CN117404723A - 一种多个地源热泵机组的智能控制系统 - Google Patents

一种多个地源热泵机组的智能控制系统 Download PDF

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CN117404723A CN202311505882.2A CN202311505882A CN117404723A CN 117404723 A CN117404723 A CN 117404723A CN 202311505882 A CN202311505882 A CN 202311505882A CN 117404723 A CN117404723 A CN 117404723A
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王天琦
韩佳蕴
胡子翔
葛锦雪
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Abstract

一种多个地源热泵机组的智能控制系统，属于热泵机组的智能控制技术领域，本发明为解决现有多个地源热泵机组运转时，相互独立导致控制操作复杂，以及不能根据实时负荷对机组的启停进行合理控制的问题。它包括：数据采集模块、控制策略模块和热泵机组控制模块；数据采集模块实时测量总管的水流量和进出水温度，计算获得实时需求负荷；控制策略模块根据实时需求负荷、单台热泵机组的额定负荷、单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，构建多目标节能运行的控制策略；热泵机组控制模块根据多目标节能运行的控制策略，对热泵机组启动和停止进行控制，使得至少有一台热泵机组为开启状态。本发明用于多台地源热泵机组的节能控制。

Description

一种多个地源热泵机组的智能控制系统
技术领域
本发明涉及一种多个地源热泵机组的智能控制系统，属于热泵机组的智能控制技术领域。
背景技术
随着能源消耗的不断增加，提高能源利用效率逐渐成为重要话题。地源热泵作为一种高效能源的利用方式，逐渐受到更多的关注和应用。为了有效控制多个地源热泵机组的运行，通过优化多个地源热泵机组的控制方式，实现对其运行过程的有效管理和优化，能够提高机组运行的稳定性和节能性，降低系统能耗，从而达到节能减排的目的。
对于一般的公共建筑来说，冷热负荷需求量较大，单一的地源热泵机组往往不能满足需求，所以通常需要多台地源热泵机组同时运行来满足建筑的热舒适性需求。但是，现有的地源热泵机组在使用时，通常为多台地源热泵机组同时运转进行制热，这就存在如下问题：
1、不能根据不同时间段建筑的实时负荷来进行调节控制，导致在实际负荷需求量较少的时间段，仍有多台地源热泵机组同时使用，造成资源浪费；
2、多台地源热泵机组相互独立，导致控制操作复杂。
因此，亟需提出一种多个地源热泵机组的智能控制节能系统来解决上述问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有多个地源热泵机组运转时，相互独立导致控制操作复杂，以及不能根据实时负荷对机组的启停进行合理控制的问题，提供了一种多个地源热泵机组的智能控制系统。
本发明所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，它包括：数据采集模块、控制策略模块和热泵机组控制模块；
数据采集模块，用于实时测量总管的水流量和进出水温度，并计算获得实时需求负荷；
控制策略模块，根据实时需求负荷、单台热泵机组的额定负荷、单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，构建多目标节能运行的控制策略；
热泵机组控制模块，根据多目标节能运行的控制策略，对热泵机组的启动和停止进行控制，使得至少有一台热泵机组为开启状态。
优选的，多目标节能运行的控制策略包括：基于实时需求负荷和单台热泵机组的额定负荷，以运行期间地源热泵机组性能系数最大和地源热泵系统的能耗最小为目标，根据设定的单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，通过滚动优化算法对系统中的地源热泵机组启停策略进行寻优，从而输出最优的控制决策。
优选的，数据采集模块计算获得实时需求负荷的具体方法包括：
Q＝CP×M×|T2-T1|；
其中，Q表示实时需求负荷，CP表示水的比热容，M表示总管的水流量，T2表示总管的出水温度，T1表示总管的进水温度。
优选的，数据采集模块采用流量传感器实时测量总管的水流量。
优选的，数据采集模块采用温度传感器实时测量总管的出水温度和进水温度。
优选的，单台热泵机组的最低启动负荷率设定为10％。
优选的，单台机组热泵的最优启动负荷率设定为50％～75％。
优选的，控制策略模块构建多目标节能运行的控制策略的具体方法包括：
根据历史运行时长值由小到大标定所有的机组；
控制历史运行时长值最小的机组开启；
判断实时需求负荷是否有增加或减少，当实时需求负荷存在增加或减少时，根据实时需求负荷与单台热泵机组的额定负荷之间的关系，输出每台热泵机组的启停控制信号；
根据实时需求负荷进行滚动优化算法计算，根据单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，计算出所有热泵机组的负荷分配比例，从而输出所有热泵机组的控制策略。
优选的，根据实时需求负荷与单台热泵机组的额定负荷之间的关系输出每台热泵机组的启停控制信号的具体方法包括：
根据历史运行时长值由小到大标定依次标定热泵机组为：第一台机组、第二台机组、第三台机组、…、第i台机组和第N台机组；
所述N为大于等于2的正整数；
当0≤Q≤0.1RL1时，第一台机组的控制信号反馈为0；
当0.1≤Q≤0.75RL1时，第一台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1≤Q≤0.75RL1+0.75RL2时，第一台机组和第二台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1+0.75RL2≤Q≤0.75RL1+0.75RL2+0.75RL3时，第一台机组、第二台机组和第三台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1+…+0.75RLi+…0.75RLN-1≤Q≤0.75RL1+…+0.75RLi+…0.75RLN时，第一台机组、第二台机组、…、第i台机组和第N台机组的控制信号反馈为1；
其中，RL1表示第一台机组的额定负荷，RL2表示第二台机组的额定负荷，RL3表示第三台机组的额定负荷，RLi表示第i台机组的额定负荷，RLN-1表示第N-1台机组的额定负荷，RLN表示第N台机组的额定负荷。
优选的，输出所有热泵机组的控制策略包括：
当实时需求负荷增加或减少时，热泵机组的台数相应增加或减少，且所有启动的热泵机组处于单台机组热泵的最优启动负荷率区间运行；
当所有启动的热泵机组不能处于单台机组热泵的最优启动负荷率区间时，最后一台热泵机组不低于单台热泵机组的最低启动负荷率运行；
当实时需求负荷低于单台热泵机组的最低启动负荷率时，所有热泵机组全部关闭。
优选的，热泵机组控制模块根据多目标节能运行的控制策略对热泵机组的启动和停止进行控制的具体方法包括：
当多目标节能运行的控制策略输出的控制信号为0时，控制热泵机组停止；
当多目标节能运行的控制策略输出的控制信号为1时，控制热泵机组启动。
本发明的优点：本发明提出的多个地源热泵机组的智能控制系统通过在总管安装流量传感器和温度传感器来监测实时总管的流量和进出水温度，以此计算出实时负荷需求。将建筑实时负荷需求作为控制地源热泵机组启停的依据，根据不同时间段建筑实时负荷对地源热泵系统机组的启停进行调节控制。实现了对多个地源热泵机组运行过程的有效管理和优化，提高了地源热泵机组性能系数，降低地源热泵系统能耗，达到了节能减排的目的。
附图说明
图1是本发明所述多个地源热泵机组的智能控制系统的原理框图；
图2是本发明所述多个地源热泵机组的智能控制系统的历史运行时长的累计流程图；
图3是实施例2中以四台热泵机组为例的基于空间实时负荷的地源热泵机组启停逻辑示意图；
图4是以四台热泵机组为例的总管的温度传感器和流量传感器安装示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1：
下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种多个地源热泵机组的智能控制系统，它包括：数据采集模块、控制策略模块和热泵机组控制模块；
数据采集模块，用于实时测量总管的水流量和进出水温度，并计算获得实时需求负荷；
控制策略模块，根据实时需求负荷、单台热泵机组的额定负荷、单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，构建多目标节能运行的控制策略；
热泵机组控制模块，根据多目标节能运行的控制策略，对热泵机组的启动和停止进行控制，使得至少有一台热泵机组为开启状态。
进一步的，多目标节能运行的控制策略包括：基于实时需求负荷和单台热泵机组的额定负荷，以运行期间地源热泵机组性能系数最大和地源热泵系统的能耗最小为目标，根据设定的单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，通过滚动优化算法对系统中的地源热泵机组启停策略进行寻优，从而输出最优的控制决策。
再进一步的，数据采集模块计算获得实时需求负荷的具体方法包括：
Q＝CP×M×|T2-T1|；
其中，Q表示实时需求负荷，CP表示水的比热容，M表示总管的水流量，T2表示总管的出水温度，T1表示总管的进水温度。
再进一步的，数据采集模块采用流量传感器实时测量总管的水流量。
再进一步的，数据采集模块采用温度传感器实时测量总管的出水温度和进水温度。
再进一步的，单台热泵机组的最低启动负荷率设定为10％。
再进一步的，单台机组热泵的最优启动负荷率设定为50％～75％。
再进一步的，控制策略模块构建多目标节能运行的控制策略的具体方法包括：
根据历史运行时长值由小到大标定所有的机组；
控制历史运行时长值最小的机组开启；
判断实时需求负荷是否有增加或减少，当实时需求负荷存在增加或减少时，根据实时需求负荷与单台热泵机组的额定负荷之间的关系，输出每台热泵机组的启停控制信号；
根据实时需求负荷进行滚动优化算法计算，根据单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，计算出所有热泵机组的负荷分配比例，从而输出所有热泵机组的控制策略。
再进一步的，根据实时需求负荷与单台热泵机组的额定负荷之间的关系输出每台热泵机组的启停控制信号的具体方法包括：
根据历史运行时长值由小到大标定依次标定热泵机组为：第一台机组、第二台机组、第三台机组、…、第i台机组和第N台机组；
所述N为大于等于2的正整数；
当0≤Q≤0.1RL1时，第一台机组的控制信号反馈为0；
当0.1≤Q≤0.75RL1时，第一台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1≤Q≤0.75RL1+0.75RL2时，第一台机组和第二台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1+0.75RL2≤Q≤0.75RL1+0.75RL2+0.75RL3时，第一台机组、第二台机组和第三台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1+…+0.75RLi+…0.75RLN-1≤Q≤0.75RL1+…+0.75RLi+…0.75RLN时，第一台机组、第二台机组、…、第i台机组和第N台机组的控制信号反馈为1；
其中，RL1表示第一台机组的额定负荷，RL2表示第二台机组的额定负荷，RL3表示第三台机组的额定负荷，RLi表示第i台机组的额定负荷，RLN-1表示第N-1台机组的额定负荷，RLN表示第N台机组的额定负荷。
再进一步的，输出所有热泵机组的控制策略包括：
当实时需求负荷增加或减少时，热泵机组的台数相应增加或减少，且所有启动的热泵机组处于单台机组热泵的最优启动负荷率区间运行；
当所有启动的热泵机组不能处于单台机组热泵的最优启动负荷率区间时，最后一台热泵机组不低于单台热泵机组的最低启动负荷率运行；
当实时需求负荷低于单台热泵机组的最低启动负荷率时，所有热泵机组全部关闭。
再进一步的，热泵机组控制模块根据多目标节能运行的控制策略对热泵机组的启动和停止进行控制的具体方法包括：
当多目标节能运行的控制策略输出的控制信号为0时，控制热泵机组停止；
当多目标节能运行的控制策略输出的控制信号为1时，控制热泵机组启动。
本实施方式中，单台热泵机组的最低启动负荷率设定为10％，能够保证热泵机组的稳定性。单台机组热泵的最优启动负荷率设定为50％～75％，能够保证热泵机组的节能性。
本实施方式中，如图1所示，机组数据采集模块的输入端与流量传感器和温度传感器的输出端相连接；控制策略模块的输入端与机组数据采集模块的输出端相连接；热泵机组控制模块的输入端与控制策略模块的输出端相连接；热泵机组模块的输入端与热泵机组控制模块的输出端相连接；流量传感器和温度传感器用于读取实时总管的流量和进出水温度，并计算出实时负荷需求。机组数据采集模块用于总管的流量和进出水温度的现场实时数据采集并进行处理，计算出实时负荷需求；控制策略模块用于接收机组数据采集模块输出的实时负荷，基于实时需求负荷和单台热泵机组的额定负荷，以运行期间地源热泵机组性能系数最大和地源热泵系统的能耗最小为目标，根据设定的单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，通过滚动优化算法对系统中的地源热泵机组启停策略进行寻优，从而输出最优的控制决策；热泵机组控制模块用于获取控制策略模块输出的最优的控制决策，通过控制信号的方式反馈给热泵机组模块，用以控制热泵机组模块的启停；热泵机组模块用于获取热泵机组控制模块输出的最优的控制决策；当热泵机组模块的输入端接收到的控制信号为0，表示该机组停止；当热泵机组模块的输入端接收到的控制信号为1，表示该机组启动。
开启至少一台地源热泵机组；根据测得的实时总管的流量和进出水温度，将数据输入到机组数据采集模块，并计算出实时负荷需求；结合单台热泵机组的额定负荷，并规定单台热泵机组最低启动负荷率和最佳启动负荷率区间，根据实时负荷判断地源热泵系统中已开启的地源热泵机组的供热/制冷能力是否达到需求，通过控制策略模块输出最优的控制决策；热泵机组控制模块根据控制策略模块输出的最优的控制决策控制热泵机组模块的启停。开启至少一台地源热泵机组，控制地源热泵系统中历史运行时长值最小的至少一台地源热泵机组开启。地源热泵机组的启停可以是任意一台机组也可以按照提前标定的顺序启停地源热泵机组。
如图2所示，每个地源热泵机组模块含有计时器，该计时器记录每次机组开启和关闭的时间段并计算出每个地源热泵机组模块的历史运行时长值；开启至少一台地源热泵机组前，地源热泵系统从每个地源热泵机组中的计时器内获取计算的地源热泵机组的历史运行时长值并建立所有机组的历史运行时长表，根据历史运行时长值由小到大标定机组运行顺序；在每间隔第一设定时间T1后，重新获取每个地源热泵机组中的计时器内计算的地源热泵机组的历史运行时长值并重新建立所有机组的历史运行时长表，如此往复。
实施例2：
下面结合图3说明本实施方式，本实施方式所述以四台热泵机组为例，说明基于空间实时负荷的地源热泵机组启停逻辑。
根据建立的历史运行时长表由小到大标定第一台机组、第二台机组、第三台机组和第四台机组，并开启至少一台地源热泵机组；
当0≤Q≤0.1RL1时，第一台机组的控制信号反馈为0，停止第一台机组；
当0.1≤Q≤0.75RL1时，第一台机组的控制信号反馈为1，开启第一台机组；
当0.75RL1≤Q≤0.75RL1+0.75RL2时，第一台机组和第二台机组的控制信号反馈为1，开启第一台和第二台机组；
当0.75RL1+0.75RL2≤Q≤0.75RL1+0.75RL2+0.75RL3时，第一台机组、第二台机组和第三台机组的控制信号反馈为1，开启第一台、第二台和第三台机组；
当0.75RL1+0.75RL2+0.75RL3≤Q≤0.75RL1+0.75RL2+0.75RL3+0.75RL4时，第一台机组、第二台机组、第三台机组和第四台机组的控制信号反馈为1，开启第一台、第二台、第三台和第四台机组。
本发明中，如图4，包括四台地源热泵机组，在冷冻水供水总管上安装了一个温度传感器，在冷冻水回水总管上安装了一个温度传感器和一个流量传感器。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，它包括：数据采集模块、控制策略模块和热泵机组控制模块；
数据采集模块，用于实时测量总管的水流量和进出水温度，并计算获得实时需求负荷；
控制策略模块，根据实时需求负荷、单台热泵机组的额定负荷、单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，构建多目标节能运行的控制策略；
热泵机组控制模块，根据多目标节能运行的控制策略，对热泵机组的启动和停止进行控制，使得至少有一台热泵机组为开启状态。
2.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，多目标节能运行的控制策略包括：基于实时需求负荷和单台热泵机组的额定负荷，以运行期间地源热泵机组性能系数最大和地源热泵系统的能耗最小为目标，根据设定的单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，通过滚动优化算法对系统中的地源热泵机组启停策略进行寻优，从而输出最优的控制决策。
3.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，数据采集模块计算获得实时需求负荷的具体方法包括：
Q＝CP×M×|T2-T1|；
其中，Q表示实时需求负荷，CP表示水的比热容，M表示总管的水流量，T2表示总管的出水温度，T1表示总管的进水温度。
4.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，所述数据采集模块采用流量传感器实时测量总管的水流量；所述数据采集模块采用温度传感器实时测量总管的出水温度和进水温度。
5.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，所述单台热泵机组的最低启动负荷率设定为10％。
6.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，所述单台机组热泵的最优启动负荷率设定为50％～75％。
7.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，所述控制策略模块构建多目标节能运行的控制策略的具体方法包括：
根据历史运行时长值由小到大标定所有的机组；
控制历史运行时长值最小的机组开启；
判断实时需求负荷是否有增加或减少，当实时需求负荷存在增加或减少时，根据实时需求负荷与单台热泵机组的额定负荷之间的关系，输出每台热泵机组的启停控制信号；
根据实时需求负荷进行滚动优化算法计算，根据单台热泵机组的最低启动负荷率和单台机组热泵的最优启动负荷率，计算出所有热泵机组的负荷分配比例，从而输出所有热泵机组的控制策略。
8.根据权利要求7所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，根据实时需求负荷与单台热泵机组的额定负荷之间的关系输出每台热泵机组的启停控制信号的具体方法包括：
根据历史运行时长值由小到大标定依次标定热泵机组为：第一台机组、第二台机组、第三台机组、…、第i台机组和第N台机组；
所述N为大于等于2的正整数；
当0≤Q≤0.1RL1时，第一台机组的控制信号反馈为0；
当0.1≤Q≤0.75RL1时，第一台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1≤Q≤0.75RL1+0.75RL2时，第一台机组和第二台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1+0.75RL2≤Q≤0.75RL1+0.75RL2+0.75RL3时，第一台机组、第二台机组和第三台机组的控制信号反馈为1；
当0.75RL1+…+0.75RLi+…0.75RLN-1≤Q≤0.75RL1+…+0.75RLi+…0.75RLN时，第一台机组、第二台机组、…、第i台机组和第N台机组的控制信号反馈为1；
其中，RL1表示第一台机组的额定负荷，RL2表示第二台机组的额定负荷，RL3表示第三台机组的额定负荷，RLi表示第i台机组的额定负荷，RLN-1表示第N-1台机组的额定负荷，RLN表示第N台机组的额定负荷。
9.根据权利要求7所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，所述输出所有热泵机组的控制策略包括：
当实时需求负荷增加或减少时，热泵机组的台数相应增加或减少，且所有启动的热泵机组处于单台机组热泵的最优启动负荷率区间运行；
当所有启动的热泵机组不能处于单台机组热泵的最优启动负荷率区间时，最后一台热泵机组不低于单台热泵机组的最低启动负荷率运行；
当实时需求负荷低于单台热泵机组的最低启动负荷率时，所有热泵机组全部关闭。
10.根据权利要求1所述的一种多个地源热泵机组的智能控制系统，其特征在于，所述热泵机组控制模块根据多目标节能运行的控制策略对热泵机组的启动和停止进行控制的具体方法包括：
当多目标节能运行的控制策略输出的控制信号为0时，控制热泵机组停止；
当多目标节能运行的控制策略输出的控制信号为1时，控制热泵机组启动。
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