CN105352109A - 基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***及方法，***包括上位机、末端控制器、送风温度控制器、新风控制器、新风阀、室外温度传感器、室内温度传感器、送风温度传感器、风速传感器、冷冻水阀、数据采集AI模块、数据采集AO模块、末端风阀、换热器、送风机和VAV？BOX。本发明的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法：在每种新风量设定值下，确定新风量对应拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量设定值存入拟合曲线数据库。将拟合曲线得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。本发明根据新风量变化、室内用户的需求、室外温度变化以及与***总能耗间的关系确定出不同新风量下最佳的送风温度设定值来运行，达到***实时能耗最小的目的。

Description

基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***及方法

技术领域

本发明属于变风量空调***领域，具体涉及变风量空调末端的节能控制，特别是一种基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***及方法。

背景技术

变风量空调***因***的室内空气品质良好、部分负荷时节能性优越以及区域控制灵活，广泛应用于各类办公、商业建筑中，但其又是现代楼宇的能耗大户。其通常是根据最大计算负荷来设计，采用固定送风温度而改变送风量的方式来满足用户需求，不能随室外温度的变化改变送风温度设定值。新风量的大小影响室内空气质量，影响***负荷的大小，同时也影响***能耗的大小。新风以稀释室内污染物浓度，使之达到用户可接受的浓度为标准。区域新风需求量与用户人数成正比，与送风量成正比。实际中，室外气候时刻在变化，直接影响新风负荷的大小。若不能根据室外温度的变化及时改变送风温度设定值来补偿送风温度，会造成室内过冷或过热现象，不能有效满足用户在多种气候条件下的用冷/热需求。由此可见，研究一种变风量空调的节能方案势在必行。

目前，中央空调***的气候补偿节能控制技术主要有两类：

第一类：通过调整冷水机组的运行参数，使中央空调***根据外部气候变化调节冷水机组冷冻水供水温度实现节能；具体是气候补偿控制器通过采集室内温度、室外温湿度、冷机运行状态参数，通过自寻优的算法寻找冷机的最佳工作点，并计算水***各设备的最佳工作频率，控制使之在最佳工作频率下运行，从而调整冷冻水供水温度，实现节能。例如：申请号为200810118088.1，名称为“中央空调气候补偿控制器和中央空调气候补偿方法”的中国专利申请。该申请中的方法虽然在一定程度上实现了水***的节能，但没有考虑室外气候变化对风***的影响。

第二类：通过在***供水管路上设置调节阀、调节阀通过执行器控制、执行器通过恒温控制器进行调节、恒温控制器上设置热信号端子，恒温控制器通过控制执行器的开度实现进水流量的调整从而控制供回水温差。例如：申请号为200910157033.6，名称为集成气候补偿的暖通回水温度控制节能方法的专利申请。该方法同样是只考虑了外部气候变化对水***的影响，未考虑对风***的影响。

发明内容

基于现有气候补偿节能控制技术仅考虑外部气候变化对水***的影响而未考虑对风***的影响，使得中央空调***节能效果差的问题，本发明的目的在于，提出一种基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***。

为了达到上述目的本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于变风量空调末端的节能控制***，包括上位机、末端控制器、送风温度控制器、新风控制器、新风阀、室外温度传感器、室内温度传感器、送风温度传感器、风速传感器、冷冻水阀、数据采集AI模块、数据采集AO模块、末端风阀、换热器、送风机和VAVBOX17。其中，上位机与末端控制器、送风温度控制器以及新风控制器相连；末端控制器的输入端分别与室内温度传感器、风速传感器的数据采集AI模块相连，末端控制器的输出端与末端风阀的数据采集AO模块相连；送风温度控制器的输入端与送风温度传感器的数据采集AI模块相连，送风温度控制器的输出端与冷冻水阀的数据采集AO模块相连；新风控制器的输入端与新风阀以及室外温度传感器的数据采集AI模块相连，新风控制器的输出端与新风阀的数据采集AO模块相连；室外温度传感器、室内温度传感器、送风温度传感器、风速传感器的电流型输出端分别与自身对应的数据采集AI模块的输入端相连；新风阀、冷冻水阀、末端风阀电压型输出端分别与自身对应的数据采集AI模块的输入端相连；末端风阀电压型输入端、冷冻水阀电流型输入端、新风阀电压型输入端分别与自身对应的数据采集AO模块的输出端相连；数据采集AI模块连接上位机及其对应的传感器，数据采集AO模块连接上位机及其对应的执行装置。

所述新风阀、室外温度传感器安装在新风入口风管处；末端风阀安装在VAVBOX内；室内温度传感器安装在末端房间内；送风温度传感器安装在送风管内；风速传感器安装在VAVBOX的风管内；冷冻水阀安装在换热器回水管路上。

本发明的另一个目的在于，提供一种基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在每种新风量的设定值下，确定每组室外温度、室内温度设定值和送风温度设定值的组合下***总耗电量最小值，并得到***总耗电量最小值所对应的送风温度设定值，作为最优送风温度设定值；将室外温度和室内温度设定值作为自变量，将最优送风温度设定值作为因变量，得到当前的新风量工况下对应的拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量设定值存入拟合曲线数据库。

步骤2：采集当前新风量，从拟合曲线数据库中找出与该新风量对应的拟合曲线；采集当前室外温度和室内温度设定值，并由拟合曲线得到送风温度设定值；将得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。

进一步的，具体步骤如下：

步骤11：判断当前新风量是否在设定范围内，是则执行步骤12，否则结束；

步骤12：判断当前室外温度是否在设定区间内，是则执行步骤13；否则执行步骤17；

步骤13：判断当前室内温度设定值是否在设定区间内，是则执行步骤14；否则执行步骤16；

步骤14：在每种送风温度设定值下，当***运行稳定时，采集***总耗电量，得到***总耗电量最小值所对应的送风温度设定值，作为最优送风温度设定值；执行步骤15；

步骤15：将室内温度设定值提高一个步长得到更新后的室内温度设定值；执行步骤13；

步骤16：将室外温度提高一个步长得到更新后的当前室外温度；执行步骤12；

步骤17：将室外温度和室内温度设定值作为自变量，将最优送风温度设定值作为因变量，得到当前新风量工况下对应的拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量存入拟合曲线数据库；执行步骤18；

步骤18：将当前新风量提高一个步长得到更新后的当前新风量；执行步骤11。

进一步的，所述步骤11中，所述新风量不小于总送风量的10％，即新风阀开度不小于10％。

进一步的，所述步骤13中，所述室内温度设定值的范围为18-21℃。

进一步的，所述步骤14中，所述送风温度设定范围为26-33℃。

进一步的，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤21：采集当前新风量，从拟合曲线数据库中找出与该新风量对应的拟合曲线；

步骤22：采集当前室外温度和室内温度设定值，将二者作为自变量代入步骤21中找到的曲线中，得到最优送风温度设定值。

步骤23：将得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。此时，***的总能耗显然处于最小值。

步骤24：判断预设的控制检测时间是否到达，若到达则重复以上执行步骤21-23。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的气候补偿调节介质为风，新风温度即为室外温度，新风量的大小直接影响***负荷的大小，也就影响***总能耗的大小，所以新风量对整个过程的影响非常大，同时新风量对室内环境品质有直接的影响。本发明中，上位机通过对当前新风量的大小、室外温度的连续监测及用户对室内温度的需求来确定当前最佳送风温度设定值，进而通过送风温度控制器控制水阀的开度，调节水流量，实现变风量空调***中送风温度与室外温度变化的自动气候补偿，达到送风温度随用户需冷/热量的变化而变化，实现按需供冷/热的目标，在保证供冷/热品质的同时实现节能。

2、已有的气候补偿方法是通过构筑建筑物冷消耗曲线与用户的设定温度，计算用户的需冷量，然后与冷水机组的工作效率曲线计算出冷机的有效工作点。在这过程中只处理了室外温度对水***的影响，而未考虑室外温度对风***的影响，及新风量对风***的影响。本发明根据新风量变化、室内用户的需求、室外温度变化以及与***总能耗间的关系，利用总能耗最小原则，确定出不同新风量下最佳的送风温度，本发明可用于楼宇自控的变风量空调***末端控制装置中。

3、传统的供暖***中的气候补偿器的调节量为供水温度，介质是水。空调***中的气候补偿器着重在于调节冷水机组的工作参数，而改变冷冻水供水温度，从而节约冷水机组的能耗，介质同样是水；而本发明的***中，气候补偿调节量为送风温度，通过调节冷冻水阀使之达到最优值，介质为风。

附图说明

图1为本发明的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***的结构示意图。

图2为本发明的上位机气候补偿信号传输图。

图3为本发明的控制方法的步骤1的流程图。

图4为本发明的控制方法的步骤2的流程图。

图5为本发明的末端控制结构图。

图6为本发明的送风温度控制结构图。

图7为本发明的送风温度--能耗关系图。

图8为本发明的气候补偿部分曲线图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

具体实施方式

本发明的用于变风量空调末端的节能控制***，包括上位机1、末端控制器2、送风温度控制器3、新风控制器4、新风阀5、室外温度传感器6、室内温度传感器7、送风温度传感器8、风速传感器9、冷冻水阀10、数据采集AI模块11、数据采集AO模块12、末端风阀13、换热器14、送风机15和VAVBOX16。其中，上位机1与末端控制器2、送风温度控制器3以及新风控制器4相连；换热器14和送风机15位于空气处理机组内；末端控制器2的输入端分别与室内温度传感器7、风速传感器9的数据采集AI模块11相连，末端控制器2的输出端与末端风阀13的数据采集AO模块12相连；送风温度控制器3的输入端与送风温度传感器8的数据采集AI模块11相连，送风温度控制器3的输出端与冷冻水阀10的数据采集AO模块12相连；新风控制器4的输入端与新风阀5以及室外温度传感器6的数据采集AI模块11相连，新风控制器4的输出端与新风阀5的数据采集AO模块12相连；室外温度传感器6、室内温度传感器7、送风温度传感器8、风速传感器9的电流型输出端分别与自身对应的数据采集AI模块11的输入端相连；新风阀5、冷冻水阀10、末端风阀13电压型输出端分别与自身对应的数据采集AI模块11的输入端相连；末端风阀13电压型输入端、冷冻水阀10电流型输入端、新风阀5电压型输入端分别与自身对应的数据采集AO模块12的输出端相连。

新风阀5、室外温度传感器6安装在新风入口风管处；末端风阀13安装在VAVBOX16内；室内温度传感器7安装在末端房间内；送风温度传感器8安装在送风管内；风速传感器9安装在VAVBOX16的风管内，用于检测进入房间的风量；冷冻水阀10安装在换热器回水管路上；换热器供回水管路连接换热器14以及水***17。室外温度传感器6、室内温度传感器7、送风温度传感器8、风速传感器9、新风阀5、冷冻水阀10和末端风阀13的信号，分别通过数据采集AI模块11和数据采集AO模块12将数据上传至计算机；所有传感器检测到的参数、执行器位置、控制信号等数据可通过OPC技术实现数据共享；数据信息可通过上位机进行实时监控，并同时与末端控制器2、送风温度控制器3、新风控制器4共享。

上位机中加载有气候补偿曲线数据库，该数据库内存储不同新风量工况下、不同室外温度、不同室内温度设定值下的最佳送风温度设定值曲线，上位机根据当前新风量判定选择哪条曲线，再根据室内温度设定值与室外温度确定当前最佳送风温度设定值。

新风控制器4用于根据实际需求调节新风阀开度给定新风量；送风温度控制器3用于根据气候补偿曲线数据库所确定的最佳送风温度设定值，给出控制信号来调节冷冻水阀10的开度，从而使送风温度达到设定值；末端控制器2包括外环温度控制器与内环风量控制器，温度控制器根据室内温度设定值与由室内温度传感器检测到的房间实际温度的差值给定风量设定值；风量控制器根据温度控制器的输出与由风速传感器11检测到的房间实际送风量的差值，控制末端风阀13的开度，调节末端风阀的输出风量，实现末端房间温度的调节。

图1为基于气候补偿的变风量空调末端***结构示意图，图2为本发明上位机气候补偿信号传输图。

本发明的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法包括如下步骤：

步骤1：在每种新风量的设定值下，确定每组室外温度、室内温度设定值和送风温度设定值的组合下***总耗电量最小值，并得到***总耗电量最小值所对应的送风温度设定值，作为最优送风温度设定值；将室外温度和室内温度设定值作为自变量，将最优送风温度设定值作为因变量，得到当前的新风量工况下对应的拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量设定值存入拟合曲线数据库。具体步骤如下：

步骤11：判断当前新风量是否在设定范围内，是则执行步骤12，否则结束。

可选的，上述判断当前新风量是否在设定范围内在本发明中指：判断新风量是否不小于总送风量的10％(即新风阀开度不小于10％)。新风阀的开度由其对应的数据采集AI模块测得。新风量根据GB-5073b-2012《采暖通风与空气调节设计规范》设置，不同环境下要求不同，不小于总送风量的10％。

步骤12：判断当前室外温度是否在设定区间内，是则执行步骤13；否则，执行步骤17；

根据《建筑气候分区》的规定，以中国西北地区为例，冬季工况下，室外温度范围为-10～15℃，极端最低气温在-20～-30℃之间；夏季工况下，上述室外温度的范围为18～28℃，极端最高气温35～44℃。

步骤13：判断当前室内温度设定值是否在设定区间内，是则执行步骤14；否则执行步骤16；

可选的，上述室内温度设定值的范围为18～21℃。(此处为冬季工况民用建筑舒适度等级为II级所对应的室内温度范围，根据GB-5073b-2012《采暖通风与空气调节设计规范》设置。)

步骤14：在每种送风温度设定值下，当***运行稳定时，采集***总耗电量，得到***总耗电量最小值所对应的送风温度设定值，作为最优送风温度设定值；执行步骤15；

可选的，上述送风温度设定范围根据GB-5073b-2012《采暖通风与空气调节设计规范》中舒适性空调房间的最大送风温差不宜大于10℃设定，设定范围为26～33℃。

步骤15：将室内温度设定值提高一个步长得到更新后的室内温度设定值；执行步骤13；

步骤16：将室外温度提高一个步长得到更新后的当前室外温度；执行步骤12。

步骤17：将室外温度和室内温度设定值作为自变量，将最优送风温度设定值作为因变量，得到当前新风量工况下对应的拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量存入拟合曲线数据库；执行步骤18；

步骤18：将当前新风量提高一个步长得到更新后的当前新风量；执行步骤11。

因此，每种新风量工况下均对应得到一个拟合曲线，该拟合曲线代表了室外温度和室内温度设定值与送风温度设定值的线性关系，从而接下来即能够实现在每种新风量工况下，根据室外温度和室内温度设定值得到一个送风温度设定值，使用该送风温度设定值控制***运行，则显然能够保证***运行的能耗始终最低。

步骤1的流程图如图3所示。

步骤2：采集当前新风量，从拟合曲线数据库中找出与该新风量对应的拟合曲线；采集当前室外温度和室内温度设定值，并由拟合曲线得到送风温度设定值；将得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。具体步骤如下：

步骤21：采集当前新风量，从拟合曲线数据库中找出与该新风量对应的拟合曲线；

步骤22：采集当前室外温度和室内温度设定值，将二者作为自变量代入步骤21中找到的曲线中，得到送风温度设定值。

步骤23：将得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。此时，***的总能耗显然处于最小值。

步骤24：判断预设的控制检测时间是否到达，若到达则重复以上执行步骤21-23。

步骤2的流程图如图4所示。

实施例

以下是本发明的方法的一个实施例，给出该实施例的目的是为了更清楚地说明本发明的具体实施方式，本发明所要保护的范围不限于该实施例。

步骤11中设定新风量为最小新风量(即设定新风阀开度为10％)，步骤12中采集当前室外温度，步骤13中给定室内温度设定值为19℃，室内温度通过末端控制回路控制，如图5；步骤14中，送风温度设定值在26-29℃范围内变化，送风温度通过送风温度控制回路控制，如图6。图6中，温度控制器和风量控制器集成在一块组成末端控制器。***闭环稳定运行之后，得到具体室外温度值下(室外温度为0℃)送风温度设定值与***总能耗关系曲线如图7。图7中，随送风温度设定值的增加，***的总耗能最小值点所对应的送风温度设定值即为该工况下的最优送风温度设定值。本实验***中，最优送风温度设定值***总能耗比最高点节能35.5％。室外温度范围为-1～3℃，室内设定值为19℃时，按照步骤17得到如图8所示的拟合曲线：y＝1.3923x₁+0.5594x₂，其中，x₁为室内温度设定值，x₂为室外温度，y为最优送风温度设定值。

上述室内温度设定值由末端房间控制面板设定，本发明所采用的实验***末端为压力无关型，室内温度由末端控制回路双闭环控制，控制回路如图5，主环为温度控制回路，副环是风量控制回路。温度控制器的输入为室内温度设定值与由室内温度传感器检测到的室内实际温度的差值，输出为风量设定值；风量控制器的输入为温度控制器的输出与由风量传感器检测到的房间实际送风量的差值，输出为末端风阀的开度，通过调节末端风阀的输出风量(即送入房间的风量)，实现末端房间温度的调节。

上述送风温度由送风温度控制回路控制，如图6所示，其控制原理是以送风温度设定值与送风温度传感器测量到的实际送风温度的差值作为送风温度控制器的输入，通过调节***中冷冻水阀的开度改变换热器的水流量实现对送风温度的控制。

综合不同时间段对室内温度的不同要求，在气候补偿曲线数据库内预设定不同新风量下，室外温度、室内温度设定值、最优送风温度设定值曲线，使控制***送风温度设定值在不同末端用户条件下随室外温度变化。从而满足不同室外温度、不同时间段室温的要求，做到分时制热、按需制热，达到舒适、节能的目的。

中央空调制冷/制热期间，因各种条件的变化，气候的变化不是很有规律，上位机根据当前新风量确定对应曲线，室外温度传感器实时采集室外温度，将此温度信号传输至上位机，上位机根据室外温度及用户的室内温度设定值，在气候补偿数据库中寻找此时的送风温度设定值；送风温度控制器根据其送风温度设定值与实际送风温度的偏差来调节冷冻水阀开度，改变换热器的水流量，实现对送风温度的控制，以补偿室外温度变化的影响，获得最佳舒适度和最小能源消耗。

本发明的气候补偿方法采用实际工程中***测试时数据库中的信息进行统计分析，随***运行时间累加可逐渐丰富数据库。

Claims (7)

1.一种基于气候补偿的变风量空调末端温度控制***，其特征在于，包括上位机、末端控制器、送风温度控制器、新风控制器、新风阀、室外温度传感器、室内温度传感器、送风温度传感器、风速传感器、冷冻水阀、数据采集AI模块、数据采集AO模块、末端风阀、换热器、送风机和VAVBOX。

其中，上位机与末端控制器、送风温度控制器以及新风控制器相连；末端控制器的输入端分别与室内温度传感器、风速传感器的数据采集AI模块相连，末端控制器的输出端与末端风阀的数据采集AO模块相连；送风温度控制器的输入端与送风温度传感器的数据采集AI模块相连，送风温度控制器的输出端与冷冻水阀的数据采集AO模块相连；新风控制器的输入端与新风阀以及室外温度传感器的数据采集AI模块相连，新风控制器的输出端与新风阀的数据采集AO模块相连；室外温度传感器、室内温度传感器、送风温度传感器、风速传感器的电流型输出端分别与自身对应的数据采集AI模块的输入端相连；新风阀、冷冻水阀、末端风阀电压型输出端分别与自身对应的数据采集AI模块的输入端相连；末端风阀电压型输入端、冷冻水阀电流型输入端、新风阀电压型输入端分别与自身对应的数据采集AO模块的输出端相连；数据采集AI模块和数据采集AO模块连接上位机；

所述新风阀、室外温度传感器安装在新风入口风管处；末端风阀安装在VAVBOX内；室内温度传感器安装在末端房间内；送风温度传感器安装在送风管内；风速传感器安装在VAVBOX的风管内；冷冻水阀安装在换热器回水管路上。

2.一种基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在每种新风量的设定值下，确定每组室外温度、室内温度设定值和送风温度设定值的组合下***总耗电量最小值，并得到***总耗电量最小值所对应的送风温度设定值，作为最优送风温度设定值；将室外温度和室内温度设定值作为自变量，将最优送风温度设定值作为因变量，得到当前的新风量工况下对应的拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量设定值存入拟合曲线数据库。

步骤2：采集当前新风量，从拟合曲线数据库中找出与该新风量对应的拟合曲线；采集当前室外温度和室内温度设定值，并由拟合曲线得到送风温度设定值；将得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。

3.如权利要求2所述的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤11：判断当前新风量是否在设定范围内，是则执行步骤12；否则结束。

步骤12：判断当前室外温度是否在设定区间内，是则执行步骤13；否则，执行步骤17；

步骤13：判断当前室内温度设定值是否在设定区间内，是则执行步骤14；否则执行步骤16；

步骤14：在每种送风温度设定值下，当***运行稳定时，采集***总耗电量，得到***总耗电量最小值所对应的送风温度设定值，作为最优送风温度设定值；执行步骤15；

步骤15：将室内温度设定值提高一个步长得到更新后的室内温度设定值；执行步骤13；

步骤16：将室外温度提高一个步长得到更新后的当前室外温度；执行步骤12；

步骤17：将室外温度和室内温度设定值作为自变量，将最优送风温度设定值作为因变量，得到当前新风量工况下对应的拟合曲线；将拟合曲线及其对应的新风量存入拟合曲线数据库；执行步骤18；

步骤18：将当前新风量提高一个步长得到更新后的当前新风量；执行步骤11。

4.如权利要求3所述的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，其特征在于，所述步骤11中，所述新风量不小于总送风量的10％。

5.如权利要求3所述的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，其特征在于，所述步骤13中，所述室内温度设定值的范围为18-21℃。

6.如权利要求3所述的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，其特征在于，所述步骤14中，所述送风温度设定范围为26-33℃。

7.如权利要求3所述的基于气候补偿的变风量空调末端温度控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤21：采集当前新风量，从拟合曲线数据库中找出与该新风量对应的拟合曲线；

步骤22：采集当前室外温度和室内温度设定值，将二者作为自变量代入步骤21中找到的曲线中，得到最优送风温度设定值；

步骤23：将得到的送风温度设定值引入控制***进行控制。此时，***的总能耗显然处于最小值；

步骤24：判断预设的控制检测时间是否到达，若到达则重复以上执行步骤21-23。