CN1654893A - 中央空调节能智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中央空调节能智能控制系统。中央空调系统相关设备运行状态反馈信号，介质温度、压力、流量信号接入中心监控计算机，用户中央空调计费器、或者智能型风机盘管计费输出通讯连接中心监控计算机，中心监控计算机实时检测并计算中央空调各用户端实时所需能耗，综合调节中央空调冷冻水、冷却水流量、温度和制冷主机压缩机的运行负荷比例，使制冷或制热主机按最佳能效比运行曲线工作，使用户制冷或制热需求量之和与中央空调供给能量相平衡。本发明利用计算机通讯技术结合自动控制技术，首次提出以中央空调末端设备实时能耗作为中央空调系统能量供应量的调控依据，以制冷主机最佳能效比曲线为调节目标，是对中央空调传统自控节能管理方法的一次超越。

Description

中央空调节能智能控制系统

一、技术领域：本发明涉及一种中央空调节能自控管理系统，特别是涉及一种中央空调节能智能控制系统。

二、背景技术：中央空调就是一个集中供热(或供冷)的建筑物内空气调节系统，它包括三大部分：

1、冷(热)源中心，提供建筑物内空气调节时所需的冷量(或热量)，冷源一般为电制冷机组，或热制冷机组，热源一般为锅炉或热泵机组；

2、冷(热)量传输系统，分为水系统、空气系统和氟里昂系统，水系统包括水泵、管道、阀门、分/集水缸、冷/热水等，空气系统包括风机、风管、风阀、风口等，氟里昂系统含有分流阀、管道、氟里昂制冷剂等；

3、末端空气调节系统，完成建筑内空气的冷(热)交换，三者组成一个完整的中央空调系统。

目前常见的大型中央空调多以水为介质，末端空气调节系统采用风机盘管，将能量在用户末端和能量中心进行交换以实现集中供冷或供热。现在中央空调的运行基本以制冷主机的自动控制来实现空调能量供应量的调节，通常把冷冻水的供/回水温度作为终端设备负荷变化的依据，难以避免时效性滞后，不利节能降耗。在中央空调实际运行中，由于建筑空调各区域受到外部和内部各种因素的影响，使其所需热、湿负荷不断的发生变化，这就需要对中央空调系统各部分进行适当的调节。一个好的中央空调系统要真正达到高效节能之目的，前期的设计、安装过程仅仅是打好了基础，设备、管道安装到位，其在传输过程中的能(热)量损失基本是不变的，高效节能的关键还是在于后期的运行管理。当前应用比较成熟流量/热量控制法，以中央空调的供、回水温度为能源需求量的依据，通过调整中央空调制冷主机的冷量输出量来实现按需供应，其原理参见附图3，即传统的用于中央空调节能控制的余量判断法：中央空调检测冷冻水进/回水温度，并计算温差，当温差大于标准温差时认为供应量小于需求量，需增加制冷主机负荷；中央空调冷冻水进/回水温差等于标准温差时认为供应量等于需求量，需保持制冷主机负荷；中央空调冷冻水进/回水温差小于标准温差时认为供应量大于需求量，需减少制冷主机负荷。这种管理方法在一定程度上实现了中央空调的能量自动控制，达到了一定节能降耗的效果，但这些方法局限于冷(热)源中心这一小范围内，存在如下缺点：

1、中央空调的供、回水温度是中央空调系统能量需求平衡后的剩余量差额的反应，并不是真正的中央空调末端需求量；

2、中央空调的供、回水温度反应变化时间较长，造成自控系统的调节滞后；

3、不能保证中央空调系统的临界状态，如蒸发器结冰、高、低压保护等。

在这方面，有关技术人员进行了一系列有效的探索，中国专利号为01107645.3的一种中央空调智能节能系统，以可编程控制器为核心，通过各传感器检测中央空调系统中的水温和空气温湿度的变化，由存在可编程控制器中的中央空调专家经验知识库及控制程序，通过对环境参数和系统状态进行分析、判断、处理，无级调节冷冻水量、冷却水量和冷却塔风机的转速，使整个中央空调系统在高效率状态下运行，实现最大限度的节能；中国专利号为02133684.9的一种压缩式中央空调自适应变流量节控制系统，由自适应变流量控制器，冷水机控制子系统，冷冻水泵控制子系统，冷却水控制子系统，冷却塔风机控制子系统组成，自适应变流量控制器通过通讯接口分别与系统各控制子系统连接，使系统各设备的各项运行指标达到最优化，使系统处于最佳工作状态，从而达到节能降耗的目的，同时降低设备运行噪声，减少机械磨损、增强了运行安全性，延长了设备寿命。此二者直接控制调节的依据都是通过计量中央空调冷冻水进/出口温差与标准温差的比较来判断末端空气调节系统能量需求量的(即图3所示余量判断法)，同时其追求供需平衡时调节制冷或制热主机产生能量的多少时，并没有考虑系统运行的最佳能效比，因其不是系统终端的实时所需能量，有时这些能量并没有或者不能完全被有效的利用，从而不能达到节能限度的最优化，难以避免存在部分能源浪费。

三、发明内容：本发明利用现有技术和申请人最近获得专利授权的实用新型专利《中央空调计费器》，提出并实现一种全新的中央空调节能智能控制管理系统，以中央空调末端设备实时所需能耗为中央空调系统能量供应量的调节依据，以制冷主机最佳能效比运行曲线为调节核心，实现中央空调运行的最佳经济效益，保证中央空调系统能量的供需平衡。

本发明所采用的技术方案：

一种中央空调节能智能控制系统，含有中央空调系统制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统相关设备和中心监控计算机，以及系统中压缩机、风机、水泵运行状态、冷/热量传递介质温度、压力、流量测控装置，在中央空调系统中：

(1)在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置温度传感器，温度传感器输出信号通过多路温度采集模板经总线接口接入中心监控计算机，

(2)在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置压力变送器，压力变送器输出信号通过多路压力采集模板经总线接口接入中心监控计算机，

(3)现场控制采用PLC可编程序控制器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵和冷却风机及其变频器控制电路，来控制冷却水泵、冷冻水泵和冷却风机的工作状态，

(4)冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷却水进/出口电动阀门、冷冻水进/出口电动阀门开启度反馈信号通过A/D转换器电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心监控计算机通过总线实现双向通讯，

以中央空调末端设备实时所需能耗作为中央空调系统制冷或制热能量供应量的调控依据，以运行状态“逼近”制冷或制热主机最佳能效比运行曲线作为系统运行调控目标，通过综合调节中央空调冷冻水、冷却水的流量、温度和制冷主机压缩机的运行负荷比例，使各用户制冷或制热需求能量之和与中央空调供给能量相平衡，达到中央空调经济运行的最佳状态，以取得能源效益的最大化。

所述的中央空调节能智能控制系统，中央空调风机盘管连接有中央空调计费器，或者中央空调风机盘管采用智能型风机盘管，计费输出通讯连接中心监控计算机，中心监控计算机实时检测并计算中央空调各用户端总的能量制热量或制冷量需求量之和，放入共享数据库，作为中央空调系统调节的调控依据，供中央空调节能自控管理系统调用；中心监控计算机根据测得的冷冻水进、出口温差及流量按热力学第一定律计算出中央空调系统能量供应量，实时放入共享数据库中，供中央空调节能自控管理系统调用；中心监控计算机自控管理系统实时调用共享数据库中中央空调末端设备实时所需能耗和中央空调系统能量供应量并进行比较，结合预先存入中心监控计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线，作出相应的控制指令，通过PLC现场控制器输出相应控制信号控制风机、水泵变频器运行频率和系统中设备进出口、管道电动阀门开启度，综合调节中央空调冷冻水、冷却水流量、温度和制冷主机压缩机的负荷，使系统设备运行状态“逼近”其最佳能效比曲线，并根据现场检测结果修正操作过程，使制冷主机提供同中央空调用户端实时能量需求相一致的制热量或制冷量输出。

所述的中央空调节能智能控制系统，在中心监控计算机控制下的基本运行步骤为，(1)初始化，启动系统，基本参数的调用和录入，

(2)系统检测中央空调用户端是否有风机盘管运行，若没有则关闭所有冷水机组，若有则计算当前风机盘管运行所需的负荷，

(3)监测是否有冷水机组运行，若没有则根据计算负荷启动冷水机组，若有则根据所需负荷调节冷水机组运行负荷。

所述的中央空调节能智能控制系统，单台中央空调机组按系统实时所需能耗调节，多台机组时遵循以下原则：

(1)加载时优先运行累计启动时间最少的机组；

(2)减载时优先停止运行时间最长的机组；

(3)优先启动容量与实时需求量最接近的机组。

所述的中央空调节能智能控制系统，系统中温度、压力、流量、电压、电流测控装置和中心监控计算机以及PLC的连接，采用总线通讯方式，总线通讯方式为CAN总线，或为RS485总线，或RS232总线，或为LONWORK总线。

本发明的积极有益效果：

1、本发明利用计算机网络与通讯技术结合自动控制技术，首次提出并以中央空调末端设备实时能耗作为中央空调系统能量供应量的依据，并且充分考虑系统的节能效果，提出了以制冷主机最佳能效比曲线为调节核心，是对中央空调传统自控节能管理方法的一次超越，使系统各项运行指标达到最优化，使系统节能降耗效果最大化，同时使系统设备处于最佳运行状态，增强系统运行安全性，延长设备寿命。

2、本发明中央空调节能智能控制系统采用集散式结构、模块化设计，各监测子系统向中心监控计算机采用总线通讯方式，有利于安装、施工，关键在于后期的维护和检修相当方便。

3、本发明中央空调节能智能控制系统现场测量与控制相分离，使控制行动和测量值相互配合印证，方便了解相应指令的执行情况和效果，采用PLC现场监测和控制各相应子系统，使控制执行效率和可靠性大大提高，可利用不同厂家的产品进行组合和替换，有利于系统兼容和扩展，方便维护维修，方便用户优化选型，匹配相对最佳设备及相关产品。

四、附图说明：

图1：中央空调节能智能控制系统方框结构示意图

图2：中央空调节能智能控制系统运行步骤示意图

图3：传统中央空调流量/热量控制法运行步骤示意图

图4：开利30HXC300A冷水机组最佳能效比曲线图

五、具体实施方式：

实施例一：结合图1，本实施例为某专业写字楼水冷冷水机组中央空调节能智能控制系统具体实施方式。该写字楼建筑面积28000平方米，十六层，A类标准写字间建筑面积38平方米，共416套，每套配一台FP6.3风机盘管；B类标准写字间建筑面积27平方米，共143套，每套配一台FP5.0风机盘管。中央空调制冷站采用三台上海开利30HXC300A冷水机组，三台Y200L型冷却水泵，三台Y200L2型冷冻水泵，一台500吨冷却塔，一台800吨冷却塔，全系统为并联式二用一备设计。

在中央空调末端每一台风机盘管上设置一只中央空调计费器，并将实时数据传送给中心监控计算机，作为能量需求的依据，在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置电子温度传感器，通过多路温度采集模板和总线接口接入中心监控计算机，在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置口压力变送器，通过多路压力采集模板和总线接口接入中心监控计算机，是为系统的监测子系统；现场控制采用PLC可编程序控制器，在冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机设置变频器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制连接制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵和冷却风机及其变频器控制电路，各变频器的主控输出连接冷却塔风机和冷却、冷冻水泵电机，在制冷主机、冷却塔的供/回水管设置旁通电动阀门，在集水缸、分水缸水缸间设置压差旁通电动阀门，是为系统相应的控制子系统，系统冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷却出口电动阀门、冷冻进出口电动阀门开启度反馈信号通过A/D转换器电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却塔风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心监控计算机连接实现双向通讯，中央空调计费器，或者智能型风机盘管的计费输出和中心监控计算机通讯连接，中心监控计算机含有组态软件，实时检测中央空调末端设备所需能耗，放入共享数据库，作为中央空调系统调节的调节依据，供中央空调节能自控管理系统调用；由主机冷冻水进、出口温差及流量按热力学第一定律计算出中央空调系统能量供应量，实时放入共享数据库中，供中央空调节能自控管理系统调用；中心监控计算机实时检测并计算中中央空调各用户端制热或制冷量需求，实时调用共享数据库中中央空调末端设备实时所需能耗和中央空调系统能量供应量并进行比较，结合预先存入系统软件中的制冷主机最佳能效比曲线，和PLC通讯并通过PLC现场控制器发出相应的控制指令，输出相应控制信号控制控制风机、水泵变频器运行频率和相关设备、管道电动阀门开启度，提供同中央空调用户端实时需求相一致的制热或制冷量输出，中心监控计算机自控管理系统综合调节中央空调冷冻水、冷却水流量、温度和制冷主机压缩机的负荷，使系统设备运行状态“逼近”生产厂家提供最佳能效比曲线，并根据现场检测结果修正操作过程。

系统控制过程参见图2，中央空调节能智能控制系统运行步骤：(1)初始化，启动系统，基本参数的调用和录入，

(2)系统检测中央空调用户端是否有风机盘管运行，若没有则关闭所有冷水机组，若有则计算当前风机盘管运行所需的负荷，

(3)监测是否有冷水机组运行，若没有则根据计算负荷启动冷水机组，若有则根据所需负荷调节冷水机组运行负荷。

单台中央空调机组按系统实时所需能耗按上述步骤调节，多台机组时遵循以下原则：(1)加载时优先运行累计启动时间最少的机组；(2)减载时优先停止运行时间最长的机组；(3)优先启动容量与实时需求量最接近的机组。

系统中温度、压力、流量、电压、电流测控装置和中心监控计算机以及PLC的连接，采用CAN总线通讯方式，或为RS485总线，RS232总线，或为LONWORK总线，方便系统组合和扩展。

图4所示为生产厂家提供的开利30HXC300A冷水机组最佳能效比曲线图。在系统运行过程中，如当制冷机组输出负荷为86％时能效比最高为4.2，单台制冷量1044Kw，当某一时刻中央空调未端能量需求量是1566Kw，这时有三种控制方案：1、三台制冷机组均以50％的负荷运行，这时的综合能效比是3.65；2、一台制冷机组停止，一台制冷机组100％负荷运行，另一台以50％的负荷运行，这时的中央空调综合能效比是3.89；3、一台制冷机组停止，一台制冷机组75％负荷运行，另一台以75％的负荷运行，这时的中央空调综合能效比是4.16；显然第三种方案是最佳方案，从而实现系统以最佳能效比曲线运行，达到节能效果的最大化、最优化。

实施例二：为某住宅楼风冷冷热水机组中央空调节能智能控制系统实施例。四栋多层住宅楼每栋七层共16个单元，总建筑面积24240平方米，其中空调面积15756平方米，A型住宅48户，建筑面积135平方米三室两厅，配一台FP6.3风机盘管，三台FP5.0风机盘管，一台FP3.5风机盘管；B型住宅48户，建筑面积110平方米三室两厅，配一台FP6.3风机盘管，两台FP5.0风机盘管，两台FP3.5风机盘管；C型住宅48户，建筑面积85平方米两室两厅，配一台FP6.3风机盘管，两台FP5.0风机盘管，一台FP3.5风机盘管；D型住宅8户，建筑面积240平方米，配2台FP6.3风机盘管，4台FP5.0风机盘管，2台FP3.5风机盘管；共计736台风机盘管。中央空调采用四台北京金万众MTD100SH风冷热泵冷水机组，每栋住宅楼配置一台，每一台中央空调主机配置二台冷冻水泵，一备一用，8台Y200L型冷冻水泵，全系统为并联式二用一备设计。

采用中央空调计费系统，在中央空调末端每一台风机盘管上设置一只中央空调计费器，并将实时数据传送给中心监控计算机，作为能量需求的依据，在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置电子温度传感器，温度传感器输出信号通过多路温度采集模板经总线接口接入中心监控计算机，在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置压力变送器，压力变送器输出信号通过多路压力采集模板经总线接口接入中心监控计算机；在冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机设置变频器，接入相应的控制子系统，在制冷主机、冷却塔的供/回水管设置旁通电动阀门，在集水缸、分水缸水缸间设置压差旁通电动阀门，接入相应的控制子系统，制冷主机主控箱接入相应的控制子系统。所有的监测子系统采用总线通讯方式直接向中心监控计算机上传数据，中心监控计算机依据实时监测的能量需求量、各监测点的数据，按设定的算法以总线通讯方式下达相应的操作指令到现场PLC控制器，现场PLC控制器监测相应的控制子系统来执行中心监控计算机下达的指令，使系统设备以最佳状态下的能效比曲线运行。

有关控制管理步骤参见实施例一，在此不再重述。中央空调风机盘管或采用智能型风机盘管，计费输出接入中心监控计算机。

Claims (5)

1.一种中央空调节能智能控制系统，含有中央空调系统制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统相关设备和中心监控计算机，以及系统中压缩机、风机、水泵运行状态、冷/热量传递介质温度、压力、流量测控装置，在中央空调系统中：

(1)在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置温度传感器，温度传感器输出信号通过多路温度采集模板经总线接口接入中心监控计算机，

(2)在水泵、制冷主机、冷却塔、集水缸、分水缸的进、出水口设置压力变送器，压力变送器输出信号通过多路压力采集模板经总线接口接入中心监控计算机，

(3)现场控制采用PLC可编程序控制器，PLC通过制冷主机主控箱的通讯接口控制制冷主机，PLC通过导线连接冷却水泵、冷冻水泵和冷却风机及其变频器控制电路，来控制冷却水泵、冷冻水泵和冷却风机的工作状态，

(4)冷水机组主控信号反馈电气连接PLC，冷却水进/出口电动阀门、冷冻水进/出口电动阀门开启度反馈信号通过A/D转换器电气连接PLC，冷水机组压力信号反馈、冷水机组故障反馈、冷却风机过载反馈、水流故障反馈和供电故障反馈电气连接PLC，PLC和中心监控计算机通过总线实现双向通讯，

其特征是：以中央空调末端设备实时所需能耗作为中央空调系统制冷或制热能量供应量的调控依据，以运行状态“逼近”制冷或制热主机最佳能效比运行曲线作为系统运行调控目标，通过综合调节中央空调冷冻水、冷却水的流量、温度和制冷主机压缩机的运行负荷比例，使各用户制冷或制热需求能量之和与中央空调供给能量相平衡，达到中央空调经济运行的最佳状态，以取得能源效益的最大化。

2.根据权利要求1所述的中央空调节能智能控制系统，其特征是：中央空调风机盘管连接有中央空调计费器，或者中央空调风机盘管采用智能型风机盘管，计费输出通讯连接中心监控计算机，中心监控计算机实时检测并计算中央空调各用户端总的能量制热量或制冷量需求量之和，放入共享数据库，作为中央空调系统调节的调控依据，供中央空调节能自控管理系统调用；中心监控计算机根据测得的冷冻水进、出口温差及流量按热力学第一定律计算出中央空调系统能量供应量，实时放入共享数据库中，供中央空调节能自控管理系统调用；中心监控计算机自控管理系统实时调用共享数据库中中央空调末端设备实时所需能耗和中央空调系统能量供应量并进行比较，结合预先存入中心监控计算机中的制冷主机制造厂商在设备说明书中提供的制冷主机最佳能效比曲线，作出相应的控制指令，通过PLC现场控制器输出相应控制信号控制风机、水泵变频器运行频率和系统中设备进出口、管道电动阀门开启度，综合调节中央空调冷冻水、冷却水流量、温度和制冷主机压缩机的负荷，使系统设备运行状态“逼近”其最佳能效比曲线，并根据现场检测结果修正操作过程，使制冷主机提供同中央空调用户端实时能量需求相一致的制热量或制冷量输出。

3.根据权利要求1或2所述的中央空调节能智能控制系统，其特征是：在中心监控计算机控制下的基本运行步骤为，

(1)初始化，启动系统，基本参数的调用和录入，

(2)系统检测中央空调用户端是否有风机盘管运行，若没有则关闭所有冷水机组，若有则计算当前风机盘管运行所需的负荷，

(3)监测是否有冷水机组运行，若没有则根据计算负荷启动冷水机组，若有则根据所需负荷调节冷水机组运行负荷。

4.根据权利要求3所述的中央空调节能智能控制系统，其特征是：单台中央空调机组按系统实时所需能耗调节，多台机组时遵循以下原则：

A、加载时优先运行累计启动时间最少的机组；

B、减载时优先停止运行时间最长的机组；

C、优先启动容量与实时需求量最接近的机组。

5.根据权利要求1所述的中央空调节能智能控制系统，其特征是：系统中温度、压力、流量、电压、电流测控装置和中心监控计算机以及PLC的连接，采用总线通讯方式，总线通讯方式为CAN总线，或为RS485总线，或RS232总线，或为LONWORK总线。

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