CN202648280U - 一种制冷系统的节能控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制冷系统的节能控制装置，设置包括一控制单元，以及多个温度或压力传感器，所述温度或压力传感器设置在制冷系统的输出管道上；所述控制单元设置包括：一用于分析系统运行效率的数据分析单元；一用于计算运行效率变化趋势的数学模型单元；一用于得出最佳效能运行计划的运行路径规划单元；以及与上述各单元通讯连接并与温度或压力传感器连接的信息接收模块；所述运行路径规划单元采用动态熵值均衡算法进行最佳效能运行计划计算，并依照该最佳效能运行计划实现相应压缩机的运行控制。本实用新型制冷系统的节能控制装置由于采用了动态熵值均衡算法，实现对不同能效值的压缩机规划运行，并建立数学模型，实现了省电的效果。

Description

一种制冷系统的节能控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种制冷系统的控制装置，尤其涉及的是一种基于现有制冷系统附加安装的空调节能控制装置。

背景技术

现有技术中的制冷系统中，如空调系统和冷库制冷系统，一般设置包括：制冷机组系统、制冷剂循环系统、水循环系统、电器自控保护系统、热交换器、冷冻水泵、散热系统等部件，如图1所示的，是现有技术常见的制冷系统示意图。

目前的制冷系统中，尤其是如大卖场和大厦的中央空调系统，或者大型冷库的制冷系统，其每年的能量消耗和费用都是很高的；由于制冷系统中的核心部件是压缩机和冷热交换系统，而每个压缩机的设计能效和使用能效是不同的，随着使用时间的增加和磨损的增加，设计能效和使用能效的偏差会逐步增加，越来越大。

现有技术的制冷系统都会标注COP(能效值)，但这个能效值是特定条件下的制冷能效，就像汽车的油耗值一样，只是特定条件下的能效，实际的使用能效是在不同的速度道路条件下是不同的。压缩机也是一样，能效值是随吸气温度、冷却水温度等不同而变化的。出水温度每降低一度，压缩机的工作时间是不同的，出水温度(蒸发温度或吸气温度)越低，每降低一度，压缩机的工作时间越长，功耗就越大。通常情况下，出水温度每提高1℃，COP（单位耗电产生的制冷量）提高3%--5%。

比如现有的控制系统如采用终端温度控制，室内温度控制在23-27度之间（以下说明中不特别指明，度即摄氏度），平均25度（冷冻冷藏系统一般控制在负18-负22度之间，平均负20度），以当前的散热速度，和系统原设计的散热效率，吹8℃的冷风30分钟，即可达到设定温度的下限，但由于设备的实际运行效率随着设备使用年限延长其使用效率已经降低，实际的散热效率可能只有设计效率的80%，所以实际使用时间是设计时间的1.2倍以上。

在这段时间内，由于压缩机在不停地工作，会造成出水温度的不断下降，以至于压缩机的工作效率会逐渐降低。实际制冷量=∫COP×P×t，由于COP值的降低，实际制冷效率会小于8℃时的制冷效率COP8，从而导致耗电=P×t的增加。

目前的中央空调系统中，制冷系统由压缩、冷却、冷凝、传输和散热等各个部分组成，如图1所示，各个环节的能效是不同的，而整个系统的制冷效率是由能效低的环节决定的，因此，如何提高现有系统的空调效能，并降低能耗是目前各控制系统厂商一直在研究和发展的技术目标。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种制冷系统的节能控制装置，针对上述现有技术的缺陷，现有技术的负载管理和控制方式只是以维持稳定的使用温度为出发点，并不管理设备的使用效率，而本实用新型通过算法判断和选择相应的制冷系统进行工作，从而降低整个系统的能耗。

本实用新型的技术方案如下：

一种制冷系统的节能控制装置，其连接在多个压缩机与原有控制系统之间，其中，设置包括一控制单元，以及多个温度或压力传感器，所述温度或压力传感器设置在制冷系统的输出管道上；所述控制单元设置包括：

一用于分析系统运行效率的数据分析单元；

一用于计算运行效率变化趋势的数学模型单元；

一用于得出最佳效能运行计划的运行路径规划单元；以及

与上述各单元通讯连接并与温度或压力传感器连接的信息接收模块；

所述运行路径规划单元采用动态熵值均衡算法进行最佳效能运行计划计算，并依照该最佳效能运行计划实现相应压缩机的运行控制；

所述压缩机与原有控制系统之间设置有自动旁路电路，用于保证原有控制系统的控制作用。

所述的节能控制装置，其中，所述控制单元还控制连接冷却水水泵、冷冻水水泵及风机。

所述的节能控制装置，其中，所述温度或压力传感器设置在控制开关上，并通过CAN总线或无线方式、RS232、RS485的数据接口方式与控制单元连接。

本实用新型所提供的一种制冷系统的节能控制装置，由于采用了动态熵值均衡算法，实现对不同能效值的压缩机规划运行，并建立数学模型，实现了省电的效果；同时通过自动旁路系统，实现了系统控制的安全性。

附图说明

图1为现有技术的制冷系统示意图。

图2为本实用新型制冷系统的节能控制装置结构示意图。

图3为本实用新型制冷系统的节能控制装置具体功能结构示意图。

图4为本实用新型节能控制装置的连接结构示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的较佳实施例加以详细说明。

本实用新型的节能控制装置及其方法中，用于制冷系统，其主要包括冷冻冷藏和中央空调等系统，如图1所示，本实用新型节能控制装置设置在现有的多个压缩机和原有的控制系统之间，一般可以采用一自动旁路进行连接，在本实用新型控制单元故障或故意使其不起作用时，可以自动实现原有控制系统的原有控制逻辑。本实用新型节能控制装置运行时，通过脉冲信号维持对各制冷设备的控制通路，这个通路在收到脉冲信号后一般只能维持20毫秒，如果超过时间设备没有再收到脉冲信号，则本实用新型系统中自动旁路的继电器会自动合上，本实用新型节能控制装置中的控制器整个电路就和需要控制的设备之间断开了，由原控制电路进行控制。该自动旁路的设计一般是用来提高系统的安全性，这样如果本发明控制装置出现任何故障，都能够保证整个系统可以自行切换到由原系统控制，整个系统还是可以平稳运行的，不低于原有的控制水平。

如图3所示是本实用新型节能控制装置的模块示意图，其中连接在多个压缩机与原有控制系统之间，如图4所示，设置一控制单元，以及一温度或压力传感器，所述温度或压力传感器设置在制冷系统的输出管道上，也可以设置在待制冷空间内，例如房间或冷库中，只有将温度或压力传感器设置在制冷系统的输出管道上内，对压缩机的效能参数判断才更有效。本实用新型所述温度或压力传感器在实际的制冷系统中是基本相同功能的两个部件，按照目前的制冷系统设计，对效能值的计算可以通过采集温度或制冷气流的压力来实现，其温度和压力值之间是依照固定的换算关系进行的，因此，采集任何一种都可以。

所述控制单元设置如图3所示包括：一用于分析系统运行效率的数据分析单元；一用于计算运行效率变化趋势的数学模型单元；一用于得出最佳效能运行计划的运行路径规划单元；以及与上述各单元通讯连接并与温度或压力传感器连接的信息接收模块；所述运行路径规划单元采用动态熵值均衡算法进行最佳效能运行计划计算，并依照该最佳效能运行计划实现相应压缩机的运行控制。

本实用新型节能控制装置的节能控制方法，如图3所示，其各个模块分别采用如下步骤：

A、信息接收模块接收来自于温度或压力传感器的温度变化数据，并由数据分析单元分析系统的运行效率即能效或效能，通常采用COP表示；

B、由数学模型单元计算运行效率的变化趋势，确定目前设备如压缩机的COP以及其变化趋势；

C、由运行路线规划单元采用动态熵值均衡算法进行最佳效能运行计划的计算，并依照该最佳效能运行计划实现相应压缩机的运行控制。针对不同的设备体系，通常会采用不同的效能运行计划，但核心的一点就是要实施对整个制冷系统的能耗平衡和效能调整，以使其最终能够实现节电。由于本实用新型整个制冷系统的能耗费用一般都很高，因此，本实用新型节能控制装置的经济价值很高。

本实用新型所述节能控制装置中，通过在待冷却空间中设置的传感器和数据接口与本实用新型控制电路进行连接，温度和压力传感器的信号通过RS232或RS485或CAN或GPRS等数据接口方式传送到控制电路中的信息接收模块，本实用新型节能控制装置把多个独立的相关的或者独立的制冷系统及其各个环节连接成了统一的节能控制装置。

本实用新型节能控制装置是一个不断学习的动态系统，可以根据使用过程中的变化自动调节相应的参数。由于随着制冷系统使用过程的越久，（由于压缩机的磨损，老化以及制冷剂不足等原因）压缩机等各设备的能效会出现变化，因此本实用新型通过动态能效优化算法,计算出最优的参数配置组合,并根据参数的变化趋势,做出相应调整，本实用新型装置的关键是对趋势的判断和调整算法，能够准确的判断实际制冷需求和制冷设备提供能效的变化，并清楚计算每个参数及控制对这些变化的影响，最终推算出一个组合的效率最佳的也就是最节能的运行参数配置和压缩机运行控制的组合方式。

本实用新型所述节能控制装置还通过分析不同情况下各个环节的能效数据，综合规划压缩机的运行，减少由于能效不匹配造成的浪费，即计算压缩机在一段时间内的功效函数,并通过动态熵值均衡算法,构建这段时间内各个环节模拟运行数学模型，并通过计算各个环节能效的变化率，得出这段时间内的最优运行规划，包括各个时间点的参数配置和运行控制等。例如原制冷系统是三压缩机，运行逻辑是输出7度冷冻水，三台压缩机共同启动1小时后，停其中一台1小时，水泵和其他参数不变；经过本实用新型节能控制装置的处理是三台运行30分钟，停两台50分钟，并调高出水温度0.5度，启动三台压缩机运行40分钟，逐步调低冷冻水出水温度至7度。在这个过程中，虽然制冷量减少，但由于温差的变动提高了终端的热传导效率和压缩机的制冷效率，所以实际使用方的使用温度并没有降低，例如假设原功率100KW，2小时电耗500度，而本实用新型装置的控制下电耗433度。

本实用新型所述节能控制装置中，熵值(正比于制冷的总量)正比于∫P×COP×T×s ∽∫T×T×g×A；其中，P为该设备如压缩机的功率值；COP为对应的能效值；T为工作时间值；g为熵值变化率值；s为传递效率值；A为基数值，该基数值和压缩机工作时的性能相关，作为其功率变化的参照基数，这个函数前面说明熵值与能效、功率和时间的积分成正比，后面说明熵值与时间的平方的积分成正比；为寻找效率拐点，对时间求导数，找出F（s,g）=0的近似解；由于函数变量波动大，可以采用多项式逼近的方式，找出每分钟的近似曲线F（t,X,Y）=0，并最终形成整体的数学模型。这是一个分段的不规则曲线，通过一段时间的数据参考，不断修正，逐步使其平滑，使曲线连接处不断平滑（多项式阶数差小于2），最终形成一个参考曲线，通过该数学模型在运行过程中根据压缩机的能效不断修正，最终接近最优的数值解。

在本实用新型节能控制装置及方法中，还综合考虑了制冷输出、制冷需求和制冷效率最大化之间的平衡，因为这三者多数时刻不能同时满足，即如果保持即时的制冷量等于散热量，那就不能保证制冷效率最高，所以本实用新型节能控制装置是在一定时间范围内，根据不同的系统储热量不同，能效对温度变化的敏感系数不同，所以不是确定的，须要由本实用新型节能控制装置自动学习，形成制冷系统的变化周期，计算压缩机的最佳能效的工作路径，有效解决这个矛盾。

对于并联多压缩机的系统，本实用新型节能控制装置通过动态能效分析，找出恰当的能效匹配方式，并能够更合理的分配各个压缩机的工作；本实用新型节能控制装置不替代原有的系统，而是采用时区接管的方式，即在上面提到的时间段之内，由本实用新型节能控制装置来控制管理整个系统，同时设置自动旁路控制电路，超过这个时间后，本实用新型节能控制装置再次把自己隔离开，由原控制系统按照原控制逻辑来管理各制冷设备。该自动旁路系统可以把控制权交还给原有的控制系统，断开与本实用新型节能控制装置的连接，以确保安全性和兼容性，这样本实用新型节能控制装置在发生故障时不会影响原控制系统的控制功能，所以安全；其次原系统可以重新控制，保证本实用新型节能控制装置和原控制系统不冲突。

对于多主机的制冷系统，本实用新型节能控制装置可以通过集中控制的方式，自主选择能效高的工作分配方式，以使系统能效最大化。比如原有控制系统控制的两个设备，一个螺杆机，一台活塞机，活塞机有两个压缩机，能效值（COP）3.9；螺杆机在4个负载阶段分别是25%：3.4，50%：3.8，75%：4.8，100%5.2，而活塞机没有能量调节阀，两台设备本互相不影响，也就是启动后分别运行。而有了本实用新型节能控制装置后，就会先启动活塞机，负载不足时启动螺杆机并停掉活塞机，负载还不足就再启动活塞机。相应的卸载过程也是先停活塞机，再卸载螺杆机，螺杆机负载小于50%以后，再启动活塞机，停掉螺杆机。而现有技术中原来的都是独立控制系统，系统之间是不会进行联动的。

本实用新型所述节能控制装置是一个信息网络化平台及其在该平台上运行的软件控制，可以把全部有关能效的信息采集到平台上，并可以由多个控制系统共享所有的信息和控制逻辑，本实用新型节能控制装置可以根据另一台的运行规划和数据变化进行调整，使控制更加精确。本实用新型所述节能控制装置不只可以控制压缩机，还可以控制制冷系统的所有相关环节，通过开关和标准控制接口，如CAN或RS232、RS485等数据接口，0-10V或4-20mA模拟控制接口等多种扩展接口，实现包括对冷却水水泵、冷冻水水泵、风机等的控制，这些设备可以配合压缩机的运行进行负载的调整，以达到能效最大化，实现设备之间的联动。如果有变频功能，可以进行频率调节，如果有多个可选择，可以控制开启的数量和功率，而通常这些部分的工作在现有技术中通常是由操作员人为操作工作的。

本实用新型节能控制装置通过平衡各个环节的制冷效率，通过及时调整压缩机的负载，控制制冷和散热的平衡，达到了整体效率最大化，对传递效率s的积分再微分，求某个时间段内的最优值。本实用新型节能控制装置通过适当减少负载P，稳定出水温度，以达到提高制冷使用效率的效果。在此过程中实际制冷量=∫COP×P×t，由于COP值稳定，实际制冷效率等于8℃时的制冷效率COP8。所以使用功率P降低，在制冷量相同的情况下，压缩机耗电﹤P×t。

以下举具体实例说明本实用新型的节能控制过程，在一主机含多个压缩机的情况时，例如：3个压缩机，原功率为10KW，10KW和7KW，能效COP值为4，但随着使用和磨损，能效降低，分别是3，3.5和4（此能效可经过本实用新型节能控制装置进行实时计算），通常的使用逻辑是，达到温度后，先停掉小功率的设备，再随机停掉相同功率的设备。如需一小时制冷量50，原先运行的逻辑为起动三台压缩机，运行30分钟，停止7KW压缩机，运行18分钟，随机停止一个再运行12分钟，所以整体运行为（10×3+10×3.5+7×4）×0.2+（10×3+10×3.5）×0.2+（10×3）×0.6=50.2，总能耗：（10+10+7）×0.2+（10+10）×0.2+（10）×0.6=15.4（度）；而经过本实用新型的运行规划控制，尽量使用能效高的设备，运行计划为（7×4+10×3.5）×0.65+（7×4）×0.35=40.95+9.8=50.75，总能耗（10+7）×0.65+（7）×0.35=11.05+2.45=13.5。因此相同的制冷量，节约能耗超过12%，考虑其他能效提高的因素，节电率将更高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种制冷系统的节能控制装置，其连接在多个压缩机与原有控制系统之间，其特征在于，设置包括一控制单元，以及多个温度或压力传感器，所述温度或压力传感器设置在制冷系统的输出管道上；所述控制单元设置包括：

一用于分析系统运行效率的数据分析单元；

一用于计算运行效率变化趋势的数学模型单元；

一用于得出最佳效能运行计划的运行路径规划单元；以及

与上述各单元通讯连接并与温度或压力传感器连接的信息接收模块；

所述运行路径规划单元采用动态熵值均衡算法进行最佳效能运行计划计算，并依照该最佳效能运行计划实现相应压缩机的运行控制；

所述压缩机与原有控制系统之间设置有自动旁路电路，用于保证原有控制系统的控制作用。

2.根据权利要求1所述的节能控制装置，其特征在于，所述控制单元还控制连接冷却水水泵、冷冻水水泵及风机。

3.根据权利要求1所述的节能控制装置，其特征在于，所述温度或压力传感器设置在控制开关上，并通过CAN总线或无线方式、RS232、RS485的数据接口方式与控制单元连接。

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