CN114893870B - 一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法 - Google Patents

一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，该控制方法通过对比系统出水温度预测值和系统水温度的测量值来切换系统的运行模式，所述系统包括冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、换热器、控制器和阀门等装置，所述系统的水温度预测值包含室外环境的湿球温度、冷却塔逼近度和换热器逼近度；在当前运行模式下系统出水温度的预测值偏离系统水温测量值或设定值时，提前切换系统的运行模式。该自然冷却系统运行模式的预测控制方法不仅考虑了室外环境温度，还考虑了冷却塔和换热器的运行特性，提高了系统运行模式的控制精度；在满足室内热湿负荷处理需求的基础上降低了自然冷却系统的运行能耗。

Description

一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法
技术领域
本发明涉及空调制冷机房控制技术领域，具体涉及一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法。
背景技术
空调系统的运行能耗占到建筑能耗的40％～60％左右，降低空调制冷机房的能耗是降低建筑能耗的重要途径，对我国实现碳达峰和碳中和具有重要意义。
降低空调制冷机房的能耗除了优化制冷机房的设计、提高设备的能效、以及优化系统控制等措施之外，利用低品位自然资源降低空调制冷机房的运行能耗是可行的途径。
与常规空调制冷机房不能利用自然资源相比，自然冷却系统可以通过利用自然资源以减少冷水机组的运行时间或降低冷水机组的制冷负荷，从而提高空调制冷机房的运行能效。
自然冷却系统包括冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、换热器、控制器和阀门等装置，系统通常有三种运行模式：全机械供冷运行模式、部分机械供冷运行模式、免费供冷运行模式。不同的系统运行模式直接影响空调制冷机房系统的能耗水平。
自然冷却系统的运行模式通常使用室外空气温度的测量值或者固定的温度值进行控制，导致运行模式的控制精度较低，可能造成自然冷却系统的运行能耗增加，而且无法对系统的运行模式进行提前控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，以解决现有技术中由于使用室外空气温度的测量值或者固定的温度值导致控制精度较低，以及运行模式控制滞后的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测量室外环境的温度，系统的水温度，和系统的冷负荷；
S2、根据所述室外环境温度和系统的冷负荷，预测系统的水温度；
S3、根据所述系统水温度的测量值与预测值的大小，在系统水温度的预测值偏离测量值或设定值时，切换系统的运行模式。
具体是根据所述系统水温度的测量值，和/或水温设计值，及预测值的大小，在系统水温度的预测值偏离测量值时，切换系统的运行模式。
优选地，所述自然冷却系统的运行模式至少包括以下三项中的两项：全机械供冷运行模式、部分机械供冷运行模式、免费供冷运行模式。
优选地，所述系统出水温度的预测值包含室外环境的温度，冷却塔逼近度的预测值和换热器逼近度的预测值。
优选地，所述自然冷却系统包括冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、换热器、控制器和阀门等装置。
优选地，所述根据系统水温度的测量值与预测值的大小，在系统水温度的预测值偏离测量值时，切换系统的运行模式，包括：
若当前系统的运行模式为全机械供冷，在系统出水温度的预测值小于系统回水温度的测量值时，切换当前的运行模式为部分机械供冷；
和/或，
若当前系统的运行模式为部分机械供冷，在系统出水温度的预测值小于系统出水温度的测量值，和/或，水温设计值时，切换当前的运行模式为免费供冷；
和/或，
若当前系统的运行模式为免费供冷，在系统出水温度的预测值大于系统出水温度的测量值，和/或，水温设计值时，切换当前的运行模式为部分机械供冷；
和/或，
若当前系统的运行模式为部分机械供冷，在系统出水温度的预测值大于系统回水温度的测量值时，切换当前的运行模式为全机械供冷。
优选地，所述的控制器，包括：
检测单元，用于测量和收集系统的水温和水流量，以及室外的环境温度；
预测单元，根据检测单元收集的数据预测系统的出水温度；
运行模式控制单元，根据系统的水温测量值，和/或，水温设计值，及预测值大小，切换系统的运行模式。
优选地，若切换当前的全机械供冷运行模式为部分机械供冷，具体为：降低冷水机组压缩机的频率，降低系统的制冷负荷，开启冷却水侧的换热器；
和/或，
若切换当前的部分机械供冷运行模式为免费供冷，具体为：关闭冷水机组，降低系统的制冷负荷，保持冷却水侧换热器的开启；
和/或，
若切换当前的免费供冷运行模式为部分机械供冷，具体为：开启冷水机组，提高系统的制冷负荷，保持冷却水侧换热器的开启；
和/或，
若切换当前的部分机械供冷运行模式为全机械供冷，具体为：提高冷水机组压缩机的频率，提高系统的制冷负荷，关闭冷却水侧的换热器。
优选地，所述方法还包括全机械供冷运行模式切换为部分机械供冷后，冷却塔风机的频率依据冷却水出水温度的设定值进行调节；
和/或，
部分机械供冷运行模式切换为免费供冷后，冷却塔风机的频率在预设时间内提升至预设频率，随后风机的频率依据冷冻水出水温度的设定值进行调节；
和/或，
免费供冷运行模式切换为部分机械供冷后，冷却塔风机的频率在预设时间内降低至预设频率，随后风机的频率依据冷却水出水温度的设定值进行调节；
和/或，
部分机械供冷运行模式切换为全机械供冷后，冷却塔风机的频率依据冷却水出水温度的设定值进行调节。
优选地，所述的冷却水侧的换热器安装在空调制冷机房内。
优选地，冷却水侧换热器的旁通阀的开度依据系统的制冷量需求进行调节，冷水机组的旁通阀开度依据空调水系统的压差进行调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该自然冷却系统运行模式的预测控制方法，通过测量室外环境的温度，测量系统的水温度，及预测系统的水温度，在系统水温度的预测值偏离测量值，和/或，设计值时，切换系统的运行模式。
2.该自然冷却系统运行模式的预测控制方法，提供的自然冷却系统运行模式控制方法不仅考虑了室外环境温度，还考虑了冷却塔和换热器的运行特性，提高了系统运行模式的控制精度。
3.该自然冷却系统运行模式的预测控制方法，在满足室内热湿负荷处理需求的基础上降低了冷水机组的制冷负荷和运行时间，提高了空调制冷机房系统的运行能效，对降低建筑能耗和我国实现碳达峰和碳中和具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的自然冷却系统的结构组成与原理示意图；
图2为本发明实施例的自然冷却系统出水温度预测的流程示意图；
图3为本发明实施例的自然冷却系统运行模式控制方法的流程示意图。
图中：1、冷却塔：2、冷水机组；3、水侧换热器；4、冷却水泵；5、冷冻水泵；6、冷水机组旁通阀；7、水侧换热器旁通阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-3，本发明实施例提供的自然冷却系统运行模式的预测控制方法，如图1，为本发明一种自然冷却系统的结构示意图，只要自然冷却系统包含包括以下三项运行模式中的两项：全机械供冷运行模式、部分机械供冷运行模式、免费供冷运行模式，都适用于本实施例提供的技术方案。
一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，其包括以下步骤：
S1、测量室外环境的温度，系统的水温度，和系统的冷负荷；
S2、根据所述室外环境温度和系统的冷负荷，预测系统的水温度；
S3、根据所述系统水温度的测量值与预测值的大小，在系统水温度的预测值偏离测量值或设定值时，切换系统的运行模式。
本实施例具体的预测控制方法的步骤为：
全机械供冷运行模式：在该运行模式下，冷却塔1开启，冷水机组2开启，水侧换热器3关闭，冷却水泵4开启，冷冻水泵5开启，水侧换热器的旁通阀7打开。
部分机械供冷运行模式：在该运行模式下，冷却塔1开启，冷水机组2开启，水侧换热器3开启，冷却水泵4开启，冷冻水泵5开启。
免费供冷运行模式：在该运行模式下，冷却塔1开启，冷水机组2关闭，水侧换热器3开启，冷却水泵4开启，冷冻水泵5开启，冷水机组旁通阀6开启。
自然冷却系统运行模式的切换一般发生在室外环境温度变化的情况下。例如，在全机械供冷运行模式下，室外环境温度为20℃，若室外环境温度降至12℃，那么自然冷却系统的运行模式由全机械供冷切换为部分机械供冷；若室外环境温度继续降低至7℃，那么自然冷却系统的运行模式由部分机械供冷切换为免费供冷。
如图2所示，根据示例性实施例给出了一种自然冷却系统的出水温度的预测流程示意图，该方法包括：
步骤S11、测量室外环境的温度(Twb)和系统的冷负荷(CL)；
步骤S12、根据所述室外环境温度和系统的冷负荷，预测冷却塔逼近度(Tapp，ct)和换热器逼近度(Tapp，wse),Tapp，ct由冷却塔名义逼近度(Tapp，ct，des)加上湿球温度Twb乘以系数a和冷负荷率(PLR)乘以系数b得到，即Tapp，ct＝Tapp，ct，des+a*Twb+b*PLR，PLR等于CL除以系统的名义制冷负荷(CLdes)，即Tapp，wse由换热器名义逼近度(Tapp，wse，des)乘以冷负荷率PLR得到，即Tapp，wse＝PLR×Tapp，wse，des；
步骤S13、预测系统的出水温度(TCHWS，pre)，TCHWS，pre可由湿球温度Twb加上冷却塔逼近度预测值Tapp，ct以及换热器逼近度Tapp，wse得到，TCHWS，pre＝Twb+Tapp，ct+Tapp，wse；
步骤S14、根据所述系统水温度的测量值与预测值的大小，在系统水温度的预测值偏离测量值时，切换系统的运行模式。
需要说明的是，本实施例提供的技术方案，适用于自然冷却系统运行模式的控制中。
实施例2
本发明实施例提供的自然冷却系统运行模式的预测控制方法，如图3所示，根据示例性实施例给出了一种自然冷却系统运行模式控制方法的流程图，该方法包括如下具体步骤：
步骤S21、当前系统的运行模式为全机械供冷，在系统出水温度的预测值TCHWS，pre小于系统回水温度的测量值(TCHWR)一段时间δt1时，则判定系统运行模式的切换条件成立，切换当前的运行模式为部分机械供冷；
和/或，
步骤S22、当前系统的运行模式为部分机械供冷，在系统出水温度的预测值TCHWS，pre小于系统出水温度的设计值(TCHWS，set)一段时间δt2时，则判定系统运行模式的切换条件成立，切换当前的运行模式为免费供冷；
和/或，
步骤S23、当前系统的运行模式为免费供冷，在系统出水温度的预测值TCHWS，pre大于系统出水温度的设计值TCHWS，set一段时间δt3时，则判定系统运行模式的切换条件成立，切换当前的运行模式为部分机械供冷；
和/或，
步骤S24、当前系统的运行模式为部分机械供冷，在系统出水温度的预测值TCHWS，pre大于系统回水温度的测量值TCHWR一段时间δt4时，则判定系统运行模式的切换条件成立，切换当前的运行模式为全机械供冷。
需要说明的是，本实施例提供的技术方案，适用于自然冷却系统运行模式的控制中。
在具体实践中，所述方法，还包括：
若切换当前的全机械供冷运行模式为部分机械供冷，具体为：降低冷水机组压缩机的频率，降低系统的制冷负荷，开启冷却水侧的换热器；
和/或，
若切换当前的部分机械供冷运行模式为免费供冷，具体为：关闭冷水机组，降低系统的制冷负荷，保持冷却水侧换热器的开启；
和/或，
若切换当前的免费供冷运行模式为部分机械供冷，具体为：开启冷水机组，提高系统的制冷负荷，保持冷却水侧换热器的开启；
和/或，
若切换当前的部分机械供冷运行模式为全机械供冷，具体为：提高冷水机组压缩机的频率，提高系统的制冷负荷，关闭冷却水侧的换热器。
在具体实践中，所述方法，还包括：
全机械供冷运行模式切换为部分机械供冷后，冷却塔风机的频率依据冷却水出水温度的设定值进行调节；
和/或，
部分机械供冷运行模式切换为免费供冷后，冷却塔风机的频率在预设时间内提升至预设频率，随后风机的频率依据冷冻水出水温度的设定值进行调节；
和/或，
免费供冷运行模式切换为部分机械供冷后，冷却塔风机的频率在预设时间内降低至预设频率，随后风机的频率依据冷却水出水温度的设定值进行调节；
和/或，
部分机械供冷运行模式切换为全机械供冷后，冷却塔风机的频率依据冷却水出水温度的设定值进行调节。
本发明实施例提供的自然冷却系统运行模式的预测控制方法，不仅考虑了室外环境温度，还考虑了冷却塔和换热器的运行特性，提高了系统运行模式的控制精度；在满足室内热湿负荷处理需求的基础上降低了自然冷却系统的运行能耗。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方法的实质和范围。

Claims (3)

1.一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，其特征在于：所述自然冷却系统包括冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、冷却水侧换热器、控制器和阀门，所述预测控制方法包括以下步骤：
S1、测量室外环境温度、系统的水温度和系统的冷负荷；
S2、根据所述室外环境温度和系统的冷负荷，预测系统的出水温度；
S3、根据所述系统的水温度的测量值与出水温度预测值的大小，在系统出水温度的预测值偏离测量值时，切换系统的运行模式；
所述自然冷却系统的运行模式包括：全机械供冷运行模式、部分机械供冷运行模式和免费供冷运行模式；
所述步骤S2具体包括：
根据所述室外环境温度和系统的冷负荷CL，预测冷却塔逼近度Tapp，ct和冷却水侧换热器逼近度Tapp，wse，Tapp，ct由冷却塔名义逼近度Tapp，ct，des加上室外湿球温度Twb乘以系数a和冷负荷率PLR乘以系数b得到，即Tapp，ct＝Tapp，ct，des+a*Twb+b*PLR，PLR等于CL除以系统的名义制冷负荷CLdes，即Tapp，wse由冷却水侧换热器名义逼近度Tapp，wse，des乘以冷负荷率PLR得到，即Tapp，wse＝PLR×Tapp，wse，des；
预测系统的出水温度TCHWS，pre，TCHWS，pre由室外湿球温度Twb加上冷却塔逼近度预测值Tapp，ct以及冷却水侧换热器逼近度Tapp，wse得到，TCHWS，pre＝Twb+Tapp，ct+Tapp，wse；
所述步骤S3具体包括：
若当前系统的运行模式为全机械供冷，在系统出水温度的预测值小于系统回水温度的测量值时，切换当前的运行模式为部分机械供冷；
若当前系统的运行模式为部分机械供冷，在系统出水温度的预测值小于系统出水温度的设定值时，切换当前的运行模式为免费供冷；
若当前系统的运行模式为免费供冷，在系统出水温度的预测值大于系统出水温度的设定值时，切换当前的运行模式为部分机械供冷；
若当前系统的运行模式为部分机械供冷，在系统出水温度的预测值大于系统回水温度的测量值时，切换当前的运行模式为全机械供冷。
2.根据权利要求1所述的一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，其特征在于：
若切换当前的全机械供冷运行模式为部分机械供冷，具体为：降低冷水机组压缩机的频率，降低系统的制冷负荷，开启冷却水侧换热器；
若切换当前的部分机械供冷运行模式为免费供冷，具体为：关闭冷水机组，降低系统的制冷负荷，保持冷却水侧换热器的开启；
若切换当前的免费供冷运行模式为部分机械供冷，具体为：开启冷水机组，提高系统的制冷负荷，保持冷却水侧换热器的开启；
若切换当前的部分机械供冷运行模式为全机械供冷，具体为：提高冷水机组压缩机的频率，提高系统的制冷负荷，关闭冷却水侧换热器。
3.根据权利要求2所述的一种自然冷却系统运行模式的预测控制方法，其特征在于：
全机械供冷运行模式切换为部分机械供冷后，冷却塔风机的频率依据冷却塔冷却水出水温度的设定值进行调节；
部分机械供冷运行模式切换为免费供冷后，冷却塔风机的频率在预设时间内提升至预设频率，随后风机的频率依据冷水机组冷冻水出水温度的设定值进行调节；
免费供冷运行模式切换为部分机械供冷后，冷却塔风机的频率在预设时间内降低至预设频率，随后风机的频率依据冷却塔冷却水出水温度的设定值进行调节；
部分机械供冷运行模式切换为全机械供冷后，冷却塔风机的频率依据冷却塔冷却水出水温度的设定值进行调节。
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Fan Chengliang

Inventor after: Zhou Xiaoqing

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Inventor before: Zhou Xiaoqing

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