CN115013943A - 一种智能化空调控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能化空调控制系统，具体涉及空调控制领域，包括监控系统、云端智能控制系统、预警系统，系统利用物联网数据采集、大数据分析以及云端算法技术，对中央空调系统进行数据采集、云端数据存储与分析、云端智能控制，本发明拥有诊断预警功能，云端智能控制系统可及时发现系统运行异常，实现预警功能，当空调系统发生故障时，系统会第一时间将异常信息发送到管理人员手机，并开启备用机组应对紧急情况，同时获取空调系统故障代码，将故障代码发送到xx合作的空调维修单位，专业维修人员快速知悉空调故障情况并作出反应，及时赶到客户现场为客户解决空调故障，第一时间发现问题，排除故障，减小停机时间和损失。

Description

一种智能化空调控制系统
技术领域
本发明涉及空调控制领域，具体涉及一种智能化空调控制系统。
背景技术
系统设计选型、设备搭配不合理，建设成本高，运行性能无法保证： 系统均为非标系统，几乎所有的项目都需要进行重新设计、选型、配置 等，智能化系统也需要进行定制化开发，对设计人员技术依赖性强、无法 保证每个项目的设计质量；系统运行能耗浪费大，效率低，运行能源成本 高：系统运行均为人为手动操作，无法根据冷热量需求智能调整，系统能 耗浪费大，运行效率低；系统建设安装难度大、周期长、成本高：所有管 道均需要工人现场预制，安装质量对工人技术水平要求高。另外智能化控 制设备均为通用设备，需要集成商进行二次开发才能使用，对工程师要求 较高，不同的工程师完成的项目质量差异较大，系统运行质量无法保；系 统管理维护难度大、成本高：智能控制系统多为只看不控，现场设备操作 依然需要管理人员手动进行，另外控制系统需要集成商进行二次开发才能 使用，后期运行维护困难，成本高，大幅缩短了智能化系统的使用寿命， 平均寿命不足2年。
发明内容
为此，本发明提供一种智能化空调控制系统，以解决上述背景技术中 提出的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种智能化空 调控制系统，采用四层架构，应用层、云平台层、设备层和环境层，其特 征在于：包括监控系统、云端智能控制系统、预警系统，系统利用物联网 数据采集、大数据分析以及云端算法技术，对中央空调系统进行数据采 集、云端数据存储与分析、云端智能控制；
数据采集系统采用Lora无线传输的方式采集空调系统的运行参数， 为控制系统和节能系统提供数据支撑。
进一步地，所述监控系统监测内容为：
空调系统能耗：主机、水泵实时电量；
管路参数：供回水干管温度、冷机进出水温度、进出水压力；
主机运行参数：启停状态、故障状态、实时水温；
水泵运行参数：启停状态、故障状态、输出功率；
环境参数：室内温湿度、室外温湿度。
进一步地，所述监控系统信息采集方式为：
(1)供回水温度信息采集：无线温度数据采集节点(温度传感器 +Lora低功耗数据采集传输设备)，将采集到的温度信息通过LORA无线 传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云；
(2)水泵供回水压力信息采集：无线压力数据采集节点(压力传感 器+Lora低功耗数据采集传输设备)，将采集到的压力信息通过LORA无 线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云；
(3)环境温湿度信息采集：无线温湿度数据采集节点(温湿度传感 器+Lora低功耗数据采集传输设备)，将采集到的温湿度信息通过LORA 无线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云；
(4)空调主机运行参数信息采集：利用冷机自带的RS485接口，通 过加装CCN网关(云联网)与自主研发的通讯模块，直接进行通讯，实现 主机运行监测与控制；
(5)水泵运行参数信息采集：利用变频器自带的RS485接口，与xx 自主研发的通讯模块，直接进行通讯，实现泵运行状态监测与控制。
进一步地，所述空调控制系统加装云端智能控制系统后，可以有四种 监控方式：云端智能控制、移动终端监控、PC端监控和本地控制，为保 证系统运行的稳定性及特殊情况的响应及时性，各设备在加装云端控制系 统的基础上，保留现场本地控制模式，实现“远程/手动”模式的无缝衔 接；
移动终端控制：在微信小程序查看空调系统运行参数，同时，通过小 程序控制页面下发控制命令，开关机一键操作；
PC终端监控：在电脑上可更直观地监测系统运行曲线与实时参数；
本地控制：当客户特殊情况需要关闭云端控制。可切换到本地控制模 式，本地控制具有最高权限；
云端自动控制：根据空调运行参数，水泵供回水温度自动控制。
进一步地，所述云端智能控制系统利用传感器检测空调系统的运行状 况，采集环境信息，并对收集到的数据进行大数据分析，通过人工智能算 法对空调系统运行参数不断优化，矫正空调主机机组冷量/热量输出，实 现随负荷按需供给。
进一步地，所述云端智能控制系统主要控制内容如下：
(1)冷/热负荷需求计算：根据冷冻水供/回水温度和回水流量测量 值，自动计算建筑空调实际所需冷负荷量
(2)机组台数控制：根据建筑所需冷负荷自动调整机组运行台数， 达到最佳节能目的；
独立空调区域负荷计算根据Q＝C*M*(T1-T2)；
T1＝分回水管温度，T2＝分供水总管温度，M＝分回水管回水流量；
当负荷大于一台机组的15％，则第二台机组运行；
(3)机组联锁控制：启动：开冷冻水泵，开风冷热泵主机；停止： 停风冷热泵主机，关冷冻水泵；
(4)水泵保护控制：水泵启动后，水流开关检测水流状态，如故障 则自动停机。水泵运行时如发生故障，备用泵自动投入运行；
(5)机组定时启停控制：根据事先排定的作息时间表，定时启停机 组。自动统计设备累计工作时间，提示定时维修。
进一步地，所述预警系统的预警形式为：发生异常时，系统自动捕获 故障并给工程部相应人员推送短信和电话。
进一步地，所述预警系统的预警内容如下：
(1)空调主机故障报警：空调主机发生故障时，获取空调主机故障 码，预警系统开启提醒；
(2)变频器故障报警：变频器发生故障时，获取变频器故障码，预 警系统开启提醒；
(3)水泵保护控制：水泵启动后，水流开关检测水流状态，压力传 感器采集压差数据，如故障，则自动停机，预警系统开启提醒，水泵运行 时如发生故障，备用泵自动投入运行；
(4)温度异常监测报警：采集供回水干管温度，如温度异常，则预 警系统开启提醒；
(5)自动提示维修：自动统计机组各水泵、风机的累计工作时间， 提示定时维修。
进一步地，所述云端智能控制系统在满足制冷量需求这一约束条件下 求下面函数的最小值：
(一)求f＝E1+E2+E3的最小值，f为空调系统的总能耗，E1为主机 的能耗，E2为冷冻泵能耗，E3为冷却泵能耗，以f最小为最优化目标函 数，对主机、冷却泵、冷冻泵做能耗分析；
(二)冷水机组数学模型
冷水机组能耗分析：
压缩机功率与吸气压力和排气压力的具体关系如下：
Figure BDA0003467603080000051
P——压缩机功率(kw)
λ——输气效率
K——多变指数
Vth——理论输气值
p0，pk——压缩机进气压力、压缩机排气压力
Tout、Tint分别是室内外温度
其中，
Figure BDA0003467603080000052
电效率η＝ηiηmηmo，其中ηi是指示效率，ηm是机械效率，ηmo是机械效 率；
冷凝压力和蒸发压力分别是冷凝温度和蒸发温度的函数，函数关系如 下：
Figure BDA0003467603080000061
Figure BDA0003467603080000062
Figure BDA0003467603080000063
代入各参数，可得：
Figure BDA0003467603080000064
冷却水泵能耗分析：
Figure BDA0003467603080000065
冷冻水泵能耗分析：
Figure BDA0003467603080000066
Nkm、Nk为水泵的额定功率和实际功率，Mk、Mkm为冷却水最大流量 和冷却水实际流量，
可以得到空调系统总能耗：
Figure BDA0003467603080000067
对函数f进行最有参数求解，可寻得最优参数，根据最优参数，设定 空调主机、水泵的启停数量，控制冷水机组的进出水温度，而冷冻水流量 则根据负荷所需的水量调节水泵的运行频率来控制。
本发明实施例具有如下优点：
(1)本发明通过云端自动控制，实现无人值守，空调管理人员可通 过手机随时随地查看空调运行状态，对空调进行远程启停和调节，空调运 行状态尽在掌握。
(2)本发明云端智能控制可有效减少中央空调系统负荷，延长空调 系统使用年限。减少维修保养的费用以及频率。
(3)本发明拥有诊断预警功能，云端智能控制系统可及时发现系统 运行异常，实现预警功能，当空调系统发生故障时，系统会第一时间将异 常信息发送到管理人员手机，并开启备用机组应对紧急情况，同时获取空 调系统故障代码，将故障代码发送到xx合作的空调维修单位，专业维修 人员快速知悉空调故障情况并作出反应，及时赶到客户现场为客户解决空 调故障，第一时间发现问题，排除故障，减小停机时间和损失，让突发事 件可以平稳过度，避免造成更大的损失。
(4)本发明采用大数据分析和AI人工智能技术，随时根据冷量需求 调节空调冷量输出，可有效的均衡室内温度，避免出现各区域温差大和过 冷过热的现象，使环境更舒适。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面 将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易 见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它 的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示 的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施 的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改 变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下， 均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明的系统架构图；
图2为本发明移动端数据监测图；
图3为本发明移动端系统控制图；
图4为本发明PC端系统监控冷水机组窗口；
图5为本发明PC端系统监控热泵机组窗口；
图6为本发明PC端系统监控主监控窗口；
图7为本发明云端智能控制系统调节空调实际曲线对比表；
图8为本发明预警短信示例。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士 可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然， 所描述的实施例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
1.模型的建立
假设商场一天营业12小时，分别以(i，j)角标表示第i套子系统 在j时段的工作状态，则i＝1，2，3；j＝1，2，...，12，由专家学者提 供的冷水机组性能数据均显示冷冻水回水温度平均每升高1℃，节能率 就能提高2％-3％，因此采用冷冻水进水温度Wo＝7℃不变时，回水温度 Wij每升高1℃，制冷主机节能2.5％。制冷主机的节能率QZij为由升高 回水温度节能项与负荷率之积：
QZij＝2.5％x(Wij-Wo)Kij·(Qij/Qo)
其中Q0，Qij为制冷机额定功率和实际功率，则Kij·Qij/Qo为制冷 机组的负荷率，对于冷却水系统可设进、出水温差恒为5℃，即dtc＝tc2- tc1＝5℃，则制冷机组负荷率就等于冷却水实际流量WQij与额定流量Wo 的比值Qij/0o＝WQij/Wo，则上式变为:
QZij＝2.5％x(Wij-Wo)·Kij·(WQij/Wo)
在满足水力学相似律的情况下，水泵的能耗与其流量的三次方成正比, 其额定功率为Po＝α·Wo3(α为设定参数)，那么水泵的节能率可以表 示为1减去能耗率:
冷冻水泵:QDij＝no·[1-Kij·(WDij/Wo)3]
冷却水泵:QQij＝no·[1-Kij·(WQij/Wo)3]
其中,WDij、WQij为冷冻水泵、冷却水泵的实际流量；no为与管网特 性有关的修正系数，取no＝0.8。根据题意,水泵的流量是有限制的,最低 为额定流量的75％，m则有:
0.75≤WDij/Wo≤1；0.75≤WQij/Wo≤1
冷冻水进水温度约为7℃,则回水温度至少应大于7℃,因此有Wij≥7, 由商场内热平衡,在每一时段冷冻水带入的冷量应抵消商场内总冷负荷:
Figure RE-GDA0003784523360000101
其中，Kc表示冷冻水带入冷量的利用率，取Kc＝1表示全部利用；T 为j时段商场外温度；To为商场内设定温度，取26℃，在制冷机内部也 满足热平衡，即j时段冷却水带走的热量等于冷冻水放出的热量加上制冷 机功耗的一部分热量:
Figure RE-GDA0003784523360000102
其中，Kr为制冷机功耗被冷却水吸收的百分比，3Po为制冷机组的额 定功率；综上，此为全局最优化问题，即在满足各约束条件时使系统节约 的功耗最大：
Figure RE-GDA0003784523360000103
Figure RE-GDA0003784523360000111
2.模型的求解与分析
取武汉市2019年8月5日的室外温度作为室外温度，其他各参量的 取值分别为W0＝75kg/s，Pe＝567000W，β＝10，Kc＝0.98，Kr＝0.6，α ＝1.057，对该优化模型进行编程求解，得出一天内总节约能耗为12292度, 节能率为28％。
3.对合理基准冷负荷的分析
合理基准冷负荷即假设没有任何能量浪费(制冷机的效率为100％)情 况下，商场在夏季达到设定温度(26℃)时所需要的冷量，可以算出基准温 度为26℃时。夏季平均基准冷负荷为9.18x103J/d。若将商场设定温 度提高1℃，重新计算得出合理基准冷负荷减少7.23x103J/d，节能 8％左右，因此提高商场设定温度是节能的一个有效方式。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描 述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人 员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修 改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能化空调控制系统，采用四层架构，应用层、云平台层、设备层和环境层，其特征在于：包括监控系统、云端智能控制系统、预警系统，系统利用物联网数据采集、大数据分析以及云端算法技术，对中央空调系统进行数据采集、云端数据存储与分析、云端智能控制；
数据采集系统采用Lora无线传输的方式采集空调系统的运行参数，为控制系统和节能系统提供数据支撑。
2.根据权利要求1所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述监控系统监测内容为：
空调系统能耗：主机、水泵实时电量；
管路参数：供回水干管温度、冷机进出水温度、进出水压力；
主机运行参数：启停状态、故障状态、实时水温；
水泵运行参数：启停状态、故障状态、输出功率；
环境参数：室内温湿度、室外温湿度。
3.根据权利要求2所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述监控系统信息采集方式为：
(1)供回水温度信息采集：无线温度数据采集节点(温度传感器+Lora低功耗数据采集传输设备)，将采集到的温度信息通过LORA无线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云；
(2)水泵供回水压力信息采集：无线压力数据采集节点(压力传感器+Lora低功耗数据采集传输设备)，将采集到的压力信息通过LORA无线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云；
(3)环境温湿度信息采集：无线温湿度数据采集节点(温湿度传感器+Lora低功耗数据采集传输设备)，将采集到的温湿度信息通过LORA无线传送到边缘计算网络服务器FWCPU后上云；
(4)空调主机运行参数信息采集：利用冷机自带的RS485接口，通过加装CCN网关(云联网)与自主研发的通讯模块，直接进行通讯，实现主机运行监测与控制；
(5)水泵运行参数信息采集：利用变频器自带的RS485接口，与xx自主研发的通讯模块，直接进行通讯，实现泵运行状态监测与控制。
4.根据权利要求3所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述空调控制系统加装云端智能控制系统后，可以有四种监控方式：云端智能控制、移动终端监控、PC端监控和本地控制，为保证系统运行的稳定性及特殊情况的响应及时性，各设备在加装云端控制系统的基础上，保留现场本地控制模式，实现“远程/手动”模式的无缝衔接；
移动终端控制：在微信小程序查看空调系统运行参数，同时，通过小程序控制页面下发控制命令，开关机一键操作；
PC终端监控：在电脑上可更直观地监测系统运行曲线与实时参数；
本地控制：当客户特殊情况需要关闭云端控制。可切换到本地控制模式，本地控制具有最高权限；
云端自动控制：根据空调运行参数，水泵供回水温度自动控制。
5.根据权利要求1所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述云端智能控制系统利用传感器检测空调系统的运行状况，采集环境信息，并对收集到的数据进行大数据分析，通过人工智能算法对空调系统运行参数不断优化，矫正空调主机机组冷量/热量输出，实现随负荷按需供给。
6.根据权利要求5所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述云端智能控制系统主要控制内容如下：
(1)冷/热负荷需求计算：根据冷冻水供/回水温度和回水流量测量值，自动计算建筑空调实际所需冷负荷量
(2)机组台数控制：根据建筑所需冷负荷自动调整机组运行台数，达到最佳节能目的；
独立空调区域负荷计算根据Q＝C*M*(T1-T2)；
T1＝分回水管温度，T2＝分供水总管温度，M＝分回水管回水流量；
当负荷大于一台机组的15％，则第二台机组运行；
(3)机组联锁控制：启动：开冷冻水泵，开风冷热泵主机；停止：停风冷热泵主机，关冷冻水泵；
(4)水泵保护控制：水泵启动后，水流开关检测水流状态，如故障则自动停机。水泵运行时如发生故障，备用泵自动投入运行；
(5)机组定时启停控制：根据事先排定的作息时间表，定时启停机组。自动统计设备累计工作时间，提示定时维修。
7.根据权利要求1所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述预警系统的预警形式为：发生异常时，系统自动捕获故障并给工程部相应人员推送短信和电话。
8.根据权利要求7所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述预警系统的预警内容如下：
(1)空调主机故障报警：空调主机发生故障时，获取空调主机故障码，预警系统开启提醒；
(2)变频器故障报警：变频器发生故障时，获取变频器故障码，预警系统开启提醒；
(3)水泵保护控制：水泵启动后，水流开关检测水流状态，压力传感器采集压差数据，如故障，则自动停机，预警系统开启提醒，水泵运行时如发生故障，备用泵自动投入运行；
(4)温度异常监测报警：采集供回水干管温度，如温度异常，则预警系统开启提醒；
(5)自动提示维修：自动统计机组各水泵、风机的累计工作时间，提示定时维修。
9.根据权利要求1所述的一种智能化空调控制系统，其特征在于：所述云端智能控制系统在满足制冷量需求这一约束条件下求下面函数的最小值：
(一)求f＝E1+E2+E3的最小值，f为空调系统的总能耗，E1为主机的能耗，E2为冷冻泵能耗，E3为冷却泵能耗，以f最小为最优化目标函数，对主机、冷却泵、冷冻泵做能耗分析；
(二)冷水机组数学模型
冷水机组能耗分析：
压缩机功率与吸气压力和排气压力的具体关系如下：
Figure FDA0003467603070000041
P——压缩机功率(kw)
λ——输气效率
K——多变指数
Vth——理论输气值
p0，pk——压缩机进气压力、压缩机排气压力
Tout、Tint分别是室内外温度
其中，
Figure FDA0003467603070000051
电效率η＝ηiηmηmo，其中ηi是指示效率，ηm是机械效率，ηmo是机械效率；
冷凝压力和蒸发压力分别是冷凝温度和蒸发温度的函数，函数关系如下：
Figure FDA0003467603070000052
Figure FDA0003467603070000053
Figure FDA0003467603070000054
代入各参数，可得：
Figure FDA0003467603070000055
冷却水泵能耗分析：
Figure FDA0003467603070000056
冷冻水泵能耗分析：
Figure FDA0003467603070000061
Nkm、Nk为水泵的额定功率和实际功率，Mk、Mkm为冷却水最大流量和冷却水实际流量，
可以得到空调系统总能耗：
Figure FDA0003467603070000062
对函数f进行最有参数求解，可寻得最优参数，根据最优参数，设定空调主机、水泵的启停数量，控制冷水机组的进出水温度，而冷冻水流量则根据负荷所需的水量调节水泵的运行频率来控制。
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