CN1255654C - 中央空调冷却水系统自适应优化控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中央空调冷却水系统自适应优化控制方法及装置，属于空调节能控制技术，旨在提供一种中央空调节能控制方法及装置。该方法包括参数采集、数据处理、参数偏差优化值计算、模糊推理、控制量输出和控制；通过对冷却水运行参数、冷冻水运行参数、环境温度以及制冷机能耗的采集，计算制冷量、制冷系数并求取系统运行平衡点，实现对冷却水泵和风机的优化控制，从而保持最佳的制冷系数ε。其装置包括模糊控制器、变频器、温度传感器、流量计、电力监测仪以及智能控制单元；上述温度传感器，流量计及电力监测仪分别与智能控制单元连接，冷却泵、风机分别通过变频器与智能控制单元连接；智能控制单元与模糊控制器连接。

Description

中央空调冷却水系统自适应优化控制方法及装置

技术领域：本发明涉及一种空调冷却水系统的节能控制方法，尤其涉及一种中央空调冷却水系统自适应优化控制方法；本发明还涉及一种实现该方法的装置。

背景技术：中央空调系统实现制冷的过程中，制冷剂在冷凝器中向冷却水放出热量，冷却水吸收了制冷剂的热量而温度升高，在循环水泵的驱动下到达冷却塔，在冷却塔中由风机对冷却水进行吹风冷却，将冷却水中的热量排放到大气中去，冷却水的温度降低后又流回到冷凝器中，继续对制冷剂进行冷却循环。由于环境温度和空调末端负荷等外部条件的变化，其冷凝温度和蒸发温度也是变化的；而冷凝温度和蒸发温度的改变，将引起空调制冷机性能的改变。也就是说，制冷机在不同的外部条件下工作时，循环性能指标、制冷量和制冷系数是变化的。实际制冷循环中，在外界环境温度和使用负荷变化的情况下，制冷机的制冷系数常常会大幅度降低，远远低于其额定值，从而导致制冷机经常在低效率状态下运行、能耗大幅度上升。

因为制冷机的制冷量和制冷系数是随制冷机的蒸发温度和冷凝温度而变化的函数；在制冷机及蒸发器、冷凝器已确定的情况下，蒸发温度通常取决于冷冻水的回水温度，冷凝温度取决于冷却水的入口温度；因此，制冷量和制冷系数也是冷冻水回水温度和冷却水入口温度的函数；也就是说，制冷机的制冷系数与冷冻水循环和冷却水循环都有关联，如果二者不协调，则会导致制冷机效率下降。然而，现有的中央空调系统控制方式，冷冻水循环和冷却水循环各自互不关联，无任何协调措施，导致制冷机常常在低效率状态下运行，造成中央空调系统能耗增大。相反，如果使冷却水循环和冷冻水循环二者协调运行，就可以实现制冷机始终保持在高效率即高制冷系数下运行，从而减少中央空调系统能耗。

发明内容：为了克服中央空调现有控制技术存在的不足，本发明旨在提供一种中央空调冷却水系统自适应优化控制方法；该方法能够在满足空调末端负荷需求即保障空调服务质量的情况下，实现冷却水系统与冷冻水系统协调运行，使制冷机始终保持较高的运行效率，从而达到最佳的节能效果。

本发明的目的还在于提供一种实现该方法的装置。

本发明的技术方案包括参数采集、数据处理、参数偏差优化值计算、模糊推理、控制量输出和控制；通过对冷却水系统运行参数、冷冻水系统运行参数以及制冷机能耗的采集，计算系统制冷量、制冷系数并求取系统运行平衡点，实现对冷却水泵和风机的优化控制，使冷却水的入口温度t_a与冷冻水回水温度t_w协调，从而保持最佳的制冷系数ε，实现制冷机、冷却水泵和风机节能；具体方法如下：

(1)参数采集，由安装在冷却水系统、冷冻水系统和室外环境中的温度传感器、冷冻水供水管道流量计以及计量制冷机能耗的智能电力监测仪对以下参数进行采集：冷却水入口温度t_a、出口温度t_b，冷冻水供水温度t_u、回水温度t_w、冷冻水流量w，环境温度t_E，制冷机的能耗p_i；

(2)数据处理，由智能控制单元接收采集的数据信号，进行以下处理后传递给模糊控制器。

◆根据冷冻水流量、供回水温差计算制冷机当前时段的制冷量：

Q_o＝λ·w·(t_w-t_u)

式中，λ——与冷冻水比热、密度等相关的常数；

◆根据制冷量Q_o、制冷机消耗的功率p_i计算制冷机当前时段的制冷系数：

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{Q_0}{p_i}$

◆根据具体制冷机在各种工况下的特性，并按热平衡原则及ε_k＝f(t_a，t_w)，依据冷冻水回水温度t_w求取在制冷系数ε_k维持最大值即 $\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_k}{{\∂t}_a}=0$ 的冷却水入口温度优化值t_ak。

(3)运行参数偏差优化值计算，模糊控制器计算出当前时段冷却水系统入口温度的优化修正值：

E_k＝t_ak-t_a

${\stackrel{\·}{E}}_k=E_k-E_{k-1}$

式中：E_k——当前时段冷却水系统的入口温度偏差值，

  t_ak——冷却水入口温度优化值，

  t_a——冷却水入口温度采集值，

——当前时段，即当前冷却水系统入口温度偏差的变化率，

E_k-1——当前的前1时段冷却水系统的入口温度偏差值，

其中，时段的时间长短可取系统运行参数的采样周期或周期的若干倍；

(4)模糊推理，模糊控制器将冷却水入口温度的偏差优化值：偏差值E_k和偏差变化率

进行A/D转换并模糊化处理，再依据相应环境温度条件下的模糊控制规则进行模糊推理决策，得到当前环境温度t_E下冷却水流量和冷却塔风机风量的模糊控制量u_Ek和u_Fk，将该模糊控制量进行清晰化处理及D/A转换，得到冷却水流量优化控制量U_Ek和冷却塔风机风量优化控制量U_Fk并传送给智能控制单元；

(5)控制量输出和控制，智能控制单元将优化控制量U_Ek和U_Fk转换成变频器的控制信号，通过变频器调节冷却水泵和冷却塔风机的转速，改变冷却水系统的流量和冷却塔风机的风量，以获得所需要的冷却水入口温度t_ak，从而维持制冷机制冷系数ε_k的最大化。

为了实现上述方法，本发明所采用的装置包括模糊控制器、变频器、水温传感器、流量计、环境温度传感器、智能电力监测仪以及由控制处理器电路、存储器电路、网络通讯接口电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路和电源电路所构成的智能控制单元；水温传感器分别安装于制冷机组冷冻水系统的出水端和回水端，流量计安装在供水管路中并位于冷冻水泵的出水端，水温传感器分别安装于制冷机组冷却水系统的入口端和出口端，智能电力监测仪安装在制冷机三相电源的输入端；上述温度传感器，流量计以及智能电力监测仪分别通过通信线与智能控制单元连接，冷却泵和风机通过通信线和变频器与智能控制单元连接；智能控制单元分别通过通信线与模糊控制器连接。

与现有技术比较，本发明通过对冷却水入口温度进行相应的动态调节，以适应冷冻水回水温度跟随空调末端负荷的变化，使制冷机在冷冻水回水温度变化时能保持较高的制冷系数，从而保障了制冷系统始终保持在最佳的运行平衡点。

附图说明：

图1是中央空调冷却水系统优化控制装置原理图；

图2是智能控制单元的电路图。

图中：模糊控制器1  智能控制单元2、14  环境温度传感器3  流量计4  智能电力监测仪5  水温传感器6、7、10、11  制冷机组8  冷却水泵9  变频器12  风机13  控制处理器电路15  存储器电路16网络通讯接口电路17  模拟量输入电路18  模拟量输出电路19  电源电路20

具体实施方式：下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明，具体方法如下：

(1)参数采集，由安装在冷却水系统、冷冻水系统和室外环境中的温度传感器、冷冻水供水管道流量计以及计量制冷机能耗的智能电力监测仪对以下参数进行采集：冷却水入口温度t_a、出口温度t_b，冷冻水供水温度t_u、回水温度t_w、冷冻水流量w，环境温度t_E，制冷机的能耗p_i。

(2)数据处理，由智能控制单元接收采集的数据信号，进行以下处理后传递给模糊控制器。

◆根据冷冻水流量、供回水温差计算制冷机当前时段的制冷量：

Q_o＝λ·w·(t_w-t_u)式中，λ——与冷冻水比热、密度等相关的常数：

◆根据制冷量Q_o、制冷机消耗的功率p_i计算制冷机当前时段的制冷系数：

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{Q_o}{p_i};$

◆根据具体制冷机在各种工况下的特性，并按热平衡原则及ε_k＝f(t_a，t_w)，依据冷冻水回水温度t_w求取在制冷系数ε_k维持最大值即 $\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_k}{{\∂t}_a}=0$ 的冷却水入口温度优化值t_ak。

(3)运行参数偏差优化值计算，模糊控制器计算出当前时段冷却水系统入口温度的优化修正值：

E_k＝t_ak-t_a

${\stackrel{\·}{E}}_k=E_k-E_{k-1}$

式中：E_k——当前时段冷却水系统的入口温度偏差值；

t_ak——冷却水入口温度优化值；

t_a——冷却水入口温度采集值；

——当前时段，即当前冷却水系统入口温度偏差的变化率；

E_k-1——当前的前1时段冷却水系统的入口温度偏差值；

其中，时段的时间长短可取系统运行参数的采样周期或周期的若干倍。

(4)模糊推理，模糊控制器将冷却水入口温度的偏差优化值：偏差值E_k和偏差变化率

进行A/D转换并模糊化处理，再依据相应环境温度条件下的模糊控制规则进行模糊推理决策，得到当前环境温度t_E下冷却水流量和冷却塔风机风量的模糊控制量u_Ek和u_Fk，将该模糊控制量进行清晰化处理及D/A转换，得到冷却水流量优化控制量U_Ek和冷却塔风机风量优化控制量U_Fk并传送给智能控制单元。为了获得最佳的控制效果，在模糊控制器中增加了自适应校正和修正功能，使得模糊控制规则在控制过程中能自动地调整和修改，具有一定的适应变化的能力，即自适应，以适应中央空调系统负荷的时变性和环境温度t_E的多变性。

(5)控制量输出和控制，智能控制单元将优化控制量U_Ek和U_Fk转换成变频器的控制信号，通过变频器调节冷却水泵和冷却塔风机的转速，改变冷却水系统的流量和冷却塔风机的风量，以获得所需要的冷却水入口温度t_ak，从而维持制冷机制冷系数ε_k的最大化以及冷却水泵和风机的经济节能运行。

本发明所提供的实现中央空调冷却水系统自适应优化控制方法的装置原理如图1～2所示，水温传感器6、7分别安装于制冷机组8冷冻水系统的出水端和回水端，流量计4安装在供水管路中并位于冷冻水泵的出水端，水温传感器10、11分别安装于制冷机组8冷却水系统的入口端和出口端，智能电力监测仪5安装在制冷机三相电源的输入端。上述温度传感器3、6、7、10、11，流量计4以及智能电力监测仪5分别通过通信线与智能控制单元2连接；冷却泵9和风机13通过通信线和变频器12与智能控制单元14连接。智能控制单元2、14分别通过通信线与模糊控制器1连接。智能控制单元2、14均由控制处理器电路15、存储器电路16、网络通讯接口电路17、模拟量输入电路18、模拟量输出电路19以及电源电路20构成。

Claims (2)

1.一种中央空调冷却水系统自适应优化控制方法，包括参数采集、数据处理、参数偏差优化值计算、模糊推理、控制量输出和控制；其特征在于：通过对冷却水系统运行参数、冷冻水系统运行参数以及制冷机能耗的采集，计算系统制冷量、制冷系数并求取系统运行平衡点，实现对冷却水泵和风机的优化控制，使冷却水的入口温度t_a与冷冻水回水温度t_w协调，从而保持最佳的制冷系数ε，实现制冷机、冷却水泵和风机节能；具体方法如下：

(1)参数采集，由安装在冷却水系统、冷冻水系统和室外环境中的温度传感器、冷冻水供水管道流量计以及计量制冷机能耗的智能电力监测仪对以下参数进行采集：冷却水入口温度t_a、出口温度t_b，冷冻水供水温度t_u、回水温度t_w、冷冻水流量w，环境温度t_E，制冷机的能耗p_i：

(2)数据处理，由智能控制单元接收采集的数据信号，进行以下处理后传递给模糊控制器，

◆根据冷冻水流量、供回水温差计算制冷机当前时段的制冷量：

           Q_o＝λ·w·(t_w-t_u)

式中，λ——与冷冻水比热、密度等相关的常数；

◆根据制冷量Q_o、制冷机消耗的功率p_i计算制冷机当前时段的制冷系数：

${\mathrm{\ϵ}}_k=\frac{Q_o}{p_i}$

◆根据具体制冷机在各种工况下的特性，并按热平衡原则及ε_k＝f(t_a，t_w)，依据冷冻水回水温度t_w求取在制冷系数ε_k维持最大值，即 $\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_k}{\∂t_a}=0$ 的冷却水

入口温度优化值t_ak；

(3)运行参数偏差优化值计算，模糊控制器计算出当前时段冷却水系统入口温度的优化修正值：

      E_k＝t_ak-t_a

${\stackrel{\·}{E}}_k=E_k-E_{k-1}$

式中：E_k——当前时段冷却水系统的入口温度偏差值，

      t_ak——冷却水入口温度优化值，

      t_a——冷却水入口温度采集值，

     

——当前时段，即当前冷却水系统入口温度偏差的变化率，

      E_k-1——当前的前1时段冷却水系统的入口温度偏差值，

其中，时段的时间长短可取系统运行参数的采样周期或周期的若干倍；

(4)模糊推理，模糊控制器将冷却水入口温度的偏差优化值：偏差值E_k和偏差变化率

进行A/D转换并模糊化处理，再依据相应环境温度条件下的模糊控制规则进行模糊推理决策，得到当前环境温度t_E下冷却水流量和冷却塔风机风量的模糊控制量u_Ek和u_Fk，将该模糊控制量进行清晰化处理及D/A转换，得到冷却水流量优化控制量U_Ek和冷却塔风机风量优化控制量U_Fk并传送给智能控制单元：

(5)控制量输出和控制，智能控制单元将优化控制量U_Ek和U_Fk转换成变频器的控制信号，通过变频器调节冷却水泵和冷却塔风机的转速，改变冷却水系统的流量和冷却塔风机的风量，以获得所需要的冷却水入口温度t_ak，从而维持制冷机制冷系数ε_k的最大化。

2.一种实现权利要求1所述的中央空调冷却水系统自适应优化控制方法的装置，包括模糊控制器、变频器、水温传感器、流量计、环境温度传感器、智能电力监测仪以及由控制处理器电路、存储器电路、网络通讯接口电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路和电源电路所构成的智能控制单元；其特征在于：水温传感器(6)、(7)分别安装于制冷机组(8)冷冻水系统的出水端和回水端，流量计(4)安装在供水管路中并位于冷冻水泵的出水端，水温传感器(10)、(11)分别安装于制冷机组(8)冷却水系统的入口端和出口端，智能电力监测仪(5)安装在制冷机三相电源的输入端；上述温度传感器(3)、(6)、(7)、(10)、(11)，流量计(4)以及智能电力监测仪(5)分别通过通信线与智能控制单元(2)连接，冷却泵(9)和风机(13)通过通信线和变频器(12)与智能控制单元(14)连接；智能控制单元(2)、(14)分别通过通信线与模糊控制器(1)连接。

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