CN115016315A - 冷热负荷模拟装置及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种冷热负荷模拟装置及其模拟方法。所述冷热负荷模拟装置由负荷仿真计算系统、冷热源系统、管网系统、负荷模拟水箱和自控系统组成。其中负荷仿真计算系统用于计算需要模拟的冷热负荷大小并生成设定负荷曲线；冷热源系统包括供冷供热两个子系统，由多台制冷、产热设备构成，用来提供冷热量；管网系统由实际水力管道组成，用来输送冷热量；负荷模拟水箱由水箱和冷热盘管组成，水箱用于模拟建筑室内环境，通过借助冷热盘管向水箱中散发冷、热量的形式模拟冷热负荷；自控系统监督控制各系统运行情况，使模拟冷热负荷与设定负荷一致。根据本发明的模拟装置及其模拟方法，能够精确地模拟出末端建筑的冷热负荷，用于支撑相关领域的实验研究。
Description
技术领域
本发明涉及冷热负荷模拟技术领域，特别是涉及一种冷热负荷模拟装置及其模拟方法。
背景技术
目前，能源系统正朝着供能形式多样化、供能设备分布式、用户用能形式多元化的方向发展，对其系统某个组成要素进行单独研究优化的研究方法不再能满足研究发展需要，搭建要素齐全的综合能源系统实验平台对其相关研究尤为重要。其中，末端用户建筑作为实际综合能源系统中的重要组成部分，由于其为满足室内环境舒适的需要或者相关工业生产的需要，会产生相应的冷、热、电负荷，因此，在搭建能源系统实验平台时，有必要同时搭建冷、热、电负荷模拟装置来模拟末端用户建筑的动态特性。现有负荷模拟技术多为电负荷模拟装置，例如调节基础电感和可变电阻器，实现多工况电负荷的模拟，然而，可动态调节的冷、热负荷模拟技术匮乏，因此有必要对可动态调节的综合能源系统冷、热负荷模拟技术和方法进行研究。
在建筑冷、热负荷研究领域中，一般是通过搭建建筑实体模型模拟实际建筑的冷、热负荷产生过程，以支撑综合能源系统的相关实验研究。具体搭建时会配置含有实际围护结构和建筑内部产热设备的实体模型，模拟内外扰的生成过程，从而模拟出建筑的冷热负荷。这种方式有以下不足：
1.模拟装置个性化较强，不同的综合能源系统往往有着不同特性的末端用户建筑，其动态特性也是不一致的，因此有着不同特征的冷热负荷变化，而依据上述方法搭建的实体模型只能用于一种类型或有限类型的末端用户建筑，难以拓展到其他研究对象；
2.搭建中需要配置与实体用户建筑一致或者相似的建筑模型以及配套末端设备，占用空间较大、搭建过程较为繁琐、搭建周期长且成本高。
发明内容
本发明的目的是针对现有背景技术中存在的问题，而提供一种冷热负荷模拟装置以及冷热负荷模拟方法，能够依据不同研究建筑对象模拟出不同冷、热负荷。
本发明第一方面，提供冷热负荷模装置，包括：
负荷仿真计算系统，用于根据实际模拟需求生成设定冷热负荷曲线；
负荷模拟水箱，包括水箱及冷热盘管；水箱内部充满储热介质，用于模拟建筑室内环境；冷热盘管排布于水箱内部浸没于储热介质中，通过冷热盘管向储热介质散发冷、热量的形式来模拟建筑热负荷与冷负荷对建筑内部环境的影响以及末端设备对室内环境变化的响应过程；
冷热源系统，用于为冷热负荷模拟提供所需的冷热量；
管网系统，用于实现冷热源系统各设备之间的水力管道连接以及冷热源系统与负荷模拟水箱的冷热盘管之间的水力管道连接，用以输送冷热量并实现对流量分配的控制；
自控系统，与负荷仿真系统系统、冷热源系统、负荷模拟水箱、管网系统的阀门连接，用于通过监测与控制冷热源系统、负荷模拟水箱的运行状态以及管网系统的阀门阀位，从而控制送入负荷模拟水箱的冷热盘管的水的温度与流量，进而控制散发到负荷模拟水箱中的冷热量数值，使模拟冷热负荷与设定冷热负荷曲线一致，达到模拟生成不同工况的冷热负荷的目的。
本发明第二方面，提供冷热负荷模拟方法，包括步骤：
S1.负荷仿真计算系统获取模拟时序冷热负荷大小进行分析处理，生成设定冷热负荷曲线；
S2.自控系统采集设备运行状态，分析计算出当前冷热负荷模拟需求下设备所需达到的运行状态并将控制信号下发到设备；
S3.管网系统将冷热源系统提供的冷热量传递给负荷模拟水箱的冷热盘管，自控系统控制管网系统进行流量分配，控制进入负荷模拟水箱的冷热量；
S4.负荷模拟水箱通过冷热盘管的间接传热接收管网系统传递的冷热负荷，模拟出末端建筑的冷热负荷，并以水箱内介质温度反映建筑冷热负荷对建筑内部环境的影响。
通过本发明的冷热负荷模拟装置及其模拟方法，能够准确快速模拟出末端建筑对象的冷热负荷，从而支撑能源系统、建筑节能领域相关实验开展。相较于常规模拟方法，本发明具有冷热负荷模拟准确快速、实验平台搭建简单快捷、实验装置造价低、实验运行成本低、研究对象可拓展性强、可靠性高，维护方便，自动化程度高，数据采集全面等特点。
1.模拟准确，构造简单，搭建成本低。
本发明通过控制冷热源系统相关设备对模拟的冷热负荷进行粗调，利用管网系统相关阀门对进入负荷模拟水箱中的冷热负荷进行细调，由于包含了实际的传热过程，能够更加真实更加准确的模拟建筑冷热负荷以及其对建筑内环境的影响。相较于构建实体建筑的方法，本发明仅需构造建筑仿真计算模型、负荷模拟水箱、冷热源设备、管网以及自控系统，无需搭建实体建筑，构造简单且快速且成本低。
2.研究对象可拓展性强。
由于本模型利用负荷仿真计算系统加负荷模拟水箱的方式模拟冷热负荷，当模拟对象发生改变、需要模拟新的冷热负荷变化时，只需要对计算模型进行适当修改使其生成对应的设定负荷曲线即可，无需重新搭建实体建筑，冷热负荷模拟更加灵活，可拓展性更强。
3.可靠性高，维护方便。
本发明的装置各部分采用模块化的涉及方法，各部分系统之间功能明确，各部分之间的接口统一，便于维护，并且设置有水处理器等保障性设备，系统运行稳定性更好、可靠性更高，配合上自控系统的故障报警功能，系统故障检修更加简便。
4.自动化程度高，数据采集全面。
本装置配备有自控系统，完成自控策略编写后，系统将自动完成各传感器以及设备信息采集以及控制信号下发的工作，自动化程度高，并且本装置设置有大量传感器，布局位置合理有效，测量数据准确。
附图说明
图1为冷热负荷模拟装置组成及模拟方法流程示意图。
图2为冷热负荷模拟方法流程示意图。
图3为冷热负荷模拟装置负荷仿真计算系统工作流程示意图。
图4为冷热负荷模拟装置自控系统的冷热源系统控制的工作流程示意图。
图5为冷热负荷模拟装置自控系统管网系统控制部分的工作流程示意图。
图6为冷热负荷模拟装置自控系统的自控数据储存及显示的工作流程示意图.
图7为冷热负荷模拟装置自控系统的自控故障报警及记录部分的工作流程示意图。
图1中，1代表位于负荷模拟水箱冷盘管进出口处冷端旁通阀，2代表位于负荷模拟水箱热盘管进出口处热端旁通阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的冷热负荷模拟装置，由负荷仿真计算系统、冷热源系统、管网系统、负荷模拟水箱和自控系统组成，其中负荷仿真计算系统由冷热负荷计算模块以及相关数据处理模块构成，可以根据实际模拟需求生成设定冷热负荷曲线；冷热源系统由多台供热设备与多台制冷设备组成，为系统提供冷热量；管网系统由实际水力管网以及配套控制阀门组成，实现了冷热源系统各设备之间的水力管道连接以及其与负荷模拟水箱冷热盘管之间的水力管道连接，用以输送冷、热量并实现对流量分配的控制；所述负荷模拟水箱由水箱、冷热盘管以及内部混水装置组成，水箱内部充满储热介质，冷热盘管排布于水箱内部浸没于储热介质中，通过冷热盘管向储热介质散发冷、热量的形式来模拟建筑热负荷与冷负荷对建筑内部环境的影响以及末端设备对室内环境变化的响应过程；所述自控系统由冷热量采集传感器、控制器、电动调节阀执行器以及其它系统相关传感器与执行器组成，通过监测与控制各设备运行状态以及管网各阀门阀位的方式，控制送入负荷模拟水箱盘管的水的温度与流量，从而控制散发到水箱中的冷热量数值，达到模拟生成不同工况的冷热负荷的目的。
需要说明的是，本发明的实施例中，所述负荷仿真计算系统不限于借助仿真技术对模拟对象冷热负荷进行计算的方法生成冷热负荷设定值，如图3所示，可以是向负荷仿真计算系统通过输入1的途径输入建筑相关信息的方式，如围护结构信息以及气象边界信息；其中，所述的负荷仿真计算系统优选的，采用Energyplus模拟引擎(冷热负荷计算模块)对输入的建筑信息进行处理，输出计算结果，即冷热负荷变化曲线，然后由数据处理模块根据计算结果，整理成为特定格式的设定曲线输出。也可以通过直接输入的方法生成冷热负荷变化曲线，如图3所示的是通过输入2的途径，通过直接向数据处理模块输入模拟冷热负荷变化曲线的方式。
本发明实施例中，所述冷热源系统中，设备运行数据可被采集并发送至自控系统，并且其各设备均设置相应接收模块用于接收自控系统下发控制指令，从而实现冷热源系统的自动化控制。
本发明实施例中，优选的，所述冷热源系统不限制供冷供热设备形式类别，可以是涉及太阳能、电能、空气源等多种能源形式，并且，优选的，部分具备制冷供热工况切换的设备既可作为供热设备在供热系统中使用，也可作为供冷设备在供冷系统中使用。
本发明实施例中，优选的，所述管网系统在各设备进出口处设置有相关传感器，如流量传感器，监测管网的流量数据，可以将状态数据传递给自控系统，并且在部分管道设置电磁调节阀或电磁关断阀，从而实现对管网系统进行数据监测与调节。
本发明实施例中，优选的，所述管网系统中还设置有水处理器，以保证管网系统中良好的水质，从而确保各设备的正常运行，并且所有管路的外壁均设置有保温材料，从而降低周围环境温度对模拟实验的影响。
本发明实施例中，优选的，所述负荷模拟水箱内部的冷热盘管的材质、盘管数量、盘管分布位置、盘管直径、盘管长度是依据流体传热特性计算得到，从而保证冷热盘管向水箱内传递的热量的可调性，可以随流量温度的变化均匀变化，最终保证自控系统能够更加精确且快速地调节进入负荷模拟水箱的冷热负荷。
本发明实施例中，优选的，所述自控系统可以监测与控制各设备运行状态以及阀门阀位，从而控制进入负荷模拟水箱的冷热负荷大小，如图4至图5所示，图4至图5显示了自控系统的冷热源系统控制部分以及管网系统控制部分的工作流程。其中，自控系统具有运行数据显示功能、故障报警功能、历史数据储存功能，可以显示各设备运行时的运行参数以及模拟得到的冷热负荷变化，可以在负荷模拟失败时根据内置算法对各项运行数据进行分析报告可能导致的故障原因，也可以储存采集到的各项运行数据，供后期分析所用，如图6至图7所示。图6至图7示出了自控数据储存及显示以及自控故障报警及记录的工作流程。
本发明实施例还提供一种冷热负荷模拟方法，如图2所示，包括步骤：
S1.将冷热负荷模拟需求输入到负荷仿真计算系统中，通过对末端实际建筑进行仿真计算的手段或依据模拟需要直接指定的手段，获取模拟时序冷热负荷大小，然后分析处理并生成设定冷热负荷曲线；
S2.自控系统采集各设备运行状态(运行数据1)，分析计算出当前冷热负荷模拟需求下各设备所需达到的运行状态并将控制信号下发到各设备(控制信号1)；
S3.利用管网系统将冷热源系统提供的冷热量传递给负荷模拟水箱冷热盘管，同时管网系统将进入负荷模拟水箱的冷热量、负荷模拟水箱的热盘管进口温度、负荷模拟水箱的冷盘管进口温度等运行数据传递给自控系统(运行数据2)，自控系统根据负荷模拟情况向管网系统发送控制指令(控制信号2)调控其流量分配，从而精确控制进入负荷模拟水箱的冷热量；
S4.负荷模拟水箱通过冷热盘管的间接传热接收管网系统传递的冷热负荷，模拟出末端建筑的冷热负荷，并以水箱内介质温度反映建筑冷热负荷对建筑内部环境的影响。
为使得本发明的描述更加具体，下面将以模拟冷负荷为例对本发明技术细节以及模拟方法进行描述。
在负荷生成系统中，以某栋建筑的能源系统夏季运行工况为例进行说明，此时，建筑由于室外温度高于室内温度，会产生对应的冷负荷，此时负荷仿真计算系统可以采用EnergyPlus引擎软件在夏季工况下对该建筑建模，如图3所示，借助EnergyPlus引擎软件计算得到其负荷变化曲线，经过数据处理与缩放后作为实验设定负荷曲线，且其过程中使用到的建筑负荷模拟软件不限定于EnergyPlus，然后将得到的冷负荷设定曲线发送给自控系统。
在自控系统接收到冷负荷设定负荷曲线后，假设自控系统设计的是以锅炉为主太阳能集热器为辅的负荷生成策略时，自控系统便将锅炉与太阳能集热器作为供热设备，依据负荷大小下发指令控制其运行，如图4至图5所示，当设定冷负荷需求大于当前开启供热设备最大出力时加载一台供热设备，当设定冷负荷需求能被更少数量的供热设备承担时减载一台供热设备。与此同时，监控负荷模拟水箱的热端盘管的供回水温度以及流量，将测量得到的进入负荷模拟水箱的热量大小传送回自控系统，自控系统将其与设定冷负荷曲线进行比对，当模拟冷负荷与设定值之间的偏差在运行偏差中时，保持热端旁通阀开度不变，当其模拟冷负荷大于设定值时，增加热端旁通阀开度，使热端旁通流量增多，减小进入热端盘管的流量，从而降低进入负荷模拟水箱的热量，使模拟冷负荷降低到设定冷负荷，反之，如果模拟冷负荷量低于设定冷负荷值，则关小热端旁通阀，此过程控制策略可以自行编写，既可以利用PID控制，也可由定步长响应策略实现。至此，末端用户建筑的冷热负荷模拟便以完成。
此外，系统运行时，所有的运行数据将发送至自控系统，在运行过程中，实验人员可以在实验室显示器上读取各运行参数，相关的故障警报也将发送到显示器上，运行结束后，数据将进行相关存档，供后续调用，自控数据储存及显示以及自控故障报警及记录的工作流程，如图6至7所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.冷热负荷模拟装置，其特征在于，包括：
负荷仿真计算系统，用于根据实际模拟需求生成设定冷热负荷曲线；
负荷模拟水箱，包括水箱及冷热盘管；水箱内部充满储热介质，用于模拟建筑室内环境；冷热盘管排布于水箱内部浸没于储热介质中，通过冷热盘管向储热介质散发冷、热量的形式来模拟建筑热负荷与冷负荷对建筑内部环境的影响以及末端设备对室内环境变化的响应过程；
冷热源系统，用于为冷热负荷模拟提供所需的冷热量；
管网系统，用于实现冷热源系统各设备之间的水力管道连接以及冷热源系统与负荷模拟水箱的冷热盘管之间的水力管道连接，用以输送冷热量并实现对流量分配的控制；
自控系统，与负荷仿真系统系统、冷热源系统、负荷模拟水箱、管网系统的阀门连接，用于通过监测与控制冷热源系统、负荷模拟水箱的运行状态以及管网系统的阀门阀位，从而控制送入负荷模拟水箱的冷热盘管的水的温度与流量，进而控制散发到负荷模拟水箱中的冷热量数值，使模拟冷热负荷与设定冷热负荷曲线一致，达到模拟生成不同工况的冷热负荷的目的。
2.根据权利要求1所述冷热负荷模拟装置，其特征在于，所述负荷仿真计算系统由冷热负荷计算模块以及数据处理模块构成。
3.根据权利要求1所述冷热负荷模拟装置，其特征在于，所述冷热源系统由供冷系统及供热系统构成，所述供热系统包括多台供热设备，所述供冷系统包括多台制冷设备。
4.根据权利要求1所述冷热负荷模拟装置，其特征在于，所述自控系统包括冷热量采集传感器、控制器、电动调节阀执行器。
5.冷热负荷模拟方法，其特征在于，包括步骤：
S1.负荷仿真计算系统获取模拟时序冷热负荷大小进行分析处理，生成设定冷热负荷曲线；
S2.自控系统采集设备运行状态，分析计算出当前冷热负荷模拟需求下设备所需达到的运行状态并将控制信号下发到设备；
S3.管网系统将冷热源系统提供的冷热量传递给负荷模拟水箱的冷热盘管，自控系统控制管网系统进行流量分配，控制进入负荷模拟水箱的冷热量；
S4.负荷模拟水箱通过冷热盘管的间接传热接收管网系统传递的冷热负荷，模拟出末端建筑的冷热负荷，并以水箱内介质温度反映建筑冷热负荷对建筑内部环境的影响。
6.根据权利要求5所述冷热负荷模拟方法，其特征在于，通过对末端实际建筑进行仿真计算的手段，或是依据模拟需要指定的手段，获取模拟时序冷热负荷大小。
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