿下限比例；
主机端ΔT修ΔP补偿上限比例、主机端ΔT修ΔP补偿下限比例均是人为设定；
（2）如果流量平衡阀补偿打开，则开始计算，否则补偿值为0：
其中，主机端采样温差=T1-T0，主机端标准工况温差采用设定的标准值；
a)当主机端采样温差小于主机端标准工况温差，主机端ΔT修ΔP补偿值从0位开始，当自定义脉冲时间到后减设定的固定值，循环往复，当主机端ΔT修ΔP补偿值下雨等于主机端ΔT修ΔP补偿下限值，停止减设定的固定值；
b)主机端采样温差大于主机端标准工况温差，主机端ΔT修ΔP补偿值从0位开始，当自定义脉冲时间到后加设定的固定值，循环往复，当主机端ΔT修ΔP补偿值大于等于主机端ΔT修ΔP补偿上限值，停止加设定的固定值；
流量平衡阀补偿打开运行结果：冷却水泵实际做功的流量大小，始终通过当前总流量ΔPPV总与总流量需求ΔPSV总的对比，通过流量平衡阀开度增大或减小以保证当前总流量ΔPPV总=总流量需求ΔPSV总，若当前总流量ΔPPV总=总流量需求ΔPSV总，则冷却水泵保持当前做功不变。
所述能效控制算法还包括温度趋势预测补偿算法，具体为：
当T2采样温度小于等于起始温度，每1分钟，主机端标准工况温差加0.1℃；
当T2采样温度大于等于结束温度，每1分钟，主机端标准工况温差减0.1℃；
起始温度和结束温度均为设定值。
主机端标准工况温差为5℃，起始温度为标准工况温度32℃，结束温度为37℃。
流量平衡阀开度的变化范围为0~100%，流量平衡阀每1s周期开度增加或减小的量为最大开度的0.5%。
冷却水最低回水温度设定为26℃。
采集T1环比变化时，所采用的固定时间段为60s。
所述自定义脉冲时间为60-120s，设定的固定值为1Kpa。
本发明的有益效果：本发明通过一台主机或一台从机拖动一台冷却水泵，信号探头组统一进入模块化冷却水泵能效控制柜组的主机进行能效控制计算，模块化冷却水泵能效控制柜之间采用形成通信交互网络，所有模块化冷却水泵能效控制柜从机听从模块化冷却水泵能效控制柜主机的调度指挥，当模块化冷却水泵能效控制柜主机与从机交互网络失联时，从机维持当前运行状态，通信交互网络恢复后仍由主机调度指挥。模块化冷却水泵能效控制柜主机听从能效管控平台的调度指挥，能效管控平台与模块化冷却水泵能效控制柜主机失联时，不影响解耦式模块化高效中央空调冷却水控制系统。
本发明将整个大型水冷中央空调系统解耦，各系统之间的过程控制模块化互不关联，不会因一个点的问题而影响整个系统的运行，实现冷却水系统的模块化节能控制运行。本发明的解耦式模块化高效中央空调冷却水控制系统是大型水冷型中央空调系统的一部分，适用于总管形式冷却水循环系统或一对一形式冷却水循环系统。
附图说明
图1是现有技术采用BA系统的中央空调系统控制原理图；
图2是本发明一种实施例的解耦式高效中央空调冷却水控制系统的系统图；
图3是图2中主机和从机的原理图。
图中：1-冷却塔系统组、2-主机群组、3-冷却水泵组、4-主机组总进水管、5-主机组总出水管、6-总回水管、7-流量平衡管、8-流量平衡阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种实施例的解耦式高效中央空调冷却水控制系统如图1至图2所示，本实施例的解耦式高效中央空调冷却水控制系统，其包括冷却塔系统组1、主机群组2、冷却水泵组3、信号探头组、模块化冷却水泵能效控制柜组和能效管控平台。
冷却水泵组3的总出口和主机群组2的总进口之间连接有主机组总进水管4，主机群组2的总出口和冷却塔系统组1的总进口之间连接有主机总出水管5，冷却塔系统组1的总出口和冷却水泵组3的总进口之间连接有总回水管6，所述主机总出水管5和总回水管6之间连接有流量平衡管7，流量平衡管7小于等于总回水管6或主机组总出水管5管径，流量平衡管7上设有流量平衡阀8，流量平衡阀8为电动阀；
信号探头组有两组，第一组是安装在主机组总进水管4上压力传感器和温度传感器，第二组是安装在主机总出水管5上的压力传感器和温度传感器。
模块化冷却水泵能效控制柜组包括一台主机和一台以上的从机，主机和每台从机的柜体内均有电源系统单元、调速系统单元和控制系统单元，控制系统单元将运算结果送入调速系统单元，主机和从机的控制系统单元之间通过通信交互网络连接，流量平衡阀的信号端以及各信号探头组统一接入主机的控制系统单元，冷却水泵组中的各水泵的信号端分别接入主机和从机的控制系统单元，每台主机或从机用于拖动一台水泵，主机用于获取、计算冷却水系统的运行工况信息和对从机分配调度，通信网络正常时，主机负责分配调度运行，通信网络不正常时，从机维持当前状态运行；能效管控平台与模块化冷却水泵能效控制柜组的主机连接，进行数据交互。
主机和从机的控制柜中变频器UVW接口与水泵UVW接口连接，控制柜通过控制器计算输出0~1000的比例调节变频器频率0~50Hz变化，从而调节水泵运行大小。控制柜通过控制器计算将0~1000的比例值输出至控制器端口对应DC0-10V，调控变频器频率0~50Hz。
主机和每台从机均为强弱电一体化设计，从机最多有7台。主机和从机采用RS485接口实现手拉手通信交互网络连接。
能效管控平台对冷却水泵能效控制柜组进行可视化操作，能效管控平台可显示、记录、操作冷却水泵能效控制柜组，能效管控平台通过RS485接口，采用MODBUS-RTU协议，与模块化冷却水泵能效控制柜组的主机连接，进行数据交互。
本发明一种解耦式高效中央空调冷却水控制方法，将信号探头组和流量平衡阀的信号端接入模块化冷却水泵能效控制柜组的主机，进行流量平衡计算和能效控制计算，各信号探头组用于采集对应管路处的温度和压力值，安装在主机组总出水管上的压力传感器和温度传感器测得的压力和温度分别为P0和T1，安装在主机组总出水管上的压力传感器和温度传感器得的压力和温度分别为P1和T0；
流量平衡阀计算具体如下：
（1）当冷却水当前T1小于设置的冷却水最低回水温度时，冷却水最低回水温度设定为26℃，流量平衡阀门开始进入调节；
（2）采集T1环比变化判断温度趋势为升幅或平幅或降幅：以固定时间段60s为一个周期，记录当前T1为T1前，一个周期后T1为T1后；当前ΔT=T1前-T1后，n个周期以后，ΣΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3+…ΔTn，若ΣΔT大于0则温度为上幅趋势，若ΣΔT等于0则温度为平幅趋势，若ΣΔT小于0则温度为降幅趋势；
（3）当回水温度在升幅趋势下，流量平衡阀的开度逐渐减小，当回水温度环比变化趋势转为平幅状态时，保持当前阀位；
（4）当回水温度在降幅趋势下，流量平衡阀的开度逐渐增大，当回水温度环比变化趋势转为平幅状态时，保持当前阀位；
流量平衡阀开度的变化范围为0~100%，流量平衡阀每1s周期开度增加或减小的量为最大开度的0.5%。
能效控制算法包括基础算法、负荷温差流量修正算法和温度趋势预测补偿算法，具体为：
一、基础算法：
主机端为目标：
当前总流量ΔPPV总=当前主机端流量ΔPPV主机端，
总流量需求ΔPSV总=主机端流量需求ΔPSV主机端，
其中，当前主机端流量ΔPPV主机端=P0-P1，主机端流量需求ΔPSV主机端是人为设定；
二、负荷温差流量修正算法：
（1）主机端上下限计算
a)主机端ΔT修ΔP补偿上限值=总流量需求ΔPSV总×主机端ΔT修ΔP补偿上限比例；
b)主机端ΔT修ΔP补偿下限值= 总流量需求ΔPSV总×主机端ΔT修ΔP补偿下限比例；
主机端ΔT修ΔP补偿上限比例、主机端ΔT修ΔP补偿下限比例均是人为设定，本实施例中设为20%；
（2）如果流量平衡阀补偿打开，则开始计算，否则补偿值为0：
其中，主机端采样温差=T1-T0，主机端标准工况温差采用设定的标准值；
a)当主机端采样温差小于主机端标准工况温差，主机端ΔT修ΔP补偿值从0位开始，当自定义脉冲时间到后减设定的固定值，循环往复，当主机端ΔT修ΔP补偿值下雨等于主机端ΔT修ΔP补偿下限值，停止减设定的固定值；
b)主机端采样温差大于主机端标准工况温差，主机端ΔT修ΔP补偿值从0位开始，当自定义脉冲时间到后加设定的固定值，循环往复，当主机端ΔT修ΔP补偿值大于等于主机端ΔT修ΔP补偿上限值，停止加设定的固定值；
本实施例中，自定义脉冲时间为60s，设定的固定值为1Kpa。流量平衡阀补偿打开运行结果：冷却水泵实际做功的流量大小，始终通过当前总流量ΔPPV总与总流量需求ΔPSV总的对比，通过流量平衡阀开度增大或减小以保证当前总流量ΔPPV总=总流量需求ΔPSV总，若当前总流量ΔPPV总=总流量需求ΔPSV总，则冷却水泵保持当前做功不变。
三、温度趋势预测补偿算法：
当T2采样温度小于等于起始温度，每1分钟，主机端标准工况温差加0.1℃；
当T2采样温度大于等于结束温度，每1分钟，主机端标准工况温差减0.1℃；
起始温度和结束温度均为设定值，本实施例中主机端标准工况温差为5℃，起始温度为标准工况温度32℃，结束温度为37℃。
上述实施例为本发明一种优选的实施例，在本发明其它的实施例中，自定义脉冲时间根据现场调试的情况确定，根据调试的情况可以把时间设置60s或120s或其它。当自定义脉冲时间到加减设定的固定值也是根据现场调试的情况确定，加减1KPa是以最基础的变化量进行这种尝试性的补偿，根据调试的情况加减设定的固定值也可以是2KPa或其它。
在本发明其它的实施例中，冷却水最低回水温度、起始温度和结束温度均是根据需要灵活设定；流量平衡阀开度变化的量和周期也可以根据需要灵活设定。
虽然上面已经对本发明的实施方式进行了详细描述，但本发明不限于上述的实施方式。所附的权利要求所限定的本发明的范围包含所有等同的替代和变化。

Claims (10)

1.一种解耦式高效中央空调冷却水控制系统，其包括冷却塔系统组、主机群组、冷却水泵组，冷却水泵组的总出口和主机群组的总进口之间连接有主机组总进水管，主机群组的总出口和冷却塔系统组的总进口之间连接有主机总出水管，冷却塔系统组的总出口和冷却水泵组的总进口之间连接有总回水管，其特征在于：所述主机总出水管和总回水管之间连接有流量平衡管，流量平衡管小于等于总回水管或主机组总出水管管径，流量平衡管上设有流量平衡阀，流量平衡阀为电动阀，所述解耦式高效中央空调冷却水控制系统还包括信号探头组、模块化冷却水泵能效控制柜组和能效管控平台；
信号探头组有两组，第一组是安装在主机组总进水管上压力传感器和温度传感器，第二组是安装在主机总出水管上的压力传感器和温度传感器；
模块化冷却水泵能效控制柜组包括一台主机和一台以上的从机，主机和每台从机的柜体内均有电源系统单元、调速系统单元和控制系统单元，控制系统单元将运算结果送入调速系统单元，主机和从机的控制系统单元之间通过通信交互网络连接，流量平衡阀的信号端以及各信号探头组统一接入主机的控制系统单元，冷却水泵组中的各水泵的信号端分别接入主机和从机的控制系统单元，每台主机或从机用于拖动一台水泵，主机用于获取、计算冷却水系统的运行工况信息和对从机分配调度，通信网络正常时，主机负责分配调度运行，通信网络不正常时，从机维持当前状态运行；能效管控平台与模块化冷却水泵能效控制柜组的主机连接，进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的解耦式高效中央空调冷却水控制系统，其特征在于：主机和每台从机均为强弱电一体化设计，从机最多有7台。
3.根据权利要求1所述的解耦式高效中央空调冷却水控制系统，其特征在于：主机和从机采用RS485接口实现手拉手通信交互网络连接。
4.一种解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：将信号探头组和流量平衡阀的信号端接入模块化冷却水泵能效控制柜组的主机，进行流量平衡计算和能效控制计算，各信号探头组用于采集对应管路处的温度和压力值，安装在主机组总出水管上的压力传感器和温度传感器测得的压力和温度分别为P0和T1，安装在主机组总出水管上的压力传感器和温度传感器得的压力和温度分别为P1和T0；
流量平衡阀计算具体如下：
（1）当冷却水当前T1小于设置的冷却水最低回水温度时，流量平衡阀门开始进入调节；
（2）采集T1环比变化判断温度趋势为升幅或平幅或降幅：以固定时间段为一个周期，记录当前T1为T1前，一个周期后T1为T1后；当前ΔT=T1前-T1后，n个周期以后，ΣΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3+…ΔTn，若ΣΔT大于0则温度为上幅趋势，若ΣΔT等于0则温度为平幅趋势，若ΣΔT小于0则温度为降幅趋势；
（3）当回水温度在升幅趋势下，流量平衡阀的开度逐渐减小，当回水温度环比变化趋势转为平幅状态时，保持当前阀位；
（4）当回水温度在降幅趋势下，流量平衡阀的开度逐渐增大，当回水温度环比变化趋势转为平幅状态时，保持当前阀位；
能效控制算法包括基础算法和负荷温差流量修正算法，具体为：
一、基础算法：
主机端为目标：
当前总流量ΔPPV总=当前主机端流量ΔPPV主机端，
总流量需求ΔPSV总=主机端流量需求ΔPSV主机端，
其中，当前主机端流量ΔPPV主机端=P0-P1，主机端流量需求ΔPSV主机端是人为设定；
二、负荷温差流量修正算法：
（1）主机端上下限计算
a)主机端ΔT修ΔP补偿上限值=总流量需求ΔPSV总×主机端ΔT修ΔP补偿上限比例；
b)主机端ΔT修ΔP补偿下限值= 总流量需求ΔPSV总×主机端ΔT修ΔP补偿下限比例；
主机端ΔT修ΔP补偿上限比例、主机端ΔT修ΔP补偿下限比例均是人为设定；
（2）如果流量平衡阀补偿打开，则开始计算，否则补偿值为0：
其中，主机端采样温差=T1-T0，主机端标准工况温差采用设定的标准值；
a)当主机端采样温差小于主机端标准工况温差，主机端ΔT修ΔP补偿值从0位开始，当自定义脉冲时间到后减设定的固定值，循环往复，当主机端ΔT修ΔP补偿值下雨等于主机端ΔT修ΔP补偿下限值，停止减设定的固定值；
b)主机端采样温差大于主机端标准工况温差，主机端ΔT修ΔP补偿值从0位开始，当自定义脉冲时间到后加设定的固定值，循环往复，当主机端ΔT修ΔP补偿值大于等于主机端ΔT修ΔP补偿上限值，停止加设定的固定值；
流量平衡阀补偿打开运行结果：冷却水泵实际做功的流量大小，始终通过当前总流量ΔPPV总与总流量需求ΔPSV总的对比，通过流量平衡阀开度增大或减小以保证当前总流量ΔPPV总=总流量需求ΔPSV总，若当前总流量ΔPPV总=总流量需求ΔPSV总，则冷却水泵保持当前做功不变。
5.根据权利要求1所述的解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：所述能效控制算法还包括温度趋势预测补偿算法，具体为：
当T2采样温度小于等于起始温度，每1分钟，主机端标准工况温差加0.1℃；
当T2采样温度大于等于结束温度，每1分钟，主机端标准工况温差减0.1℃；
起始温度和结束温度均为设定值。
6.根据权利要求5所述的解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：主机端标准工况温差为5℃，起始温度为标准工况温度32℃，结束温度为37℃。
7.根据权利要求4所述的解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：流量平衡阀开度的变化范围为0~100%，流量平衡阀每1s周期开度增加或减小的量为最大开度的0.5%。
8.根据权利要求4所述的解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：冷却水最低回水温度设定为26℃。
9.根据权利要求4所述的解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：采集T1环比变化时，所采用的固定时间段为60s。
10.根据权利要求4所述的解耦式高效中央空调冷却水控制方法，其特征在于：所述自定义脉冲时间为60-120s，设定的固定值为1Kpa。
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