CN104566764A - 中央空调整体节能控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中央空调整体节能控制装置，其特征在于，包括中央空调***各设备及其管路，检测设备，执行设备，数据采集与控制设备，工控机。检测设备用于检测中央空调各设备的运行和环境数据；执行设备，用于执行控制指令使中央空调各设备按指令运行；数据采集与控制设备用于采集中央空调的运行数据和环境数据；工控机，用于对采集到的运行数据和环境数据进行处理，并将数据处理结果发送给数据采集与控制设备。本发明的中央空调整体节能控制装置，采集中央空调的运行数据和环境数据，生成并更新结构统一的预测模型，准确的反映各设备当前性能。可以在满足中央空调水***和风***平衡的基础上实现对中央空调的整体节能优化。

Description

中央空调整体节能控制装置
技术领域
本发明涉及节能控制，特别是中央空调整体节能控制装置。
背景技术
随着社会经济的发展，建筑能耗在整个社会总能耗中所占的比例越来越高，达到了30%左右，而在整个建筑能耗中，中央空调能耗占到了约40%～50%，因此充分挖掘中央空调***节能空间，不仅可以带来巨大的节能收益，同时也有利于实现当前日益艰巨的节能减排目标。
目前中央空调***的设计多根据设计日负荷来进行选型计算，而设计日负荷基本接近全年最大负荷，根据这一设计工况所选择的中央空调设备在全年运行中往往大部分时间处于部分负荷工况，不仅设备可能在低负荷工况出现不利的运行工况，而且整个中央空调***的自身能耗也会增加。
常规的中央空调自控***主要针对不同的设备，如冷水机组、水泵、冷却塔及空调箱，分别进行控制，一方面由于控制手段单一，不仅无法保证单一设备组的整体能效，另一方面，这种传统的控制方式无法反映***里不同设备之间的相互影响，有可能导致某一设备节能的同时，整个空调***的能耗出现大幅增加。
此外，现有的基于预测模型的中央空调节能控制方法及***，存在预测模型复杂、缺乏通用性、更新方式粗糙、缺乏统一的控制***等问题，都属于局部的节能控制，且大多数的预测模型没有办法完全考虑***延迟、设备性能在长期使用后出现衰减或性能偏移的问题。
发明内容
本发明的目的，是为了克服现有技术的不足，提供一种中央空调整体节能控制装置，能够最大限度在符合中央空调各设备的现有性能的基础上，调整中央空调各设备的运行状态，从而使中央空调始终处于最节能和最可靠的运行状况中。
为实现以上目的，本发明通过以下的技术方案实现：
中央空调整体节能控制装置，其特征在于：包括
中央空调***各设备及其管路；
检测设备；
执行设备；
数据采集与控制设备；
工控机；
检测设备安装在中央空调***各设备的相应位置，用于检测中央空调各设备的运行数据和环境数据，并将运行数据和环境数据传送给与其通讯连接的数据采集与控制设备；执行设备，与中央空调***相应设备电连接，用于执行来自数据采集与控制设备的控制指令使中央空调相应设备按指令运行；数据采集与控制设备，与检测设备通讯连接，用于采集检测设备检测到中央空调各设备的运行数据和环境数据，与工控机通讯连接，将采集到的运行数据和环境数据发送给工控机，并接收工控机发送的数据处理结果，转为执行设备可以执行的指令，同时与执行设备通讯连接，将指令传送给执行设备；工控机，与数据采集与控制设备通讯连接，用于按照预测模型对采集到的运行数据和环境数据进行处理，并将数据处理结果发送给数据采集与控制设备。
优选地是，所述的中央空调各设备包括，冷却塔、冷却水泵、自带通讯单元和控制单元的冷水机组、冷冻水泵、表冷器、和空端末端风机及电动风阀，以及与各用电设备一一连接的智能电表。
优选地是，所述的检测设备包括水温传感器、水流量传感器、温湿度传感器、压差传感器、和风量传感器。
优选地是，所述的水温传感器分别安装在冷冻水和冷却水的供、回水管路上，用于检测冷冻水和冷却水的供、回水温度；所述水流量传感器分别安装在冷冻水总管和冷却水总管上，用于检测冷冻水和冷却水的流量；所述的压差传感器安装在冷冻水供水管和冷冻水回水管之间的连通管路上，用于检测冷冻水供回水压差；若干温湿度传感器分别安装在空调末端的送风管路、排风管路以及室内外环境中，用于检测所在位置空气的温度和相对湿度，风量传感器安装在送风管路内，用于检测中央空调的送风量。
优选地是，所述的数据采集与控制装置包括可编程控制器与串口服务器。
优选地是，所述的可编程控制器采集检测设备检测到的中央空调的运行数据和环境数据，串口服务器采集冷水机组及智能电表的运行数据。
优选地是，所述的执行设备包括若干变频器。
优选地是，所述的若干变频器分别与冷却塔风机、冷却水泵、冷冻水泵、空调末端风机电连接，用于调节各设备的转速。
优选地是，还包括冷水机组开关量阀、冷却水调节阀、冷冻水调节阀、冷冻水旁通阀，所述的冷水机组开关量阀分别安装在冷水机组冷冻水出水管路和冷却水进水管路上，用于在冷水机组运行时开放水路，在冷水机组运行停止时关闭水路；冷却水旁通阀安装在冷却水供回水总管之间的连通管路上，用于调节冷却水的温度；、冷冻水旁通阀安装冷却水供回总管之间的连通管路上，用于调节冷冻水供水压力，冷冻水调节阀用于调节冷冻水的流量。
本发明中的中央空调整体节能控制装置，采集各设备及运行环境的运行数据，基于***辨识技术生成和更新结构统一的、通用的各设备及运行环境的预测模型，可以在线不断逼近各设备和运行环境的实际运行特性，即使对使用时间较长、出现性能衰减、性能偏移的设备也可以准确预测。同时还引入了中央空调水***平衡和热质平衡制约条件参与预测，达到从整体上优化工况的目的。本发明的中央空调整体节能控制***，基于上述预测模型和预测方法可以实现对中央空调水***和风***的全局节能控制，可以在准确地反映各设备当前性能的基础上实现对中央空调的整体节能优化，避免出现单一设备能耗降低，中央空调整体能耗上升的情形，真正实现空调***整体优化。
附图说明
图1为本发明的中央空调节能控制装置的结构示意图
图2为本发明的中央空调节能控制装置的工作原理图
图3为本发明的表冷器预测模型算法硬件装置示意图
具体实施方式
下面结合附图对发明进行详细描述：
如图1所示，中央空调***一般分为水***和风***，水***包括冷水机组91、冷冻水泵92、冷却水泵93、冷却塔94及封闭的水循环连接管路。风***包括空调末端风机95、表冷器96、电动风阀19及送风管路98和排风管路97。智能电表5分别与冷水机组91、冷冻水泵92、冷却水泵93、冷却塔94、空调末端风机95电连接，可实时显示上述设备的功率。
在中央空调***制冷过程中，冷水机组91制备一定温度的冷冻水，低温的冷冻水经由水循环连接管路输送至风***的表冷器96，与送风进行热交换。空调末端风机95根据室内温度和湿度的实际需要，控制送风量，即冷量。冷冻水经与送风热交换后温度上升，由冷冻水泵92泵入冷水机组，再经冷水机组91重新制冷，循环使用。冷水机组91在工作中产生的热量由循环冷却水吸收，冷却水从室外的冷却塔94经冷却水泵92泵入冷水机组91，吸收冷水机组91工作中产生的热量，再回流至室外的冷却塔94，与室外大气进行热交换，最终散发到大气环境中。
图1中所示的L1为送风走向：室外新风进入送风管路，与排风管路内的一部份回风混合，形成混风，混风经表冷器，与冷冻水进行热交换，发生温湿度的改变，由空调末端风机以一定风量送入室内房间，形成送风；L2为回风走向：室内房间的空气进入排风管路，一部份经由排风管路与送风管路之间的连接管路与送风管路内的新风混合，其余部份从排风管出口处排到室内大气。
如图1、图2、图3所示本发明中的中央空调整体节能控制装置包括：检测装置、数据采集与控制装置以及工控机1和执行装置。
检测装置包括水温传感器10，流量传感器11，室外温湿度传感器12和风***温湿度传感器13，冷冻水压差传感器14，风量传感器20。其中水温传感器10包括第一水温传感器101、第二水温传感器102、第三水温传感器103、第四水温传感器104；第一水温传感器101安装冷冻水回水总管915外壁上，用于检测冷冻水的回水温度Tchwr，第二水温传感器102安装在冷冻水供水总管916外壁上，用于检测冷冻水供水温度Tchws,第三水温传感器103安装在冷却水回水总管外壁上，用于检测冷却水回水温度Tcwr，第四水温传感器104安装在冷却水供水管外壁上，用于检测冷却水供水温度Tcws；其中的流量传感器11包括第一流量传感器111，第二流量传感器112，第一流量传感器111冷冻水供水总管的直管段，用于检测冷冻水流量第二流量传感器112安装冷却水供水总管的直管段，用于检测冷却水流量流量mcw；其中的风***温湿度传感器13包括送风温湿度传感器131、回风温湿度传感器132，混风温湿度传感器133，和室内温湿度传感134，送风温湿度传感器131安装在送风管98内靠近风机95出口的管路内，用于检测送风的干湿球温度和相对湿度，通过计算可获得送风焓值hs，回风温湿度传感器132安装在排风管97的中部，用于检测回风的干湿球温度和相对湿度，通过计算可获得回风焓值；混风温湿度传感器133安装在送风管97靠近表冷器96的部位，用于检测混风，也即表冷器进风的干湿球温度和相对湿度，通过计算可获得表冷器进风焓值，室内温湿度传感器134安装在空调房间的相应位置，用于检测室内干湿球温度和相对湿度；室外温湿度传感器12安装于靠近冷却塔94进风口的位置，用于检测室外空气的干湿球温度和相对湿度；冷冻水压差传感器14的两端分别安装在冷冻水供水总管和回水总管上，用于监测中央空调***的工作压力，保证***在安全范围运行。风量传感器20安装送风管98的管路中，用于检测送风量所有的传感器均与可编程控制器2通讯连接，可编程控制器2采集所有的数据传输到工控机1。冷水机组91自带的通讯单元（图中未示出）用于读取冷水机组91内部运行参数，包括冷凝器冷媒压力和温度、蒸发器冷媒压力和温度、电流百分比、进出蒸发器的冷冻水温度，进出冷凝器的冷却水温度及开关控制量和运行状态（如加载、故障和运行等），并将上述数据传送给与其通讯连接的串口服务器3，由串口服务器3将上述数据传输到工控机1。
数据采集与控制装置包括可编程控制器2和串口服务器3，可编程控制器2与检测装置中的所有的传感器通讯连接，用于采集各传感器检测到的所有数据。串口服务器3通过Modbus协议与冷水机组91的通讯部件和智能电表5通讯连接，用于采集冷水机组91的运行数据和中央空调各用电设备瞬时功率。可编程控制器2、串口服务器5分别与工控机相连接，可将采集到中央空调***的运行数据发送到工控机1，由工控机1对数据进行处理；可编程控制器2接受工控机1发送的数据运算结果，即最佳运行工况，编制程序分别控制与其通讯相连的执行装置和电动风阀19，执行该最佳运行工况。串口服务器5接受工控机1发送的数据运算结果中冷机的最佳运行工况，控制冷水机组91执行该最佳运行工况。
工控机1分别与可编程控制器2、串口服务器3通讯连接，接收可编程控制器2及串口服务器3采集到的运行数据，对运行数据进行筛选、组合、运算处理。在中央空调***实际运行过程中，按照预先设定的各设备预测模型和中央空调运行环境预测模型的结构，每隔1分钟将一组相关的（输入、输出向量的）实时运行数据存入数据库中。利用数据库中的数据以15分钟为一个周期，对中央空调***各设备的预测模型进行辨识，同时调用辨识获得的最新的设备预见测模型以及调用中央空调运行环境预测模型预测获得的下一周期的冷负荷，以中央空调总能效比最大为目标，进行优化计算，预测得到中央空调各设备的最佳运行工况，并将最佳运行工况发送到可编程控制器2及串口服务器3，由可编程控制器2、串口服务器3控制执行装置执行该最佳运行工况。
执行装置包括冷水机组开关量阀6，冷却水旁通阀7，冷冻水调节阀8，冷冻水旁通阀9，冷冻水泵变频器15，冷却水泵变频器16，冷却塔风机变频器17，空调末端风机变频器18。
若干冷水机组开关量阀6与可编程控制器2通讯连接分别安装冷水机组冷冻水出水管911和冷却水进水管912的管路上，用于在冷水机组停机时隔断水路；冷却水旁通阀7与可编程控制器2通讯连接，安装在冷却水供、回水总管之间的连通管路913上，用于调节冷却水回水温度（进冷却塔的水温），保证冷却塔的安全运行。冷冻水旁通阀安装冷冻水供回总管之间的连通管路914上，用于调节中央空调***的水***的工作压力，保证***在安全范围运行。冷冻水调节阀8与可编程控制器2通讯连接，安装在冷冻水管靠近表冷器96的管路上，用于控制进入表冷器的冷冻水流量
冷冻水泵变频器15，冷却水泵变频器16，冷却塔风机变频器17，空调末端风机变频器18通过Modbus485协议与可编程控制器2通讯连接，同时分别与冷冻水泵92、冷却水泵93、冷却塔风机941、空调末风机95电连接，用于接受可编程控制器2的指令控制冷冻水泵92、冷却水泵93、冷却塔风机941、空调末端风机95的转速，满足中央空调***的最佳运行工况。新风阀191，回风阀192、排风阀193分别与可编程控制器2通讯相连，其中新风阀191安装在中央空调风***的新风的进口处、排风阀193安装在排风管路97的出口处上，回风阀192安装在排风管路97与送风管路98的通路上，用于控制空调末端的混风焓值，使用其满足最佳运行工况。

Claims (9)

1.中央空调整体节能控制装置，其特征在于：包括
中央空调***各设备及其管路；
检测设备；
执行设备；
数据采集与控制设备；
工控机；
检测设备安装在中央空调***各设备的相应位置，用于检测中央空调各设备的运行数据和环境数据，并将运行数据和环境数据传送给与其通讯连接的数据采集与控制设备；执行设备，与中央空调***相应设备电连接，用于执行来自数据采集与控制设备的控制指令使中央空调相应设备按指令运行；数据采集与控制设备，与检测设备通讯连接，用于采集检测设备检测到中央空调各设备的运行数据和环境数据，与工控机通讯连接，将采集到的运行数据和环境数据发送给工控机，并接收工控机发送的数据处理结果，转为执行设备可以执行的指令，同时与执行设备通讯连接，将指令传送给执行设备；工控机，与数据采集与控制设备通讯连接，用于按照预测模型对采集到的运行数据和环境数据进行处理，并将数据处理结果发送给数据采集与控制设备。
2.根据权利要求1所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的中央空调各设备包括，冷却塔、冷却水泵、自带通讯单元和控制单元的冷水机组、冷冻水泵、表冷器、和空调末端风机及电动风阀，以及与各用电设备一一连接的智能电表。
3.根据权利要求1或2所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的检测设备包括水温传感器、水流量传感器、温湿度传感器、压差传感器、和风量传感器。
4.根据权利要求3所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的水温传感器分别安装在冷冻水和冷却水的供、回水管路上，用于检测冷冻水和冷却水的供、回水温度；所述水流量传感器分别安装在冷冻水总管和冷却水总管上，用于检测冷冻水和冷却水的流量；所述的压差传感器安装在冷冻水供水管和冷冻水回水管之间的连通管路上，用于检测冷冻水供回水压差；若干温湿度传感器分别安装在空调末端的送风管路、排风管路以及室内外环境中，用于检测所在位置空气的温度和相对湿度，风量传感器安装在送风管路内，用于检测中央空调的送风量。
5.根据权利要求1所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的数据采集与控制装置包括可编程控制器与串口服务器。
6.根据权利要求5所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的可编程控制器采集检测设备检测到的中央空调的运行数据和环境数据，串口服务器采集冷水机组及智能电表的运行数据。
7.根据权利要求1所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的执行设备包括若干变频器。
8.根据权利要求7所述的中央空调整体节能控制装置，其特征在于，所述的若干变频器分别与冷却塔风机、冷却水泵、冷冻水泵、空调末端风机电连接，用于调节各设备的转速。
9.根据权利要求7所述的中央空调整体节能控制装置，其特性在于，还包括冷水机组开关量阀、冷却水调节阀、冷冻水调节阀、冷冻水旁通阀，所述的冷水机组开关量阀分别安装在冷水机组冷冻水出水管路和冷却水进水管路上，用于在冷水机组运行时开放水路，在冷水机组运行停止时关闭水路；冷却水旁通阀安装在冷却水供回水总管之间的连通管路上，用于调节冷却水的温度；、冷冻水旁通阀安装冷却水供回总管之间的连通管路上，用于调节冷冻水供水压力，冷冻水调节阀用于调节冷冻水的流量。
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