CN1869533A - 网络型全数字多变量中央空调系统节能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网络型全数字多变量中央空调系统节能装置。本发明对中央空调系统采样多达17种变量，实时监测主机和系统COP，保证系统的自动跟随、动态调节，使主机和系统COP大幅度提高，在保证整个空调系统末端用户的制冷效果和舒适性的基础上，降低主机能耗、系统能耗等；本发明采用集中控制与分布控制相结合，各功能部件模块化设计，通过工业现场总线连接；控制系统与终端的变频器进行数字通讯，实现变量和数据的全数字化传递，可使现场的各种变量和数据传送到控制层或信息层网络进行现场集中运算、管理、监控及远程监控；中央空调系统采用本装置后，可以实现主机节能约为10％～30％、水泵、冷却塔风机、术端风柜节能60％～80％以上。

Description

网络型全数字多变量中央空调系统节能装置

一、技术领域：

本发明涉及一种中央空调节能改造项目的系统设备，针对中央空调水系统进行动态的优化，实现中央空调主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机及末端风柜的节能经济运行。

二、背景技术：

目前，世界范围内的能源危机及中国能源需求与供给之间的巨大矛盾，使节能问题得到了空前重视，尤其是建筑这一能耗占全国总能耗三分之一的产业更受到了极大关注；中央空调是现代建筑中能耗最大的设施之一，现代建筑物能耗的50％～60％以上为空调能耗，因此对中央空调系统进行节能改造，是符合国家发展经济的一项长远战略目标。

长期以来由于缺乏先进的技术手段和装备，没有实现空调冷媒流量跟随末端负荷的变化而动态调节，造成空调水系统的大流量小温差，即通常所说的‘大马拉小车’，电能浪费情况十分严重，对中央空调进行节能改造是十分必要的。

以下为几种目前常用的节能改造方法及存在以下缺点：

1.使用变频器模拟量调速控制功能，通过对冷冻泵、冷却泵进行温度或温差变量采集，采集的温度或温差变送器的模拟量输入至变频器进行PID控制运行，自动调节水泵的流量，这种系统采样的变量最少，可以实现水泵一定效果的节能，一般水泵节电率在15～30％；缺点：这种方法采用PID控制，采样的变量少，节电效果不易提高，参数调节不易，有时系统调节不合适，不但不能节电，还会造成主机震荡或喘震，对空调主机造成严重的损害；只实现冷冻水泵、冷却水泵的节能，无法实现中央空调系统的节能。

2.使用变频器模拟量调速控制功能，通过对冷冻泵、冷却泵进行温度、温差变量采集，采集的温度或温差变送器的模拟量输入到控制器进行简易的模糊控制，通过D/A模块输出模拟量来控制变频器的速度，自动调节水泵的流量，这种系统采样的变量与第1种一样，这种系统也可以实现水泵一定效果的节能，一般水泵节电率在20～40％；缺点：这种采用简易模糊控制，采样的变量也少，比PID控制的节电效果要高一些，但缺乏系统节能的办法，只实现冷冻水泵、冷却水泵的节能。

3.采用只更换水泵的方式进行节能改造，水泵的功率和流量变小后，能实现水泵的节能20％～50％左右；缺点：这种采用直接换水泵的方式，无变量采集，无自动控制的配合，现场施工需改动管路，改造时间比较长，实现系统节电比较困难，当空调系统出现负荷峰值时，改造后的水泵可能无法满足需求。由于采用功率、流量变小的水泵的方式实现的节电效果不如变频改造的效果明显，目前主要以系统的变频节能改造为主流方向。只实现冷冻水泵、冷却水泵的节能，无法实现中央空调系统的节能。

4.使用变频器模拟量调速控制功能，采样温度、温差、压力、压差、流量等基本变量，采用工控机进行集中控制，除了对水泵进行变频改造以外，还可对冷却塔风机进行优化控制，对水系统优化从而实现主机的节能10％左右，水泵节电在60％左右；这种控制与前面的3种对比效果提高很多，实现主机和风机水泵的节能，控制效果有所提高；缺点：

该方法对于末端的风柜的节能无法改造，采用工控机进行模拟量输出控制，缺乏数字量输出控制功能，故控制精度有待于提高；过于依赖工控机进行集中控制，工控机出现异常时，整个控制系统可能失效，另主机和风机水泵的节电效果也有待于提高。

以上4种的控制输出的变量为均为模拟量，如缺乏数字量控制功能，如终端的变频器调速为0～5(10)V或4～20mA模拟量实现，由于控制系统不能与终端的变频器进行数字通讯，当用户要求提供空调主机、冷却泵、冷却泵等基本电参量监视时，如：电流、电压、频率、功率等显示，只有通过安装多个的电流表、电压表、频率表、功率表等电工仪表实现(另需配套多个电流互感器)，这些基本电参量只有在控制柜的面板上通过模拟量仪表现场显示，不能送到控制层或信息层网络进行本地监控和远程监控，这在计算机技术高度发展的今天不能不说是一个遗憾，同时由于采集的变量比较少，对一个多参量、非线性、时变性的中央空调系统，节能效果有待于进一步的提高。

三、发明内容

(1)本发明要解决的技术问题

中央空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统，由于末端负荷的频繁波动，必然造成系统循环溶液(冷冻水、冷却水、制冷剂溶液)的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态，导致主机热转换效率(COP值)降低，系统长期在低效率状态下运行，也会增加系统的能源消耗。

本发明涉及的中央空调系统采样17种变量，实现数字量运算和控制，满足空调系统非线性和时变性的要求，实时监测主机COP、系统COP，保证系统的自动跟随、动态调节，使主机COP、系统综合COP大幅度提高，在保证整个空调系统末端用户的制冷效果和舒适性的基础上，降低主机能耗、系统能耗等；控制系统与终端的变频器进行数字通讯，实现变量和数据的全数字化传递，可使现场的各种变量和数据传送到控制层或信息层网络进行现场集中运算、管理、监控及远程监控；中央空调系统采用网络型全数字多变量中央空调系统节能装置后，可以实现主机节能约为10％～30％、水泵、冷却塔风机、末端风柜节能60％～80％以上。

(2)本发明所采用的技术方案

本发明采用多变量采集是为了实现更好的中央空调的系统节能效果。采样的参量除了温度、温差、压力、压差、流量等基本参量外，还有中央空调主机制冷量、主机COP、系统COP、主机实时功率、冷冻水泵实时功率、冷却水泵实时功率、冷却风机实时功率、空调水送效率、空调水送能耗、主机运行信号、主机报警信号等(参见附图1)，以上的变量在智能模糊控制器中进行自动演算后，实时监测主机COP、系统COP，对中央空调的水系统进行最佳的优化控制，保证系统的自动跟随、动态调节，使主机COP、系统综合COP大幅度提高，在保证整个空调系统末端用户的制冷效果和舒适性的基础上，降低主机能耗、系统能耗等，实现中央空调主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却风机及末端风柜的节能；解决了由于采集变量不足对整个中央空调系统节能带来的负面影响。

本发明涉及的全数字量是指以上直接采样的变量经数字处理后送入CPU进行直接运算、中间运算的变量、输出变量均采用数字运算，如：温度、温差、压力、压差、流量、主机制冷量、主机COP、系统COP、主机实时功率、冷冻水泵实时功率、冷却水泵实时功率、冷却风机实时功率、空调水送效率、空调水送能耗、，包括各台冷冻、冷却变频器的运行频率、输出电压、输出电流、输出功率等均为数字量；解决了所有参数和变量的数字量运行、数字量控制及数字量显示等问题。

本发明采用的网络型结构(参见附图2)：设备层为RS485总线，控制层为工业现场总线，信息层为以太网，现场集中监控、远程监控通过组态软件实现。将所有参数和变量的上传到控制层或信息层网络进行现场集中运算、管理、监控及远程监控，并且管理功能、监控功能强大，如各变量的历史报表、实时报表，可在网络上方便的打印下来。

(3)本发明的有益效果

通过多达17种变量的全数字量采集，利用智能模糊优化控制技术，以系统集中控制和分布式控制相结合，配合现代变频技术，实现中央空调系统运行参数的实时调整，实现冷媒流量跟随负荷的变化而变化，实时监测主机COP、系统COP，确保主机在任何负荷条件下都处于最佳工况，使主机COP、系统COP大幅度提高，在保证整个空调系统末端用户的制冷效果和舒适性的基础上，最大限度地降低了空调系统的能耗，中央空调系统采用网络型全数字多变量中央空调系统节能装置后，可以实现主机节能约为10％～30％、水泵、冷却塔风机、末端风柜节能60％～80％以上。

本装置采用集中控制与分布控制相结合，各功能部件模块化设计，通过工业现场总线连接，有利于与现场进行安装、调试；各功能部件可以安装在不同地地方，只要能与现场工业总线连接即可；还有在不同场合应用，若冷冻水泵、冷却水泵、末端风柜有所增加时，其功能部件可以方便地在现场工业总线上扩展，总线通讯速率最高达10Mbps，距离最远可达1.2KM。

四、附图说明：

图1：全数字多变量采集系统框图

图2：网络型全数字多变量中央空调系统节能装置框图

图3：远程监控画面之一

五、具体实施方式

下面以3台中央空调主机、3台冷冻水泵、3台冷却水泵、3台冷却塔风机及若干末端风

柜、末端盘管风机等组成的中央空调系统为例(系统采用2用1备方式工作)。具体实施的方法说明结合附图2进行。

1.主站系统(1)采用大中型的PLC控制器作为系统的主机，通过现场工业总线，与远程设备站(2)～(8)的PLC控制器组网运行；主站系统(1)与服务器主机(22)连接，服务器主机接上以太网，配合组态软件完成现场集中运算、管理、监控及远程监控；主站系统(1)根据远程设备站(2)～(8)上传的各种变量和数据，进行智能模糊控制，实时监测主机COP、系统COP，保证中央空调系统在制冷负荷变化时，自动跟随、动态调节，使主机COP、系统综合COP大幅度提高，在保证整个空调系统末端用户的制冷效果基础上，从而降低主机能耗、系统能耗等，实现主机节能约为10％～30％、水泵及风机风柜节能60％～80％。

2.远程设备站(2)，全数字多变量采集系统采集的变量见附图1(15)，多达17种变量，采用高性能小型PLC控制器将以上变量通过现场工业总线送到主站系统(1)，在现场的人机介面上可以显示的所有采集的变量数据，并具备现场修正功能，远程设备站(2)配置高性能小型PLC控制器、现场工业网络接口模块，温度A/D转换模块、通用A/D转换模块、人机介面、温度传感器、流量传感器、压力传感器、电量采集模块等。

3.远程设备站(3)、(4)，与其连接的(9)、(10)为冷冻水泵变频节能自动控制系统：当环境温度及空调热负荷发生变化时，主站系统(1)根据远程设备站(2)采集的实时采样的冷冻水出回水温度、温差、压差、流量、主机制冷量、水送能耗、水送效率等变量，实时监测主机COP、系统COP，并在主站系统(1)中进行智能模糊控制器中进行演算，通过现场工业总线，对远程设备站(3)、(4)的系统进行最佳优化控制；从而保证水系统的自动跟随、动态调节，保证主机COP、系统综合COP得到达幅度提高，从而降低冷冻水泵能耗、主机能耗、系统能耗等，在实现主机、水泵节能的同时，保证空调系统在各种环境和热负荷的情况下，均能保证末端用户的制冷效果和舒适性。

在现场的人机介面上显示每台变频器的运行频率、输出电压、输出电流、输出功率、节电率、冷冻出回水温度。

远程设备站(3)和冷冻水泵变频节能自动控制系统(9)：控制1台水泵工频/变频运行，内装有1台节能型变频器，1个小型PLC控制器，1个现场工业网络接口模块，变频器与控制器通讯RS485模块，1个人机介面，控制冷冻水泵1组(16)的1台水泵的工频/变频切换设备；

远程设备站(4)和冷冻水泵变频节能自动控制系统(10)：控制2台水泵变频轮换运行，工频/变频切换运行，内装有1台节能型变频器，1个小型PLC控制器，1个现场工业网络接口模块，变频器与控制器通讯RS485模块，1个人机介面，控制冷冻水泵2组(17)的2台水泵轮换的切换设备及各自水泵的工频/变频切换设备；

4.远程设备站(5)、(6)，与其连接的(11)、(12)为冷却水泵变频节能自动控制系统：由于冷冻机组进行内部热交换时，使冷冻水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，进行风机强制降温冷却处理后，再送回机组。根据远程设备站(2)提供的实时采样的冷却水出回水温度、温差、主机制冷量、水送能耗、水送效率等变量，在主站系统(1)中进行智能模糊控制器中进行演算，实时监测主机COP、系统COP，通过现场工业总线，对远程设备站(5)、(6)系统进行最佳优化控制；从而保证冷却水的流量的自动跟随、动态调节，保证主机的正常冷却要求，降低冷却水泵能耗及系统能耗。

在现场的人机介面上显示每台变频器的运行频率、输出电压、输出电流、输出功率、节电率、冷却出回水温度。

远程设备站(5)和冷却水泵变频节能自动控制系统(11)：控制1台水泵工频/变频运行，内装有1台节能型变频器，1个小型PLC控制器，1个现场工业网络接口模块，变频器与控制器通讯RS485模块，1个人机介面，控制冷却水泵1组(18)的1台水泵的工频/变频切换设备；

远程设备站(6)和冷却水泵变频节能自动控制系统(12)：控制2台水泵变频轮换运行，工频/变频切换运行，内装有1台节能型变频器，1个小型PLC控制器，1个现场工业网络接口模块，变频器与控制器通讯RS485模块，1个人机介面，控制冷却水泵2组(19)的2台水泵轮换的切换设备及各自水泵的工频/变频切换设备；

5.远程设备站(7)，与其连接的为冷却塔风机自动控制系统(13)，内装有1个小型PLC控制器，1个现场工业网络接口模块，1个人机介面；可以进行3台冷却塔风机(20)的自动启停运行控制和相关参数设置，通过主站系统(1)的智能模糊运算，在保证主机有效散热条件，通过少开风机台数和间歇工作可以实现冷却塔风机节能。

6.远程设备站(8)，与其连接的为末端风柜变频自动控制系统(14)，可以进行末端风柜(21)的自动变频节能运行控制和相关参数设置，通过主站系统(1)的智能模糊运算，在保证末端用户的制冷量和舒适性需求条件下，实现末端风柜的优化节能。

末端风柜变频自动控制系统(14)和末端风柜(21)：控制风柜电机的工频/变频运行，内装有1台节能型变频器，1个小型PLC控制器，1个现场工业网络接口模块，变频器与控制器通讯RS485模块，1个人机介面，控制末端风柜(21)的工频/变频切换设备；

本发明使涉及的系统，现场工业总线具备强大的扩展功能，可以接入多个的风柜进行节能运行和控制。

7.现场监控服务器(22)：为工控机，与主站系统(1)直接连接，并配合组态软件，现场监控画面齐备；信息层网络为以太网和因特网，远程用户无需安装监视软件，仅使用上网的浏览器输入IP数字地址或网络域名，就可以通过以太网和因特网直接浏览访问系统的监控画面，如远程监视系统(23)、(24)，远程用户可以通过互联网来浏览现场的监视画面。(参见附图3)

8.中央空调系统采用网络型全数字多变量中央空调系统节能装置后，中央空调的主机电流负载率下降十分明显，可以实现主机节能约为10％～30％；冷冻水泵、冷却水泵、末端风柜的变频器运行频率在30Hz～35Hz左右，有时热负荷低时变频器的运行频率低至25Hz，节电率达60％～80％以上；冷却塔风机通过少开风机台数和间歇工作可以实现节能在60％以上。

Claims (2)

1.一种网络型全数字多变量中央空调系统节能装置，其特征是：①网络型：三层网络结构，设备层为RS485总线，控制层为工业现场总线，信息层为以太网；主站系统(1)与远程设备站(2)～(8)通过现场工业总线构成网络，现场采集的各种变量和数据通过现场工业总线网络传送到主站系统(1)进行现场集中运算、管理、监控；主站系统(1)与现场监控服务器(22)连接，通过组态软件实现以太网、因特网的远程监控，如远程监控系统(22)、(23)等，并且管理功能、监控功能强大，如各变量的历史报表、实时报表，可在网络上方便的打印下来。②多变量型：采样的变量除了温度、温差、压力、压差、冷冻水流量外，还有中央空调主机制冷量、主机COP、系统COP、主机实时功率、冷冻水泵实时功率、冷却水泵实时功率、冷却风机实时功率、空调水送效率、空调水送能耗、主机运行信号、主机报警信号等17种变量。③全数字型：②项采样的所有变量，经数字处理后送入CPU进行直接运算、中间运算的变量、输出变量均采用数字运算，特别是各台冷冻、冷却变频器的运行频率、输出电压、输出电流、输出功率、节电率等均为数字量；解决了所有参数和变量的数字量运行、数字量控制及数字量显示等问题。

2.根据权利要求1所述的网络型全数字多变量中央空调系统节能装置，其特征是：系统采样17种变量，实现数字量运算和控制，满足空调系统非线性和时变性的要求，实时监测主机COP、系统COP，保证系统的自动跟随、动态调节，使主机COP、系统综合COP大幅度提高，在保证整个空调系统末端用户的制冷效果和舒适性的基础上，降低主机能耗、系统能耗等；控制系统与终端的变频器进行数字通讯，实现变量和数据的全数字化传递，可使现场的各种变量和数据传送到控制层或信息层网络进行现场集中运算、管理、监控及远程监控。

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