CN114857687A - 水冷式中央空调冷却水系统的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水冷式中央空调冷却水系统的控制系统及方法，方法包括如下步骤：T1：开启预设的冷水机组入口电动阀门、冷却塔入口电动阀门，再开启对应冷却水泵，运行至冷却水总流量L初始值；T2：根据冷却水总流量L初始值与冷却塔最低均匀布水流量的关系调整冷却塔的开启数量X，开启对应冷水机组；T3：冷却水泵逐步降频，根据冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01判断冷却水泵停止降频的时间；T4：冷却水泵停止降频，冷却塔逐步降频，根据冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1判断冷却塔停止降频的时间；T5：冷却塔停止降频，系统达到最优工作点；T6：冷水机组总供冷量变化值ΔQ超过10％时，返回步骤T2。

Description

水冷式中央空调冷却水系统的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及空调控制领域，具体涉及水冷式中央空调冷却水系统控制系统及方法。

背景技术

冷水机组能效的影响因素可以归结为冷冻水出水温度尽可能高以及冷却水出水温度尽可能的低，因此水冷式中央空调系统的能耗控制系统可以以冷水机组为界面解耦成冷却水控制系统以及冷冻水控制系统。冷却水系统的能耗优化控制不能单纯的降低冷却水的温度，还需要综合考虑冷却水泵以及冷却塔的整体能耗。

在既有的公共建筑中，水冷式中央空调冷却水系统存在能耗高，缺乏有效的智能能耗管理和调控的问题。如果对控制系统进行配置升级，利用基于复杂数学模型相关的研究方法来提高系统能效，在实操过程中，众多不确定因素会对控制精度造成较大影响，如：由于水冷式中央空调的高耦合性以及设备实际运行参数往往与设计参数偏离很大，控制这个设备能耗下降导致其它设备的能耗增加，影响到水冷式中央空调系统的整体节能效果；由于系统运行策略不完善，对各设备只是作单纯的联锁启停控制，致使空调设备出现频繁启停、空调房间舒适度差等一系列的问题。因此开发一种结构简单、控制精准、实施性强的水冷式中央空调冷却水控制系统十分重要。

发明内容

为提高既有公共建筑中水冷式中央空调的系统能效，本发明提供了水冷式中央空调冷却水系统的控制装置及方法，通过下述技术方案实现：

一方面，本申请提供了水冷式中央空调冷却水系统的控制系统，应用于如下结构的水冷式中央空调冷却水系统：多台冷却塔通过并联的方式与冷却水主管连接，冷却水主管另一端连接一个或多个冷却水泵并联模块；冷却水泵并联模块另一端连接并联的冷水机组，冷却水泵并联模块中的冷却水泵数量大于或等于冷水机组中冷水机的数量；系统中各控制设备均与运行控制器相连；

在冷却水主管上设置有流量、温度监测装置；

在各冷水机冷却水进出口设置有流量监测装置、温度监测装置、压力监测装置，各冷水机连接有电耗监测装置；

在各冷却塔进水支管设置有远程关断阀、远程流量平衡调节阀；各冷却塔风机连接有电耗监测装置，为各冷却塔风机设置有无极变频装置；

在冷却水泵进出口设置有流量监测装置及压力监测装置，各冷却水泵连接有电耗监测装置，为各冷却水泵设置有无极变频装置。

在上述方案的基础上，进一步地有：控制系统获取的监测参数包括：

冷水机组运行参数：冷水机组冷却水进出口温度及水流量、冷水机组有功功率、冷水机组负载率、冷水机组冷却水进出口压力值、冷水机组冷凝温度；

冷却塔运行参数：室外空气干球及湿球温度、冷却塔进水主干管及支管实时流量、冷却塔进水干管温度、冷却塔出水支管温度、冷却水补水管实时流量及温度、冷却塔风量、冷却塔进出风口空气焓值、冷却塔风机有功功率、冷却塔风机运行频率；

冷却水泵运行参数：冷却水泵流量、冷却水泵扬程、冷却水泵变频器上下游的有功功率、冷却水泵频率。

在上述方案的基础上，进一步地有：控制系统根据监测参数计算得到的数据包括：

冷水机组运行参数：冷水机组供冷量、机组实时能效比COP、机组外部效率ICOP、机组内部效率DCOP；

冷却塔运行参数：各台冷却塔换热效率、风水比、冷却水出水温度与室外湿球温度的逼近度；

冷却水泵运行参数：单台冷却水泵实时总效率、冷却水泵变频器效率。

第二方面，本申请提供了水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，包括如下步骤：

T1：开启预设的冷水机组入口电动阀门、冷却塔入口电动阀门，再开启对应冷却水泵，运行至冷却水总流量L初始值；

T2：根据冷却水总流量L初始值与冷却塔最低均匀布水流量的关系调整冷却塔的开启数量X；

T3：开启对应冷水机组，待冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01稳定；

T4：冷却水泵逐步降频，根据冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01判断冷却水泵停止降频的时间；

T5：冷却水泵停止降频，冷却塔逐步降频，根据冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1判断冷却塔停止降频的时间；

T6：冷却塔停止降频，系统达到最优工作点；

T7：冷水机组总供冷量变化值ΔQ超过10％时，返回步骤T2。

冷水机组的运行能效随冷凝温度(冷凝器出口冷却水温度)的降低而减少，在特定工况下，冷水机组的能耗整体呈现随冷水机组出口冷却水温度升高而递增；要降低冷凝器出口冷却水温度就需要冷却水泵组合运行水流量在冷水机组冷却水流量限值范围内尽可能的大，冷却塔出水温度尽可能的低。

冷却水泵组合运行的总能耗在不同的冷却水流量段内随冷却水流量的降低而单调递减，而冷水机组冷凝器出口水温及能耗随冷却水流量的降低而单调递增。

冷却塔在满足均匀布水前提下，出水温度在一定的水流量和室外的湿球温度下随冷却塔运行风量的降低(风水比降低)而呈现单调递增的趋势，同时冷却塔的能耗(冷却风机电耗)将随冷却风量的降低而单调递减。

在上述方案的基础上，进一步地有：在步骤T1中，冷水机组的选取方式为：监测机组实时能效比COP，定义机组外部效率ICOP为蒸发温度与冷凝温度对应的逆卡诺循环制冷系数，定义机组内部效率DCOP＝COP/ICOP，将内部效率DCOP与机组负荷率PLR拟合成曲线，根据不同的负荷组合运行内部效率高的冷水机组。

在上述方案的基础上，进一步地有：在步骤T1中，选定冷水机组对应的冷却水泵的确定方式为：根据冷水机组总流量的上限Lmax及总流量下限Lmin确定冷却水泵的运行台数和运行频率区间范围；获取不同冷水机组及冷却塔组合运行时，不同流量段效率最高的冷却水泵运行组合。

在上述方案的基础上，进一步地有：步骤T2所述的冷却塔开启数量X与冷却水总流量L的关系为：保持实时冷却水总流量L大于开启状态的冷却塔最低均匀布水流量之和，且小于或等于多开启一台冷却塔的最低均匀布水流量之和，直至开启所有冷却塔。

在上述方案的基础上，进一步地有：设冷却塔总数量为K，单台冷却塔流量为I，单台冷却塔最低均匀布水流量为0.3I；步骤T2所述的冷却塔开启数量X与冷却水总流量L的关系为：当L＞K*0.3I时，开启所有冷却塔；当X*0.3I＜L≤(X+1)*0.3I时，开启X台冷却塔。

在上述方案的基础上，进一步地有：步骤T4所述冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01达到谷值W0时，冷却水泵停止降频；步骤T5所述冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1达到谷值W时，冷却塔停止降频。

在上述方案的基础上，进一步地有：在步骤T4与步骤T5之间，还包括步骤：

T41：若冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01达到谷值W0前，当冷却水泵并联模块降频至冷却水总流量L与冷却塔最低均匀布水流量的关系到达临界状态时，记录冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1，减少1台冷却塔，并记录冷却塔开启数量为(X-1)时，冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W2；

T42：若W1＜W2，选择冷却塔开启数量仍为X，否则冷却塔开启数量为(X-1)，返回步骤T4

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

有效整合冷水机组、冷却水泵、冷却塔优化组合运行及能效相关影响的关系，可以从根本上简化冷却水系统的控制逻辑，使得既有冷却水系统能效提升方法及应用具有可实施性，使冷水机组、冷却水泵、冷却塔在冷却水系统上做到运行能耗综合最低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明适用的中央空调结构图；

图2为本发明对应方法的原理框图。

附图中标记及对应的零部件名称：01-1号冷却塔，02-K号冷却塔，03-1号大冷机，04-M号大冷机，05-1号小冷机，06-N号小冷机，07-1号大冷却水泵，08-M号大冷却水泵，09-(M+1)号大冷却水泵，10-1号小冷却水泵，11-N号小冷却水泵，12-(N+1)号小冷却水泵，13-运行控制器，14-综合水处理器。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。

实施例：

如图1所示，在本实施例中，大容量冷水机组有M台(冷水机组的编号为1号大冷机03～M号大冷机04)，小容量冷水机组有N台(编号为1号小冷机05～N号小冷机06)。

对应大容量冷水机组的同型号冷却水泵台数为M+1(编号为1号大冷却水泵07～M号大冷却水泵08、M+1号大冷却水泵09，设置1台备用泵)，对应小容量冷水机组的同型号冷却水泵台数为N+1(编号为1号小冷却水泵10～N号小冷却水泵11、N+1号小冷却水泵12，设置1台备用泵)，冷却水泵先并联再与冷水机组及冷却塔连接；冷却水泵采用该连接方式的原因在于多台同型号水泵可以实现优化组合运行，使水泵运行过程中尽量运行在高效率区间。

冷却塔之间通过并联的方式与冷却水主管进行连接，容量相同的冷却塔有K台(编号为1号冷却塔01～K号冷却塔02，具体数量以项目实际情况为准)；冷却塔采用该连接方式的原因在于冷却水在流量变化过程中可以最大化的利用冷却塔的散热面积，实现高效率散热。

系统中各控制设备均与运行控制器13相连；

在冷却塔进水主干管上设置有流量监测装置；

在各冷水机冷却水进出口设置有流量监测装置、温度监测装置、压力监测装置，各冷水机连接有电耗监测装置；

在各冷却塔进水支管设置有远程关断阀、远程流量平衡调节阀；各冷却塔风机连接有电耗监测装置，为各冷却塔风机设置有无极变频装置；

在冷却水泵进出口设置有流量监测装置及压力监测装置，各冷却水泵连接有电耗监测装置，为各冷却水泵设置有无极变频装置。

控制系统获取及计算的参数包括：

冷水机组监测参数：冷水机组冷却水进出口温度及水流量、冷水机组有功功率、冷水机组负载率、冷水机组冷却水进出口压力值、冷水机组冷凝温度；

冷水机组计算参数：冷水机组供冷量、机组实时能效比COP、机组外部效率ICOP、机组内部效率DCOP。

冷却塔监测参数：室外空气干球及湿球温度、冷却塔进水主干管及支管实时流量、冷却塔进水干管温度、冷却塔出水支管温度、冷却水补水管实时流量及温度、冷却塔风量、冷却塔进出风口空气焓值、冷却塔风机有功功率、冷却塔风机运行频率；

冷却塔计算参数：各台冷却塔换热效率、风水比、冷却水出水温度与室外湿球温度的逼近度。

冷却水泵监测参数：冷却水泵流量、冷却水泵扬程、冷却水泵变频器上下游的有功功率、冷却水泵频率；

冷却水泵计算参数：单台冷却水泵实时总效率、冷却水泵变频器效率。

本实施例提供了水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，包括如下步骤：

T1：开启预设的冷水机组入口电动阀门、冷却塔入口电动阀门，再开启对应冷却水泵，运行至冷却水总流量L初始值；

T2：根据冷却水总流量L初始值与冷却塔最低均匀布水流量的关系调整冷却塔的开启数量X；设冷却塔总数量为K，单台冷却塔流量为I，单台冷却塔最低均匀布水流量为0.3I；步骤T2所述的冷却塔开启数量X与冷却水总流量L的关系为：当L＞K*0.3I时，开启所有冷却塔；当X*0.3I＜L≤(X+1)*0.3I时，开启X台冷却塔。

即L＞冷水机组总水量下限值Lmin的前提下，1*0.3I＜L≤2*0.3I时，开启1台冷却塔；2*0.3I＜L≤3*0.3I时，开启2台冷却塔……(K-1)*0.3I＜L≤K*0.3I时，开启K-1台冷却塔；当L＞K*0.3I时，开启K台冷却塔。

开启对应冷水机组；

T3：冷却水泵逐步降频，冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01达到谷值W0时，冷却水泵停止降频；

T31：若冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01达到谷值W0前，冷却水泵并联模块降频至冷却水总流量L与冷却塔最低均匀布水流量的关系到达临界状态，记录冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1，减少1台冷却塔，并记录冷却塔开启数量为(X-1)时，冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W2；

设初始3*0.3I＜L≤4*0.3I，本轮开启3台冷却塔，随着冷却水泵逐步降频且冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01未达到谷值，此时冷却水总流量降至L＝3*0.3I，则将冷却塔开启数量调整为2台，并记录冷却塔开启数量为2时，冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W2；

T32：若W1＜W2，选择冷却塔开启数量仍为X，否则冷却塔开启数量为(X-1)，返回步骤T3；

T4：冷却水泵停止降频，冷却塔逐步降频，冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1达到谷值W时，冷却塔停止降频；

T5：冷却塔停止降频，系统达到最优工作点；

T6：冷水机组总供冷量变化值ΔQ超过10％时，返回步骤T2。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.水冷式中央空调冷却水系统的控制系统，应用于如下结构的水冷式中央空调冷却水系统：多台冷却塔通过并联的方式与冷却水主管连接，冷却水主管另一端连接一个或多个冷却水泵并联模块；冷却水泵并联模块另一端连接并联的冷水机组，冷却水泵并联模块中的冷却水泵数量大于或等于冷水机组中冷水机的数量；系统中各控制设备均与运行控制器相连；其特征在于，

在冷却水主管上设置有流量、温度监测装置；

在各冷水机冷却水进出口设置有流量监测装置、温度监测装置、压力监测装置，各冷水机连接有电耗监测装置；

在各冷却塔进水支管设置有远程关断阀、远程流量平衡调节阀；各冷却塔风机连接有电耗监测装置，为各冷却塔风机设置有无极变频装置；

在冷却水泵进出口设置有流量监测装置及压力监测装置，各冷却水泵连接有电耗监测装置，为各冷却水泵设置有无极变频装置。

2.根据权利要求1所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制系统，其特征在于，控制系统获取的监测参数包括：

冷水机组运行参数：冷水机组冷却水进出口温度及水流量、冷水机组有功功率、冷水机组负载率、冷水机组冷却水进出口压力值、冷水机组冷凝温度；

冷却塔运行参数：室外空气干球及湿球温度、冷却塔进水主干管及支管实时流量、冷却塔进水干管温度、冷却塔出水支管温度、冷却水补水管实时流量及温度、冷却塔风量、冷却塔进出风口空气焓值、冷却塔风机有功功率、冷却塔风机运行频率；

冷却水泵运行参数：冷却水泵流量、冷却水泵扬程、冷却水泵变频器上下游的有功功率、冷却水泵频率。

3.根据权利要求2所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制系统，其特征在于，控制系统根据监测参数计算得到的数据包括：

冷水机组运行参数：冷水机组供冷量、机组实时能效比COP、机组外部效率ICOP、机组内部效率DCOP；

冷却塔运行参数：各台冷却塔换热效率、风水比、冷却水出水温度与室外湿球温度的逼近度；

冷却水泵运行参数：单台冷却水泵实时总效率、冷却水泵变频器效率。

4.水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，应用于如权利要求1-3任意一项所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制系统，包括如下步骤：

T1：开启预设的冷水机组入口电动阀门、冷却塔入口电动阀门，再开启对应冷却水泵，运行至冷却水总流量L初始值；

T2：根据冷却水总流量L初始值与冷却塔最低均匀布水流量的关系调整冷却塔的开启数量X；

T3：开启对应冷水机组，待冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01稳定；

T4：冷却水泵逐步降频，根据冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01判断冷却水泵停止降频的时间；

T5：冷却水泵停止降频，冷却塔逐步降频，根据冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1判断冷却塔停止降频的时间；

T6：冷却塔停止降频，系统达到最优工作点；

T7：冷水机组总供冷量变化值ΔQ超过10％时，返回步骤T2。

5.根据权利要求4所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，其特征在于，在步骤T1中，冷水机组的选取方式为：监测机组实时能效比COP，定义机组外部效率ICOP为蒸发温度与冷凝温度对应的逆卡诺循环制冷系数，定义机组内部效率DCOP＝COP/ICOP，将内部效率DCOP与机组负荷率PLR拟合成曲线，根据不同的负荷组合运行内部效率高的冷水机组。

6.根据权利要求4所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，其特征在于，在步骤T1中，选定冷水机组对应的冷却水泵的确定方式为：根据冷水机组总流量的上限Lmax及总流量下限Lmin确定冷却水泵的运行台数和运行频率区间范围；获取不同冷水机组及冷却塔组合运行时，不同流量段效率最高的冷却水泵运行组合。

7.根据权利要求4所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，其特征在于，步骤T2所述的冷却塔开启数量X与冷却水总流量L的关系为：保持实时冷却水总流量L大于开启状态的冷却塔最低均匀布水流量之和，且小于或等于多开启一台冷却塔的最低均匀布水流量之和，直至开启所有冷却塔。

8.根据权利要求7所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，其特征在于，设冷却塔总数量为K，单台冷却塔流量为I，单台冷却塔最低均匀布水流量为0.3I；步骤T2所述的冷却塔开启数量X与冷却水总流量L的关系为：当L＞K*0.3I时，开启所有冷却塔；当X*0.3I＜L≤(X+1)*0.3I时，开启X台冷却塔。

9.根据权利要求4所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，其特征在于，步骤T4所述冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01达到谷值W0时，冷却水泵停止降频；步骤T5所述冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1达到谷值W时，冷却塔停止降频。

10.根据权利要求4所述的水冷式中央空调冷却水系统的控制方法，其特征在于，在步骤T4与步骤T5之间，还包括步骤：

T41：若冷却水泵并联模块+冷水机组的总电耗W01达到谷值W0前，当冷却水泵并联模块降频至冷却水总流量L与冷却塔最低均匀布水流量的关系到达临界状态时，记录冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W1，减少1台冷却塔，并记录冷却塔开启数量为(X-1)时，冷水机组+冷却水泵并联模块+冷却塔的综合电耗W2；

T42：若W1＜W2，选择冷却塔开启数量仍为X，否则冷却塔开启数量为(X-1)，返回步骤T4。

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