一种中央空调全局最优节能控制方法与流程

1.本发明涉及中央空调控制技术领域，尤其涉及一种中央空调全局最优节能控制方法。


背景技术：

2.中央空调系统一般的主要控制方法为：冷却水泵按定出水温度运行，冷水机组根据水温进行负荷加减载；冷却塔及冷却泵定频率运行，冷冻水泵一般变频运行，有部分系统采用定频运行。空调器及风机一般定频运行，二通阀根据回风温度按比例积分调节开度。
3.现有控制方法存在的主要问题是：1、当部分负荷运行，或者室外温度湿度较低时，因冷却泵及冷却塔定频运行，没有办法实现节能运行；2、冷水机与塔泵一一对应运行，在部分负荷工况下，无法采用一机两塔的节能运行模式；4、二通阀根据回风温度比例积分调节，实际运行通常震荡，难以稳定运行；5、空调器及风机定频运行，在部分负荷下，风机不能开启节能运行模式。而现有专利文件 cn107883519a、cn103335363a及cn101839528a均是对中央空调单一组件或系统的单一节能控制方法，对于中央空调的全局统筹控制而言，其节能效果是远远不够的，而现有技术中缺乏对中央空调全局调度的最优节能控制方法。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种中央空调全局最优节能控制方法，主要解决背景技术中的问题。
5.本发明提出一种中央空调全局最优节能控制方法，具体包括以下步骤：
6.s1、根据实际设备，建立冷水机组的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的主机能效cop，动态设定冷水机组冷冻水的出水温度，并相应的动态进行加减机判断；
7.s2、根据实际设备，建立冷冻水泵的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的冷冻水泵能耗，动态调整冷冻水泵的运行频率，保证冷冻水路环路系统最不利端的供回水压差，进而满足中央空调末端冷冻水流量的需求；
8.s3、根据实际设备，建立冷却塔的数学模型，并通过数学模型计算出各运行工况下的冷却水泵能耗，确定当前工况下的最优风机运行台数和风机运行频率，动态调整冷却风机的运行台数和运行频率；
9.s4、根据实际设备，建立冷却水泵的数学模型，并通过数学模型计算出各运行工况下的冷却塔能耗，动态调整冷却水泵的运行频率，在保证冷却塔能耗、冷却水泵能耗和冷水机组能耗全局最优的前提下，确定最优的冷却水泵运行频率和运行台数；
10.s5、根据实际设备，建立末端空调器和调节水阀的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的空调器能耗，不同冷冻水流量对应的水阀开度，动态调整空调器运行频率以及水阀开度；
11.s6、根据实际设备，建立末端回排风机的数学模型，并通过所述数学模型计算出各
运行工况下的回排风机能耗，动态调整回排风机的运行频率。
12.进一步改进在于，所述步骤s1具体包括：
13.s11、根据冷水机组实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷水机组的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
14.s12、根据数学模型，计算出满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内的不同冷冻水进水温度和出水温度，不同冷却水进水温度和出水温度，不同负荷率的运行工况下的主机能效cop值；
15.s13、设定二通阀的最大开度值和室内湿度阈值；
16.s14、实时测量室内湿度，实时记录二通阀的开度；
17.s15、根据空调环境温湿度要求、空调环境冷量需求和空调系统全局能效最优的优化原则，对冷水机组进行动态的加减载操作，动态寻找最优的冷水机组的冷冻水出水温度；
18.s16、冷水机组加减载的具体操作为：当冷冻水出水温度下降速率超过系统设定值，冷冻水出水温度的实时测量值减去出水温度设定值大于给定范围，运行中的冷机平均电流百分比高于设定值时，同时满足以上条件且持续一段规定时间时开始加载操作；当出水温度的实时测量值减去设定值小于系统设定值，根据运行中的冷水机容量和电流百分比，关闭冷水机组中的若干台冷水机后系统额定制冷量仍然能满足负荷需求且高于关闭前总负载设定值时，执行减机操作。
19.进一步改进在于，所述步骤s2具体包括：
20.s21、根据冷冻水泵实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷冻水泵的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
21.s22、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内不同流量、不同扬程、不同频率的运行工况下的冷冻水泵运行效率和运行功率，并设定冷冻水泵的最低运行频率；
22.s23、实时测量冷冻水泵的冷冻水进水温度和冷冻水出水温度、最不利末端设备的供回水压差；
23.s24、根据满足系统总冷量需求和中央空调系统全局优化的原则，考虑满足冷冻水供回水温差及管路阻力最大的最不利末端设备供回水压差的条件下，确定最优的冷冻水泵运行频率和台数；
24.s25、计算所述冷冻水进水温度和所述冷冻水出水温度的冷冻水温差值，所述温差值等于所述冷冻水进水温度减去所述冷冻水出水温度的值；
25.s26、在所述冷冻水温差值减小时，降低冷冻水泵的运行频率，在所述冷冻水温差值增大时，提高冷冻水泵的运行频率，在所述温差值不变时，返回步骤s25。
26.进一步改进在于，所述步骤s3具体包括：
27.s31、根据冷却塔实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷却塔的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
28.s32、设定冷却塔的温差温度及运行频率在上下限范围内，冷却塔风机的运行频率需满足冷却水出塔温度保证在上下限范围内，冷却泵频率需满足冷却水供回水温差保证在上下限范围内，若超出范围则触发保护机制重新调整冷却塔风机的运行频率，直到回归保护范围内；
29.s33、实时测量室外湿球温度、冷却塔的冷却水进水温度和冷却水出水温度，计算所述冷却水出水温度和所述冷却水进水温度的冷却水温度差值，所述冷却水温度差值等于所述冷却水出水温度减去所述冷却水进水温度的值，逼近度等于所述冷却水出水温度减去室外空气湿球温度的值；
30.s34、根据满足系统排热量需求和空调系统全局优化的原则，确定当前工况下的最优风机运行台数和风机运行频率，并动态调整冷却风机的运行台数和运行频率。
31.此设定点组合(冷却水温差温度、水泵运行台数和频率、冷却塔运行台数和频率)可保证当前负荷下冷机 冷却泵 冷却塔功率之和最小，返回步骤s33。
32.进一步改进在于，所述步骤s4具体包括：
33.s41、根据冷却水泵实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷却水泵的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
34.s42、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内不同流量、不同扬程、不同频率的运行工况下的冷却水泵运行效率和运行功率，并设定冷却水泵的最低运行频率；
35.s43、实时测量冷却水泵的冷却水进水温度和冷却水出水温度；计算所述冷却水出水温度和所述冷却水进水温度的冷却水温度差值，所述冷却水温度差值等于所述冷却水出水温度减去所述冷却水进水温度的值；
36.s44、根据中央空调系统全局优化的原则，并考虑满足冷却塔供水流量保证冷却塔能耗、冷却水泵能耗和冷水机组能耗整体最优的条件下，确定最优的冷却水温差温度、冷却水泵运行频率和台数。
37.s45、在所述冷却水泵的实际运行频率低于最优运行频率时，降低冷却水泵的运行频率；在所述冷却水温度差值增大时，提高所述冷却水泵的运行频率，在所述冷却水温度差值不变时，返回步骤s43。
38.进一步改进在于，所述步骤s5具体包括：
39.s51、根据空调器、调节水阀实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立空调器和调节水阀的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
40.s52、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内的不同进风干球温度和湿球温度、不同冷冻水流量、不同冷冻水供水温度、不同空调器风机频率的运行工况下的运行功率、出风干球温度和湿球温度；
41.s53、根据数学模型，计算出在合理范围内的不同冷冻水流量对应的阀门开度；
42.s54、设定送风机的最低运行频率，设定室内干球温度和相对湿度阈值，设定水阀阀门开度阈值；
43.s55、实时测量进风入口干球温度和湿球温度，出风干球温度和湿球温度，水阀开度和冷冻水供水流量；
44.s56、根据满足系统总冷量需求和空调系统全局优化的原则，动态调整空调器运行频率、水阀开度。
45.进一步改进在于，所述步骤s6具体包括：
46.s61、根据回排风机实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立回排风机的数
学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
47.s62、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内的不同风量、不同扬程、不同频率的运行工况下回排风机的运行功率；
48.s63、设定回排风机的最低运行频率；
49.s64、实时记录新风机的新风量和送风机的送风量；
50.s65、计算所述新风量和所述送风量的风量差值，所述风量差值等于所述送风量减去所述新风量的差值；
51.s66、在所述风量差值减小时，降低回风机的运行频率，在所述风量差值增大时，提高所述回风机的运行频率，在所述风量差值不变时，返回步骤s64。
52.进一步改进在于，还包括新风机的控制方法，具体包括：
53.s71、设定二氧化碳浓度的低值和高值，低值应低于高值200ppm 以上；
54.s72、实时测量室内的二氧化碳浓度；
55.s73、在所述二氧化碳浓度值高于所述二氧化碳浓度阈值的高值时，开启新风机运行；在所述二氧化碳浓度值低于所述二氧化碳浓度阈值的低值时，关闭新风机；在所述二氧化碳浓度值等于所述二氧化碳浓度阈值时，返回步骤s72。
56.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
57.本发明一种中央空调全局最优节能控制方法是基于系统整体运行全局最优的全局优化控制，以性能模型为基础的整个中央空调系统多维、主动寻优的节能控制方法。该控制方法是建立在冷冻机房的每个设备及风系统整体性能特性的基础上，通过多维寻优的方法寻找满足工艺设计及冷量需求下整个冷冻机房及风系统的最佳运行状态(包括阀门开度、设备频率、开启台数等)，从而实现最佳节能目标。
具体实施方式
58.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
59.本发明的一种中央空调全局最优节能控制方法，其基于系统建立冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、新风机、空调器、回排风机的数学模型，并可由此模型计算出在各运行工况下的主机能效cop，动态设定经优化的冷水机组冷冻水出水温度，动态进行合理的加减机判断，确定最优的冷冻水泵和冷却水泵的运行频率和台数，确定冷却塔的最优运行台数和冷却风机运行频率，调整空调器各风机运行频率、水阀状态，以中央空调系统整体能耗最低为控制目标。控制系统合理调整各设备的控制参数及状态，使整个中央空调系统运行效率最优。
60.一种中央空调全局最优节能控制方法，具体包括以下步骤：
61.s1、根据实际设备，建立冷水机组的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的主机能效cop，动态设定冷水机组冷冻水的出水温度，并相应的动态进行加减机判断；
62.s2、根据实际设备，建立冷冻水泵的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的冷冻水泵能耗，动态调整冷冻水泵的运行频率，保证冷冻水路环路系统最不利端的供回水压差，进而满足中央空调末端冷冻水流量的需求；
63.s3、根据实际设备，建立冷却塔的数学模型，并通过数学模型计算出各运行工况下的冷却水泵能耗，确定当前工况下的最优风机运行台数和风机运行频率，动态调整冷却风机的运行台数和运行频率；
64.s4、根据实际设备，建立冷却水泵的数学模型，并通过数学模型计算出各运行工况下的冷却塔能耗，动态调整冷却水泵的运行频率，在保证冷却塔能耗、冷却水泵能耗和冷水机组能耗全局最优的前提下，确定最优的冷却水泵运行频率和运行台数；
65.s5、根据实际设备，建立末端空调器和调节水阀的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的空调器能耗，不同冷冻水流量对应的水阀开度，动态调整空调器运行频率以及水阀开度；
66.s6、根据实际设备，建立末端回排风机的数学模型，并通过所述数学模型计算出各运行工况下的回排风机能耗，动态调整回排风机的运行频率。
67.作为本发明一优选实施方案，所述步骤s1具体包括：
68.s11、根据冷水机组实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷水机组的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
69.s12、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内的不同冷冻水进水温度和出水温度，不同冷却水进水温度和出水温度，不同负荷率的运行工况下的主机能效cop值；
70.s13、设定二通阀的最大开度值和室内湿度阈值；
71.s14、实时测量室内湿度，实时记录二通阀的开度；
72.s15、根据空调环境温湿度要求、空调环境冷量需求和空调系统全局能效最优的优化原则，对冷水机组进行动态的加减载操作，动态寻找最优的冷水机组的冷冻水出水温度；
73.s16、冷水机组加减载的具体操作为：当冷冻水出水温度下降速率超过系统设定值，冷冻水出水温度的实时测量值减去出水温度设定值大于给定范围，运行中的冷机平均电流百分比高于设定值时，同时满足以上条件且持续一段规定时间时开始加载操作；当出水温度的实时测量值减去设定值小于系统设定值，根据运行中的冷水机容量和电流百分比，关闭冷水机组中的若干台冷水机后系统额定制冷量仍然能满足负荷需求且高于关闭前总负载设定值时，执行减机操作。
74.更具体地说，根据实际设备，建立冷水机组的数学模型。准确合理的冷水机组性能模型反映实际设备的基本运行特性，符合冷水机组独有运行曲线，并可由此模型计算出在各运行工况下的主机能效cop。根据满足工艺设计、冷量需求和空调系统全局优化的原则，动态设定经优化的冷水机组冷冻水出水温度，动态进行合理的加减机判断，降低耗电量。
75.作为本发明一优选实施方案，所述步骤s2具体包括：
76.s21、根据冷冻水泵实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷冻水泵的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
77.s22、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内不同流量、不同扬程、不同频率的运行工况下的冷冻水泵运行效率和运行功率，并设定
冷冻水泵的最低运行频率；
78.s23、实时测量冷冻水泵的冷冻水进水温度和冷冻水出水温度、最不利末端设备的供回水压差；
79.s24、根据满足系统总冷量需求和中央空调系统全局优化的原则，考虑满足冷冻水供回水温差及最不利末端设备供回水压差的条件下，确定最优的冷冻水泵运行频率和台数；
80.s25、计算所述冷冻水进水温度和所述冷冻水出水温度的冷冻水温差值，所述温差值等于所述冷冻水进水温度减去所述冷冻水出水温度的值；
81.s26、在所述冷冻水温差值减小时，降低冷冻水泵的运行频率，在所述冷冻水温差值增大时，提高冷冻水泵的运行频率，在所述温差值不变时，返回步骤s25。
82.更具体地说，根据实际设备，建立冷冻水泵的数学模型。并可由此模型计算出在各运行工况下的水泵能耗。根据满足系统总冷量需求和中央空调系统全局优化的原则，并考虑冷冻水供/回水温度及压差的变化，确定最优的冷冻水泵运行频率和台数。水泵的运行频率配合及保证冷冻水环路系统最不利端的供回水压差，满足的空调末端冷冻水流量需求，动态调整冷冻水频率。
83.作为本发明一优选实施方案，所述步骤s3具体包括：
84.s31、根据冷却塔实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷却塔的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
85.s32、设定冷却塔的温差温度及运行频率在上下限范围内，(运行频率上限指最高频率50hz，下限为人工设定，一般为25hz或30hz，温差温度一般为4
‑
6度)，冷却塔风机的运行频率需满足冷却水出塔温度保证在上下限范围内，冷却泵频率需满足冷却水供回水温差保证在上下限范围内，若超出范围则触发保护机制重新调整冷却塔风机的运行频率，直到回归保护范围内；
86.s33、实时测量室外湿球温度、冷却塔的冷却水进水温度和冷却水出水温度，计算所述冷却水出水温度和所述冷却水进水温度的冷却水温度差值，所述冷却水温度差值等于所述冷却水出水温度减去所述冷却水进水温度的值，逼近度等于所述冷却水出水温度减去室外空气湿球温度的值；
87.s34、根据满足系统排热量需求和空调系统全局优化的原则，确定当前工况下的最优风机运行台数和风机运行频率，并动态调整冷却风机的运行台数和运行频率。
88.此设定点组合(冷却水温差温度、水泵运行台数和频率、冷却塔运行台数和频率)可保证当前负荷下冷机 冷却泵 冷却塔功率之和最小，返回步骤s33。
89.更具体地说，根据实际设备，建立冷却塔的数学模型。并可由此模型计算出在各运行工况下的冷却塔能耗。根据满足系统排热量需求和空调系统全局优化的原则，确定当前工况下的最佳出塔水温，根据此温度自动选择最优风机运行台数，动态调整冷却风机运行频率。
90.作为本发明一优选实施方案，所述步骤s4具体包括：
91.s41、根据冷却水泵实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立冷却水泵的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
92.s42、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范
围内不同流量、不同扬程、不同频率的运行工况下的冷却水泵运行效率和运行功率，并设定冷却水泵的最低运行频率；
93.s43、实时测量冷却水泵的冷却水进水温度和冷却水出水温度；计算所述冷却水出水温度和所述冷却水进水温度的冷却水温度差值，所述冷却水温度差值等于所述冷却水出水温度减去所述冷却水进水温度的值；
94.s44、根据中央空调系统全局优化的原则，并考虑满足冷却塔供水流量保证冷却塔能耗、冷却水泵能耗和冷水机组能耗整体最优的条件下，确定最优的冷却水温差温度、冷却水泵运行频率和台数。
95.s45、在所述冷却水泵的实际运行频率低于最优运行频率时，降低冷却水泵的运行频率；在所述冷却水温度差值增大时，提高所述冷却水泵的运行频率，在所述冷却水温度差值不变时，返回步骤s43。
96.更具体地说，根据实际设备，建立冷却水泵的数学模型。并可由此模型计算出在各运行工况下的水泵能耗。根据中央空调系统全局优化的原则，并考虑满足冷却塔供水流量保证冷却塔能耗、冷却水泵能耗和冷水机组能耗整体最优的条件下，确定最优的冷却水泵运行频率和台数，动态调整冷冻水频率。
97.作为本发明一优选实施方案，所述步骤s5具体包括：
98.s51、根据空调器、调节水阀实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立空调器和调节水阀的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
99.s52、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内的不同进风干球温度和湿球温度、不同冷冻水流量、不同冷冻水供水温度、不同空调器风机频率的运行工况下的运行功率、出风干球温度和湿球温度；
100.s53、根据数学模型，计算出在合理范围内的不同冷冻水流量对应的阀门开度；
101.s54、设定送风机的最低运行频率，设定室内干球温度和相对湿度阈值，设定水阀阀门开度阈值；
102.s55、实时测量进风入口干球温度和湿球温度，出风干球温度和湿球温度，水阀开度和冷冻水供水流量；
103.s56、根据满足系统总冷量需求和空调系统全局优化的原则，动态调整空调器运行频率、水阀开度。
104.更具体地说，根据实际设备，建立末端空调风系统的数学模型。并可由此模型计算出在各运行工况下的空调箱能耗。根据满足系统总冷量需求和空调系统全局优化的原则，动态调整空调器各风机运行频率、风阀水阀状态。
105.作为本发明一优选实施方案，所述步骤s6具体包括：
106.s61、根据回排风机实际设备的运行性能参数或出厂性能参数，建立回排风机的数学模型，并在实际运行中结合运行数据对数学模型的变量参数进行持续校正；
107.s62、根据数学模型，计算出在满足系统节能运行和空调末端舒适度要求的合理范围内的不同风量、不同扬程、不同频率的运行工况下回排风机的运行功率；
108.s63、设定回排风机的最低运行频率；
109.s64、实时记录新风机的新风量和送风机的送风量；
110.s65、计算所述新风量和所述送风量的风量差值，所述风量差值等于所述送风量减去所述新风量的差值；
111.s66、在所述风量差值减小时，降低回风机的运行频率，在所述风量差值增大时，提高所述回风机的运行频率，在所述风量差值不变时，返回步骤s64。
112.更具体地说，以机房各主要设备及风系统基本特性为基础，以系统的冷负荷为依据，结合智能优化算法对冷冻机房及风系统建立数学模型，通过各种控制、优化措施协调冷冻机房内各设备及风系统的联合运行，为冷站各设备及风系统建立匹配的设备性能模型，以中央空调系统整体能耗最低为控制目标。控制系统合理调整各设备的控制参数及状态，使整个中央空调系统运行效率最优。
113.作为本发明一优选实施方案，还包括新风机的控制方法，具体包括：
114.s71、设定二氧化碳浓度的低值和高值，低值应低于高值200ppm 以上；
115.s72、实时测量室内的二氧化碳浓度；
116.s73、在所述二氧化碳浓度值高于所述二氧化碳浓度阈值的高值时，开启新风机运行；在所述二氧化碳浓度值低于所述二氧化碳浓度阈值的低值时，关闭新风机；在所述二氧化碳浓度值等于所述二氧化碳浓度阈值时，返回步骤s72。
117.本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。