CN114576806A - 一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化方法，首先分别根据机组负载和出水温度和湿球温度差值进行冷却塔数量和风机变频的控制，之后再根据冷却水供回水温差控制冷却水泵变频。本发明采用基于风机、水泵联合变频的控制方式，避免了只对水泵变频时低负载状态水泵变频运行节能量基本不变的问题，并提出开启多台冷却塔并联运行的方式，在满足负荷要求的前提下找到能耗最低时水泵风机运行方式，提高了系统在高负载工况下的总节能量，最终达到整个中央空调冷却水系统节能运行。

Description

一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化方法
技术领域
本发明属于中央空调的节能优化控制领域，尤其涉及一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化方法。
背景技术
冷却水系统在中央空调系统的能耗中占很大的比例，冷却水系统的自动控制优化方法不仅影响着制冷机组的性能和能耗，也间接影响了冷冻水侧的运行性能。同时，大多数中央空调系统均按照建筑最大负荷进行设计，而系统在满负荷状态下运行的时间频数很小，大部分时间均在部分负荷下运行，具有较大的节能空间。对于冷冻水侧的水泵和风机而言，在部分负荷下通过变频可以大大降低冷却水系统能耗。
目前的冷却水系统中对水泵进行变频控制得到较为普遍的应用，但是当仅仅将冷却水泵变频控制时，系统总节能量在较低负荷阶段几乎不变，这时若想进一步节能，必须考虑对冷却塔的风机进行变频控制。然而根据实际工程经验，冷却水温度每提高1℃，制冷机组COP约降低2％，这就导致了降低风机能耗的同时会增加机组的能耗，使得总能耗提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于机组制冷量的冷却风机变频控制优化方法，并在此基础上通过开启多台冷却塔并联运行的方式，在满足负荷要求的前提下找到能耗最低时水泵风机运行方式，提高了系统在高负载工况下的总节能量，可以使冷却塔风机、冷却水泵和制冷机组三者能耗和最小的方案。
实现本发明目的技术方案为：
一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，包括以下步骤：
步骤1、冷却塔优化控制，具体为：
步骤1-1、根据机组负载，对冷却塔运行数量进行控制；
步骤1-2、根据冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值进行冷却塔风机变频控制。
步骤2、冷却水泵变频优化控制，具体为：
利用PID控制器，采用冷却水供回水温差控制方法来调节冷冻水泵的转速；
通过实时检测冷却塔进水温度和冷却塔出水温度的差值，此差值送入PID控制器，输出冷却水泵的频率，调节水泵转速，从而实现对冷却水流量的调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用基于风机、水泵联合变频的控制方式，避免了只对水泵变频时低负载状态水泵变频运行节能量基本不变的问题，并提出开启多台冷却塔并联运行的方式，提高了系统在高负载工况下的总节能量，最终达到整个冷却水系统节能运行。
(2)本发明的PID控制均采用位置型的PID控制器进行变频调控，控制逻辑简单、鲁棒性强，在实际工程中比较容易实现。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行优化方法流程示意图。
图2为本发明的冷却塔加减载控制流程示意图。
图3为本发明的中央空调冷却塔节能优化运行控制原理示意图。
图4为本发明的中央空调冷却水泵节能优化运行控制原理示意图。
具体实施方式
一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，包括以下步骤：
步骤1、冷却塔优化控制，具体为：
步骤1-1、根据机组负载，对冷却塔运行数量进行控制，具体为：
步骤1-1-1、在系统主机开启的状态下，同步开启所有冷却塔并进行同步变频；
步骤1-1-2、实时判断冷却塔风机频率是否达到下限值，如果是，减载一台冷却塔，否则转至步骤1-1-3；
步骤1-1-3、实时判断冷却塔的风机频率是否达到上限值，如果是，转至步骤1-1-4。否则运行数量不改变；
步骤1-1-4、判断冷却塔风机是否全开，如果是则保持风机全开状态不变，否则加载一台冷却塔。
在不同的冷却水流量下，冷却塔效率均随冷却塔电机频率的提高而增大，且近似呈线性变化。
在不同湿球温度条件下，当冷却水流量和电机频率相同时，就冷却塔效率而言，三台冷却塔并联运行均比两台冷却塔并联运行时要高，且冷却塔效率提升的幅度随室外湿球温度的降低而增大。除此之外，在室外湿球温度和冷却水流量一定的情况下，当冷却塔效率相同时，三台冷却塔运行时所对应的各风机频率比两台冷却塔运行时明显减少，即三台冷却塔并联运行时风机更加节能。合理设置系统的冷却塔台数，并让所有冷却塔处于工作中。
例如，夏季及过渡季的冷却塔运行工况时，应配合冷却塔的额定工况，维持冷却水进出水5℃温差，保持系统的平稳高效运行。
在夏季时，由于冷负荷较大，宜开启全部的冷却塔进行散热；在过渡季时，由于冷负荷较小，可以减少冷却塔进行换热。
步骤1-2、当冷却塔风机工频运行时，增加冷却塔的台数虽然可以降低制冷机组能耗，但是也会增加风机的能耗，特别是在低负载区域，增加冷却塔台数所额外增加的风机能耗将会大于提高主机能效所节约的能耗。因此在对冷却塔并联台数增加的同时，需要对冷却风机进行变频，使得环境湿球温度和冷却塔出水温度之差，因此根据冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值进行冷却塔风机变频控制，具体为：
当冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值变大时，增大冷却塔风机的运转频率，通过增加风量减小二者的温差；反之减小冷却塔风机的频率。
进一步的，采用PID控制器控制同步调节各台冷却塔风机的风量；
通过检测冷却水出水温度和室外湿球温度的差值冷幅，并且将其跟设定值的差值送入PID控制器进行推理和运算，输出冷却塔的频率，调节风机转速，从而实现对冷却塔风量的调节；
所述PID控制原则基于约束条件：
Figure BDA0003508655690000031
其中，mw表示冷却塔风机风量、ma表示冷却水流量、Qrej表示冷却塔散热量，Δto表示冷却水出水温度和室外湿球温度的差值冷幅。
冷却塔的风机转速和风机频率的函数关系
Figure BDA0003508655690000032
其中，f表示风机的频率，p表示冷却塔电动机极对数，参照风机电压指数。
冷却塔总风量与风机转速之间的函数关系
Figure BDA0003508655690000033
其中，r和S分别为风机叶轮半径和面积；η为风机效率。
步骤2、冷却水泵变频优化控制，具体为：
利用PID控制器，采用冷却水供回水温差控制方法来调节冷冻水泵的转速；
通过实时检测冷却塔进水温度和冷却塔出水温度的差值，此差值送入PID控制器，输出冷却水泵的频率，调节水泵转速，从而实现对冷却水流量的调节；
主机冷凝器一侧的释热量Q＝Cm(tw,r-tw,s)；
其中，C为水的比热容，m为冷却水的总流量，tw,r和tw,s分别为冷却塔的进水温度和出水温度。
由上述函数关系式可知，在实际运行过程中，当空调负荷增大时，冷却水的供回水温差tw,r-tw,s也会随之增大，一旦高于设定值，冷却泵便会增大频率来增加流量，反之减少流量，来适应负荷的变化。
进一步的，所述冷却水泵的转速和频率为：
Figure BDA0003508655690000041
其中，f表示冷却水泵频率，p表示冷却水泵电动机极对数；
所述冷却水泵的转速和冷却水流量成正比。
进一步的，所述PID控制器采用位置式算法，输出为：
Figure BDA0003508655690000042
其中，K′p、K′i和K′d分别表示比例系数、积分系数和微分系数，u(s)和e(s)分别表示输出变量和误差变量的传递函数。
经过离散变换，得到在PID控制器的输出形式：
Figure BDA0003508655690000043
其中，e(k)是在第k时刻的误差量，u(k)是在第k时刻的输出量，输出量变化的时间间隔为采样周期。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤1、冷却塔优化控制；
步骤2、冷却水泵变频优化控制。
一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
步骤1、冷却塔优化控制；
步骤2、冷却水泵变频优化控制。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的阐述。
实施例
结合图1，一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，包括以下步骤：
步骤1、结合图2，冷却塔优化控制，具体为：
步骤1-1、根据机组负载，对冷却塔运行数量进行控制，具体为：
步骤1-1-1、在系统主机开启的状态下，同步开启所有冷却塔并进行同步变频；
步骤1-1-2、实时判断冷却塔风机频率是否达到下限值，如果是，减载一台冷却塔，否则转至步骤1-1-3；
步骤1-1-3、实时判断冷却塔的风机频率是否达到上限值，如果是，转至步骤1-1-4。否则运行数量不改变；
步骤1-1-4、判断冷却塔风机是否全开，如果是则保持风机全开状态不变，否则加载一台冷却塔。
在不同的冷却水流量下，冷却塔效率均随冷却塔电机频率的提高而增大，且近似呈线性变化。
在不同湿球温度条件下，当冷却水流量和电机频率相同时，就冷却塔效率而言，三台冷却塔并联运行均比两台冷却塔并联运行时要高，且冷却塔效率提升的幅度随室外湿球温度的降低而增大。除此之外，在室外湿球温度和冷却水流量一定的情况下，当冷却塔效率相同时，三台冷却塔运行时所对应的各风机频率比两台冷却塔运行时明显减少，即三台冷却塔并联运行时风机更加节能。合理设置系统的冷却塔台数，并让所有冷却塔处于工作中。
例如，夏季及过渡季的冷却塔运行工况时，应配合冷却塔的额定工况，维持冷却水进出水5℃温差，保持系统的平稳高效运行。
在夏季时，由于冷负荷较大，宜开启全部的冷却塔进行散热；在过渡季时，由于冷负荷较小，可以减少冷却塔进行换热。
步骤1-2、当冷却塔风机工频运行时，增加冷却塔的台数虽然可以降低制冷机组能耗，但是也会增加风机的能耗，特别是在低负载区域，增加冷却塔台数所额外增加的风机能耗将会大于提高主机能效所节约的能耗。因此在对冷却塔并联台数增加的同时，需要对冷却风机进行变频，使得环境湿球温度和冷却塔出水温度之差，因此根据冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值进行冷却塔风机变频控制，具体为：
当冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值变大时，增大冷却塔风机的运转频率，通过增加风量减小二者的温差；反之减小冷却塔风机的频率。
进一步的，采用采用PID控制器控制同步调节各台冷却塔风机的风量；
通过检测冷却水出水温度和室外湿球温度的差值冷幅，并且将其跟设定值的差值送入PID控制器进行推理和运算，输出冷却塔的频率，调节风机转速，从而实现对冷却塔风量的调节，如图3所示；
所述PID控制原则基于约束条件：
Figure BDA0003508655690000061
其中，mw表示冷却塔风机风量、ma表示冷却水流量、Qrej表示冷却塔散热量，Δto表示冷却水出水温度和室外湿球温度的差值冷幅。
步骤2、冷却水泵变频优化控制，具体为：
利用PID控制器，采用冷却水供回水温差控制方法来调节冷冻水泵的转速；
通过实时检测冷却塔进水温度和冷却塔出水温度的差值，此差值送入PID控制器，输出冷却水泵的频率，调节水泵转速，从而实现对冷却水流量的调节，如图4所示；
其中，主机冷凝器一侧的释热量Q＝Cm(tw,r-tw,s)；
其中，C为水的比热容，m为冷却水的总流量，tw,r和tw,s分别为冷却塔的进水温度和出水温度。
由上述函数关系式可知，在实际运行过程中，当空调负荷增大时，冷却水的供回水温差tw,r-tw,s也会随之增大，一旦高于设定值，冷却泵便会增大频率来增加流量，反之减少流量，来适应负荷的变化。
进一步的，所述冷却水泵的转速和频率为：
Figure BDA0003508655690000062
其中，f表示冷却水泵频率，p表示冷却水泵电动机极对数；
所述冷却水泵的转速和冷却水流量成正比。
进一步的，所述PID控制器采用位置式算法，输出为：
Figure BDA0003508655690000071
其中，K′p、K′i和K′d分别表示比例系数、积分系数和微分系数，u(s)和e(s)分别表示输出变量和误差变量的传递函数。
经过离散变换，得到在PID控制器的输出形式：
Figure BDA0003508655690000072
其中，e(k)是在第k时刻的误差量，u(k)是在第k时刻的输出量，输出量变化的时间间隔为采样周期。
本发明的技术方案采用基于风机、水泵联合变频的控制方式，避免了只对水泵变频时低负载状态水泵变频运行节能量基本不变的问题，并提出开启多台冷却塔并联运行的方式，在满足负荷要求的前提下找到能耗最低时水泵风机运行方式，提高了系统在高负载工况下的总节能量，可以使冷却塔风机、冷却水泵和制冷机组三者能耗和最小的方案。

Claims (10)

1.一种基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、冷却塔优化控制；
步骤2、冷却水泵变频优化控制。
2.根据权利要求1所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，所述步骤1中的冷却塔优化控制，具体包括以下步骤：
步骤1-1、根据机组负载，对冷却塔运行数量进行控制；
步骤1-2、根据冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值进行冷却塔风机变频控制。
3.根据权利要求2所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，所述步骤1-1中的对冷却塔运行数量进行控制，具体为：
步骤1-1-1、在系统主机开启的状态下，同步开启所有冷却塔并进行同步变频；
步骤1-1-2、实时判断冷却塔风机频率是否达到下限值，如果是，减载一台冷却塔，否则转至步骤1-1-3；
步骤1-1-3、实时判断冷却塔的风机频率是否达到上限值，如果是，转至步骤1-1-4。否则运行数量不改变；
步骤1-1-4、判断冷却塔风机是否全开，如果是则保持风机全开状态不变，否则加载一台冷却塔。
4.根据权利要求2所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，所述步骤1-2中的根据温度差值进行冷却塔风机变频控制，具体为：
当冷却塔水出水温度和环境湿球温度的差值变大时，增大冷却塔风机的运转频率，通过增加风量减小二者的温差；反之减小冷却塔风机的频率。
5.根据权利要求4所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，采用PID控制器控制同步调节各台冷却塔风机的风量；
通过检测冷却水出水温度和室外湿球温度的差值冷幅，并且将其跟设定值的差值送入PID控制器进行推理和运算，输出冷却塔的频率，调节风机转速，从而实现对冷却塔风量的调节；
所述PID控制原则基于约束条件：
Figure FDA0003508655680000011
其中，mw表示冷却塔风机风量、ma表示冷却水流量、Qrej表示冷却塔散热量，Δto表示冷却水出水温度和室外湿球温度的差值冷幅。
6.根据权利要求1所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，所述步骤2中的冷却水泵变频优化控制，具体为：
利用PID控制器，采用冷却水供回水温差控制方法来调节冷冻水泵的转速；
通过实时检测冷却塔进水温度和冷却塔出水温度的差值，此差值送入PID控制器，输出冷却水泵的频率，调节水泵转速，从而实现对冷却水流量的调节。
7.根据权利要求6所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，所述冷却水泵的转速和频率为：
Figure FDA0003508655680000021
其中，f表示冷却水泵频率，p表示冷却水泵电动机极对数；
所述冷却水泵的转速和冷却水流量成正比。
8.根据权利要求4或6所述的基于变频控制的中央空调冷却水系统节能优化运行方法，其特征在于，所述PID控制器采用位置式算法，输出为：
Figure FDA0003508655680000022
其中，K′p、K′i和K′d分别表示比例系数、积分系数和微分系数，u(s)和e(s)分别表示输出变量和误差变量的传递函数。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8中任一项所述的方法的步骤。
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