CN104006508B - 一种中央空调冷源高效匹配集成装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中央空调系统节能领域，旨在提供一种中央空调冷源高效匹配集成装置及其控制方法。本发明包括一个机柜，所述机柜上安装有主控制器、RS485集线器、若干个冷源设备控制器、若干个信息采集模块、空气断路器和直流电源；所述主控制器通过RS485集线器与冷源设备控制器、信息采集模块相连；所述空气断路器经直流电源与RS485集线器、若干个冷源设备控制器、若干个信息采集模块相连。本发明的有益效果有：实时监控中央空调冷冻水、冷却水系统，通过合理优化控制若干冷源设备的蒸发温度、单台冷源设备运行的负载率，确保当前若干冷源设备以较高效率运行，而使中央空调整个系统效率为之最优。

Description

一种中央空调冷源高效匹配集成装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及中央空调系统节能领域，特别涉及一种中央空调冷源高效匹配集成装置及其控制方法。

背景技术

冷源设备是中央空调系统耗能最高的设备。而在中央空调系统节能中，一般仅对冷源设备进行启停控制，而对冷冻水泵进行节能控制，其主要原因与冷源设备节能改造复杂，费用相对高；而水泵控制相对容易，且节能效果明显有关。但是仅仅对冷冻水泵变流量控制，无法使中央空调系统达到一个最节能的状态。

其实近年来，冷源设备的单台设计效率日益提升，且最高点通常设置在部分负荷工况，符合冷源设备大部分时间运行在部分负荷工况。然而一般中央空调系统的冷源设备台数在2台以上，联合运行。且有若干种不同的搭配方式：1)同期购入的相同型号冷源设备；2)同期购入的同厂家不同型号的冷源设备，一般以大冷量搭配小冷量机组的形式；3)不同时期购入的同厂家的冷源设备，一般由于原冷源设备无法满足当前的负荷需求，为了匹配当前负荷而增加相应冷量的机组；4)不同时期购入的不同厂家的不同型号的冷源设备。应对不同的冷源设备搭配，如何保证在不同的负荷需求下，若干冷源设备都能保持一个较高效率运行，使中央空调系统的节能效益达到最高，除了设备自身的性能外，还要做到合理优化控制若干冷源设备的蒸发温度、冷凝温度、单台设备运行的负载率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种中央空调冷源高效匹配集成装置及其控制方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种中央空调冷源高效匹配集成装置，包括一个机柜，所述机柜上安装有主控制器、RS485集线器、若干个冷源设备控制器、若干个信息采集模块、空气断路器和直流电源；所述主控制器通过RS485集线器与冷源设备控制器、信息采集模块相连；所述空气断路器经直流电源与RS485集线器、若干个冷源设备控制器、若干个信息采集模块相连。

所述信息采集模块输入端口包括铂电阻输入端口、模拟量输入端口和通讯端口；其中铂电阻输入端口与安装在冷源设备的冷冻水供水管、供水总管、回水总管上的水温传感器、以及冷却水供水总管、回水总管上的水温传感器相连，用于采集各个冷源设备的冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度信息；模拟量输入端口与安装在冷冻水回水总管以及冷却水回水总管上的流量计相连，用于采集冷冻水量和冷却水量信息。

所述冷源设备控制器输入端口包括数字量输入端口和模拟量输入端口，其中数字量输入端口与对应的冷源设备启动控制柜和电表相连，用于采集冷源设备启停信息和电量信息；模拟量输入端口与对应的冷源设备冷冻水回水管上安装的联动蝶阀相连，用于采集联动蝶阀的开度信息。

所述冷源设备控制器输出端口包括数字量输出端口和模拟量输出端口，其中数字量输出端口与机柜上的控制信号灯和冷源设备的启动控制柜相连，用于向机柜上的控制信号灯输出冷源设备的运行/故障指令，向冷源设备的启动控制柜输出启/停指令，模拟量输出端口与对应的冷源设备的冷冻水回水管上安装的联动蝶阀相连，用于向联动蝶阀输出开度指令。

本发明中，所述机柜上还安装有接线端子排和插座。

本发明中，一种基于所述的中央空调冷源高效匹配集成装置的控制方法，包含以下步骤：

步骤A：设定若干冷源设备的启停顺序：冷源设备的启停顺序设定依据经济性原则，按照不同负荷下，单位制冷量消耗的费用进行排序。

首先，根据冷源设备所消耗的能源种类(电、燃气、蒸汽和热水等)、使用地的能源价格(若是废热蒸汽、废热热水，能源价格相当于0)、冷源设备的平均运行效率，计算单位制冷量下，各台冷源设备所消耗的平均运行费用；具体每台冷源设备所消耗的平均费用计算如下：

1)不同冷源设备在单位制冷量1kW的能耗，即平均运行效率的倒数；

2)将不同冷源设备的能耗值分别乘以对应的能源价格，获得单位制冷量1kW所需消耗的平均费用；

其次，根据一天内负荷的变化趋势，在对应的负荷区间，通过利用不同冷源设备消耗费用多少的排序，设定不同容量冷源设备搭配运行；

最后根据各台冷源设备单位制冷量消耗的费用多少排序及不同负荷区间内，若干冷源设备的搭配原则，确定冷源设备的启停的先后顺序。

步骤B：若干冷源设备的负载率设定：根据空调系统的实时负荷值，利用各个冷源设备对应的联动蝶阀对运行的若干冷源设备进行负荷的分配，确保若干冷源设备的实时运行效率符合以下要求；所述每台冷源设备的负载率的设定如下：

首先，根据若干冷源设备在冷冻水供水温度7℃和冷却水供水温度32℃的设计工况下，不同负载率下的能效曲线，计算在负荷率为10％～100％中某一值情况下，若干冷源设备不同负载率搭配的实时运行效率；

然后，从上述不同负载率的若干冷源设备中选取出实时运行效率最高的一组；

最后，记录下不同负荷率时，最高实时运行效率的冷源设备负载率搭配；

步骤C：预先设定冷冻水回水温度：将空调系统服务时段进行划分，并对每个时段的回水温度进行预先设定；针对建筑中的舒适性空调，可依据以下若干条件进行设定：

1)当室外环境温度低于26℃时，将回水温度提升到14℃以上，

2)当空调系统负荷率低于50％，将回水温度提升到14℃以上；

步骤D：自适应模糊预测控制：是为了实现在不同负荷下，若干冷源设备的实际负载率和回水温度实际值能满足设定要求；自适应模糊预测控制具体包括确定模型结构和预测控制表修正：

1)确定模型结构：利用模糊测辨系统方法，根据运行的冷源设备控制输入冷冻水回水温度偏差U和输出冷冻水流量Y数据来测辨系统的模型结构；

首先，将输入、输出值模糊化：即将输入、输出的数据转化为对应的模糊集合；

其次，设定模型结构为[U(t-m),Y(t-n),Y(t)]，即影响t时刻冷冻水流量Y两个因素为t-m时刻的冷冻水回水温度偏差和t-n时刻的冷冻水流量；

其中，时间t、m、n的单位符号为s，冷源设备控制输入冷冻水回水温度偏差U的单位符号为K，输出冷冻水流量Y的单位符号为m³/h；

最后，利用历史数据，统计不同m、n值下，Y(t)和U(t-m)、Y(t)和Y(t-n)的关联情况；通过建立Y(t)和U(t-m)的关联表和Y(t)和Y(t-n)的关联表，其中Y(t)和U(t-m)的关联表中首行为Y(t)的模糊集，首列是U(t-m)的模糊集，若统计的相同规则计算数目85％以上出现在关联表的对角线上，则表示关联密切，m值即为所求值；其中Y(t)和Y(t-n)的关联表中首行为Y(t)的模糊集，首列是Y(t-n)的模糊集，若统计的相同规则计算数目85％以上出现在关联表的对角线上，则表示关联密切，n值即为所求值；

2)预测控制表修正：利用上述求得的m，n值，获得1个初始的模糊预测控制表；其中模糊控制表首行为Y(t-n)的模糊集，首列是U(t-m)的模糊集，表中其余值为对应Y(t-n)、U(t-m)，所输出的预测值Y(t)的模糊集。在实际应用中，当实测值不等于预测值Y(t)，即需要利用实测值对初始的模糊控制表进行自适应修正。通过将实测值转化到模糊论域，并替换初始的模糊控制表中的Y(t)值，形成新的预测控制表。并利用该模糊预测控制表对t时刻的冷冻水流量进行控制，确保不同负荷下，若干冷源设备的实际负载率和回水温度实际值可满足设定要求。

本发明中，所述负荷率为空调系统运行负荷与若干冷源设备的总制冷量的比值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

实时监控中央空调冷冻水、冷却水系统，通过合理优化控制若干冷源设备的蒸发温度、单台冷源设备运行的负载率，确保当前若干冷源设备以较高效率运行，而使中央空调整个系统效率为之最优。

附图说明

图1为本发明的中央空调冷源高效匹配集成装置内部布置图；

图2为本发明的中央空调冷冻水系统通讯图；

图3为本发明的中央空调冷却水系统通讯图；

附图标注：1、主控制器，2、RS485集线器，3、1#冷源设备控制器；4、2#冷源设备控制器，5、信息采集模块，6、空气断路器，7、直流电源，8、接线端子排，9、机柜，10、插座，11、1#冷源设备，12、2#冷源设备，13、联动蝶阀，14、联动蝶阀，15、水温传感器，16、水温传感器，17、水温传感器，18、水温传感器，19、流量计，20、水温传感器，21、水温传感器，22、流量计，23、1#冷源设备启动控制柜，24、电表，25、2#冷源设备启动控制柜，26、电表。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明实施例提供一种中央空调冷源高效匹配集成装置，其布局如图1所示：主要分上下两部分，在所述机柜9上侧装有主控制器1，在下侧被分隔成由上至下的五层；其中，第一层从左至右装有RS485集线器2、1#冷源设备控制器3、2#冷源设备控制器4；第二层装有2个信息采集模块5、2个空气断路器6、1个直流电源7；第三层和第四层为接线端子排8；第五层右侧安装插座10。

本发明实施例中的监测冷冻水系统的通讯图如图2所示：

在1#冷源设备11冷冻水供水管上装有水温传感器15，2#冷源设备12冷冻水供水管上装有水温传感器16，在供水总管上装有水温传感器17，在冷冻水回水总管上装有水温传感器18、流量计19。在1#冷源设备11冷冻水回水管上装有冷源设备联动蝶阀13，在2#冷源设备12冷冻水回水管上装有冷源设备联动蝶阀14。1#冷源设备11装有电表24，2#冷源设备12装有电表26。以上所述的水温传感器(15、16、17、18)连接至信息采集模块5的铂电阻输入端口、流量计19连接至信息采集模块5的模拟量输入端口。1#冷源设备控制器3的控制信号输出端连接冷源设备11的启动控制柜23和相应的联动蝶阀13。2#冷源设备控制器4的控制信号输出端连接冷源设备12的启动控制柜25和相应的联动蝶阀14。

本发明实施例的监测冷却水系统的通讯图如图3所示：

在冷源设备的冷却水供水总管装有水温传感器20，在冷却水回水总管装有水温传感器21和流量计22。所述的水温传感器20、21和流量计22连接至信息采集模块5的输入端。

机柜工作时，市电经由空气断路器6进入直流电源7，输出的24V电源为RS485集线器2、1#冷源设备控制器3、2#冷源设备控制器4和2个信息采集模块5供电。冷冻水、冷却水系统的相关运行参数输入信息采集模块5，冷源设备11的运行信息数字输入1#冷源设备控制器3，冷源设备12的运行信息数字输入2#冷源设备控制器4。1#冷源设备控制器3、2#冷源设备控制器4、信息采集模块5通讯连接RS485集线器2，所述RS485集线器2通讯连接主控制器1。

当中央空调系统负荷发生变化时，信息采集模块5采集的冷冻水系统及冷却水系统的运行信息，1#冷源设备控制器3采集1#冷源设备11的运行信息、2#冷源设备控制器4采集2#冷源设备12的运行信息。

通过RS485集线器2将信息传递给主控制器1，主控制器1根据中央空调冷源高效匹配集成方法，经计算后，将冷源设备(11、12)启停及其相应联动蝶阀(13、14)的指令通过RS485集线器2下发给1#冷源设备控制器3和2#冷源设备控制器4。1#冷源设备控制器3和2#冷源设备控制器4将指令输出给相应的冷源设备(11、12)的启动控制柜(23、25)及其联动蝶阀(13、14)。

本发明实施例中还提供一种基于所述中央空调冷源高效匹配集成装置的控制方法，包含以下步骤：

步骤A：设定若干冷源设备的启停顺序：冷源设备的启停顺序设定依据经济性原则，按照不同负荷下，单位制冷量消耗的费用进行排序。

首先，根据冷源设备所消耗的能源种类(电、燃气、蒸汽和热水等)、使用地的能源价格(若是废热蒸汽、废热热水，能源价格相当于0)、冷源设备的平均运行效率，计算单位制冷量下，各台冷源设备所消耗的平均运行费用；具体每台冷源设备所消耗的平均费用计算如下：

1)不同冷源设备在单位制冷量1kW的能耗，即平均运行效率的倒数；

2)将不同冷源设备的能耗值分别乘以对应的能源价格，获得单位制冷量1kW所需消耗的平均费用；

其次，根据一天内负荷的变化趋势，在对应的负荷区间，通过利用不同冷源设备消耗费用多少的排序，设定不同容量冷源设备搭配运行；

最后根据各台冷源设备单位制冷量消耗的费用多少排序及不同负荷区间内，若干冷源设备的搭配原则，确定冷源设备的启停的先后顺序。

步骤B：若干冷源设备的负载率设定：根据空调系统的实时负荷值，利用各个冷源设备的对应的联动蝶阀对运行的若干冷源设备进行负荷的分配，确保当前运行的若干冷源设备的实时运行效率高。具体每台冷源设备的负载率的设定如下：

首先，根据若干冷源设备在设计工况(即冷冻水供水温度7℃和冷却水供水温度32℃)下，不同负载率下的能效曲线，计算在某一负荷率(运行负荷/若干冷源设备的总制冷量，取10组，10％、20％、30％～100％)下，若干冷源设备不同负载率搭配的实时运行效率，然后，从中选取实时运行效率最高的一组。最后，记录下不同负荷率(共10组)时，最高实时运行效率的冷源设备负载率搭配。

由于在实际运行时，冷源设备大部分时间都运行在非设计工况，其能效值会偏离设计能效值；但即使在非设计工况，能效曲线的形状也与设计工况下的能效曲线基本一致。所以可以认为在非设计工况，在某一负荷率下，按设计工况设定的若干冷源设备的负载率搭配也将获得最高实时运行效率。

步骤C：预先设定冷冻水回水温度：将空调系统服务时段进行划分，并对每个时段的回水温度进行预先设定。由于不同的建筑类型，空调的使用要求不同，可依据以下若干条件进行设定：

1)当室外环境温度低于26℃时，且建筑使用区域人员流动不密集，将回水温度提升到14℃以上；

2)当空调系统负荷率低于50％，且建筑使用区域无强制除湿要求，将回水温度提升到14℃以上；

具体的回水温度设定，可在实际运行中根据建筑类型、管理经验进行预先设定，修改。通过适当的提高回水温度，达到提高冷源设备蒸发温度(供水温度和回水温度的平均值)的要求。由于冷源设备的运行能效随着蒸发温度的提高而提高，因而提高回水温度，也相应的提高各台冷源设备的运行能效。

步骤D：自适应模糊预测控制：是为了实现在不同负荷下，若干冷源设备的实际负载率和回水温度实际值能满足设定要求。自适应模糊预测控制具体包括确定模型结构和预测控制表修正：

1)确定模型结构：利用模糊测辨系统方法，根据运行的冷源设备控制输入冷冻水回水温度偏差U和输出冷冻水流量Y数据来测辨系统的模型结构；

首先，将输入、输出值模糊化：即将输入、输出的数据转化为对应的模糊集合；

其次，设定模型结构为[U(t-m),Y(t-n),Y(t)]，即影响t时刻冷冻水流量Y两个因素为t-m时刻的冷冻水回水温度偏差和t-n时刻的冷冻水流量。

最后，利用历史数据，统计不同m、n值下，Y(t)和U(t-m)、Y(t)和Y(t-n)的关联情况。通过建立Y(t)和U(t-m)的关联表和Y(t)和Y(t-n)的关联表，其中Y(t)和U(t-m)的关联表中首行为Y(t)的模糊集，首列是U(t-m)的模糊集，若统计的相同规则计算数目基本出现在关联表的对角线上，则表示关联密切，m值即为所求值；其中Y(t)和Y(t-n)的关联表中首行为Y(t)的模糊集，首列是Y(t-n)的模糊集，若统计的相同规则计算数目基本出现在关联表的对角线上，则表示关联密切，n值即为所求值。

2)预测控制表修正：利用上述求得的m，n值，可获得1个初始的模糊预测控制表。其中模糊控制表首行为Y(t-n)的模糊集，首列是U(t-m)的模糊集，表中其余值为对应Y(t-n)、U(t-m)，所输出的预测值Y(t)的模糊集。在实际应用中，当实测值不等于预测值Y(t)，即需要利用实测值对初始的模糊控制表进行自适应修正。通过将实测值转化到模糊论域，并替换初始的模糊控制表中的Y(t)值，形成新的预测控制表。并利用该模糊预测控制表对t时刻的冷冻水流量进行控制，确保不同负荷下，若干冷源设备的实际负载率和回水温度实际值可满足设定要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种中央空调冷源高效匹配集成装置，包括一个机柜，其特征在于，所述机柜上安装有主控制器、RS485集线器、多个冷源设备控制器、多个信息采集模块、空气断路器和直流电源；所述主控制器通过RS485集线器与冷源设备控制器、信息采集模块相连；所述空气断路器经直流电源与RS485集线器、多个冷源设备控制器、多个信息采集模块相连；

所述信息采集模块输入端口包括铂电阻输入端口、模拟量输入端口和通讯端口；其中铂电阻输入端口与安装在冷源设备的冷冻水供水管、供水总管、回水总管上的水温传感器以及冷却水供水总管、回水总管上的水温传感器相连，用于采集各个冷源设备的冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度信息；模拟量输入端口与安装在冷冻水回水总管以及冷却水回水总管上的流量计相连，用于采集冷冻水量和冷却水量信息；

所述冷源设备控制器输入端口包括数字量输入端口和模拟量输入端口，其中数字量输入端口与对应的冷源设备启动控制柜和电表相连，用于采集冷源设备启停信息和电量信息；模拟量输入端口与对应的冷源设备冷冻水回水管上安装的联动蝶阀相连，用于采集联动蝶阀的开度信息；

所述冷源设备控制器输出端口包括数字量输出端口和模拟量输出端口，其中数字量输出端口与机柜上的控制信号灯和冷源设备的启动控制柜相连，用于向机柜上的控制信号灯输出冷源设备的运行或故障指令，向冷源设备的启动控制柜输出启或停指令；模拟量输出端口与对应的冷源设备的冷冻水回水管上安装的联动蝶阀相连，用于向联动蝶阀输出开度指令。

2.根据权利要求1中所述的中央空调冷源高效匹配集成装置，其特征在于，所述机柜上还安装有接线端子排和插座。

3.一种基于权利要求1中所述的中央空调冷源高效匹配集成装置的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A：设定若干冷源设备的启停顺序：冷源设备的启停顺序设定依据经济性原则，按照不同负荷下，单位制冷量消耗的费用进行排序；

首先，根据冷源设备所消耗的能源种类、使用地的能源价格、冷源设备的平均运行效率，计算单位制冷量下，各台冷源设备所消耗的平均运行费用；具体每台冷源设备所消耗的平均费用计算如下：

1)计算不同冷源设备在单位制冷量1kW的能耗，即平均运行效率的倒数；

2)将不同冷源设备的能耗值分别乘以对应的能源价格，获得单位制冷量1kW所需消耗的平均费用；

其次，根据一天内负荷的变化趋势，在对应的负荷区间，通过利用不同冷源设备消耗费用多少的排序，设定不同容量冷源设备搭配运行；

最后根据各台冷源设备单位制冷量消耗的费用多少排序及不同负荷区间内，若干冷源设备的搭配原则，确定冷源设备的启停的先后顺序；

步骤B：若干冷源设备的负载率设定：根据空调系统的实时负荷值，利用各个冷源设备对应的联动蝶阀对运行的若干冷源设备进行负荷的分配，确保若干冷源设备的实时运行效率符合以下要求；所述每台冷源设备的负载率的设定如下：

首先，根据若干冷源设备在冷冻水供水温度7℃和冷却水供水温度32℃的设计工况下，不同负载率下的能效曲线，计算在负荷率为10％～100％中某一值情况下，若干冷源设备不同负载率搭配的实时运行效率；

然后，从上述不同负载率的若干冷源设备中选取出实时运行效率最高的一组；

最后，记录下不同负荷率时，最高实时运行效率的冷源设备负载率搭配；

步骤C：预先设定冷冻水回水温度：将空调系统服务时段进行划分，并对每个时段的回水温度进行预先设定；针对建筑中的舒适性空调，依据以下条件进行设定：

1)当室外环境温度低于26℃时，将回水温度提升到14℃以上；

2)当空调系统负荷率低于50％，将回水温度提升到14℃以上；

步骤D：自适应模糊预测控制：是为了实现在不同负荷下，若干冷源设备的实际负载率和回水温度实际值能满足设定要求；自适应模糊预测控制具体包括确定模型结构和预测控制表修正：

1)确定模型结构：利用模糊测辨系统方法，根据运行的冷源设备控制输入冷冻水回水温度偏差U和输出冷冻水流量Y数据来测辨系统的模型结构；

首先，将输入、输出值模糊化：即将输入、输出的数据转化为对应的模糊集合；

其次，设定模型结构为[U(t-m),Y(t-n),Y(t)]，即影响t时刻冷冻水流量Y两个因素为t-m时刻的冷冻水回水温度偏差U(t-m)和t-n时刻的冷冻水流量Y(t-n)；

其中，时刻t、m、n的单位符号为s，冷源设备控制输入冷冻水回水温度偏差U的单位符号为K，输出冷冻水流量Y的单位符号为m³/h；

最后，利用历史数据，统计不同m、n值下，Y(t)和U(t-m)、Y(t)和Y(t-n)的关联情况；通过建立Y(t)和U(t-m)的关联表和Y(t)和Y(t-n)的关联表，其中Y(t)和U(t-m)的关联表中首行为Y(t)的模糊集，首列是U(t-m)的模糊集，若统计的相同规则计算数目85％以上出现在关联表的对角线上，则表示关联密切，m值即为所求值；其中Y(t)和Y(t-n)的关联表中首行为Y(t)的模糊集，首列是Y(t-n)的模糊集，若统计的相同规则计算数目85％以上出现在关联表的对角线上，则表示关联密切，n值即为所求值；

2)预测控制表修正：利用上述求得的m，n值，获得1个初始的模糊预测控制表；其中模糊预测控制表首行为Y(t-n)的模糊集，首列是U(t-m)的模糊集，表中其余值为对应Y(t-n)、U(t-m)，所输出的预测值Y(t)的模糊集。

4.根据权利要求3中所述的控制方法，其特征在于，所述负荷率为空调系统运行负荷与若干冷源设备的总制冷量的比值。