一种同时调节室内温度和湿度的中央空调需求响应方法及系统与流程

1.本发明涉及中央空调系统运行调控领域，具体是一种同时调节室内温度和湿度的中央空调需求响应方法及系统。


背景技术：

2.建筑能耗约占我国社会总能耗的三分之一，其中建筑内供冷供热系统的能耗可高达50％，现代建筑供冷供热需求高，暖通空调的能耗占比较大，这对电力系统提出了挑战。尤其当出现极端天气时，中央空调能耗过大使得电网出现用电紧张、限电等现象。将需求响应策略应用于中央空调系统可以降低电网的用电峰值，提高电力系统的稳定性，并且能够降低使用者的电费，具有很大的应用前景。
3.需求响应是指用户收到电价市场的信号改变原有用能习惯的短期行为。将需求响应应用于建筑空调领域，可以改变建筑物的冷热负荷需求曲线，将用电峰期的负荷削减或者转移至用电谷期。现有中央空调系统的需求响应主要通过调整室内设定温度、发挥建筑蓄热特性、增加蓄能系统或空调主机的启停控制等，容易使室内温度偏离舒适区，对室内人员舒适度影响较大；也会使得风机、水泵等设备运行在非设计工况导致设备能耗的增加。中央空调的能耗由室内的湿度和温度共同影响，现有仅提升室内温度的空调需求响应策略并未完全发挥空调系统在需求响应中的调节潜力，在提升室内温度的基础上，提升室内湿度可进一步降低空调系统的能耗。此外，调节室内湿度相比调节室内温度，可在相同的节能率下实现更好的室内热环境，提高用户的热舒适，提升用户参与需求响应的意愿。因此可通过同时调节室内温度和湿度进一步降低中央空调系统在需求响应期间的能耗。
4.本发明在此背景下提出，提出了一种同时调节室内温度和湿度的中央空调需求响应方法，通过调节室内设定温度和空调送风温度实现室内温湿度的控制，以维持室内用户舒适度为前提，进一步降低中央空调系统在需求响应期间的能耗，扩大空调系统需求响应的潜力，降低电网峰期的供电压力。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提出一种同时调节室内温度和湿度的中央空调需求响应方法及系统，通过调节室内设定温度和空调送风温度实现室内温湿度的控制，在需求响应期间适当提高室内温度和湿度，同时提高冷水机组供水温度，进一步降低中央空调系统在需求响应期间的能耗，拓展空调系统在需求响应中的调节潜力，同时使室内人员舒适度维持在适当的水平。
6.本发明的目的是通过采用以下技术方案实现的：
7.一种同时调节室内温度和湿度的中央空调需求响应方法，其应用于中央空调系统，所述中央空调系统包括控制器、冷冻水泵、冷水机组、空气处理机组，空气处理机组包括冷却器和风机，空气处理机组的风管送风口和回风口处分别设有第一温度传感器和第二温
度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别用于监测空调送风温度t
air，supply
和室内温度t
air，indoor
，控制器与第一温度传感器、第二温度传感器、冷冻水泵和风机电性连接；所述方法包括如下步骤：
8.步骤一、提高室内设定温度：控制器基于收到的需求响应信号，通过第二温度传感器反馈的室内温度t
air，indoor
，对冷冻水泵的运行频率进行调节，降低供水流量使室内温度达到室内设定温度；
9.步骤二、提高室内送风温度：控制器根据第一温度传感器反馈的空调送风温度t
air，supply
调节空气处理机组中风机的频率，使得室内送风温度达到设定值；
10.步骤三、提高冷水机组的供水温度，供水温度的上限为冷水机组能够满足步骤一与步骤二中的室内温度和送风温度下最高的供水温度。
11.进一步的，冷水机组产生的低温冷水由冷冻水泵送到空气处理机组，空气处理机组将室内回风和新风混合，与低温冷水换热得到低温低湿的送风空气，由风机通过风管送往室内承担室内的冷负荷与湿负荷。
12.进一步的，所述步骤一中室内设定温度比空气处理机组原始设定温度高1～3℃，从而降低室内显热负荷，所述室内设定温度的上限为28℃。
13.进一步的，所述步骤二中维持步骤一中室内设定温度的最高送风温度t
air，supply，max
为：
14.t
air，supply，max
＝t
air，indoor-q
indoor，s
/(c
×fair，supply，max
)
15.其中t
air，supply，max
为送风温度的上限，t
air，indoor
为室内设定温度，q
indoor，s
为室内显热空调负荷，c为空气比热容，f
air，supply，max
为空气处理机组最大的送风量。
16.进一步的，所述步骤二中室内送风温度与室内空气温度的温差不小于7～8℃，计算该范围内不同室内送风温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的室内送风温度确定为该情景下最适宜的室内送风温度。
17.进一步的，所述步骤三中计算不同机组供水温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的机组供水温度确定为该情景下最适宜的机组供水温度。
18.一种同时调节室内温度和湿度的中央空调响应系统，包括控制器、冷冻水泵、冷水机组、空气处理机组，空气处理机组包括冷却器和风机；空气处理机组的风管送风口和回风口处分别设有第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别用于监测空调送风温度t
air，supply
和室内温度t
air，indoor
，控制器与第一温度传感器、第二温度传感器、冷冻水泵和风机电性连接。
19.所述控制器用于基于收到的需求响应信号，通过第二温度传感器t2反馈的室内温度t
air，indoor
，对冷冻水泵的运行频率进行调节，降低供水流量使室内温度达到室内设定温度；所述控制器还用于根据第一温度传感器t1反馈的空调送风温度t
air，supply
调节空气处理机组中风机的频率，使得室内送风温度达到设定值；所述控制器时提高冷水机组的供水温度，供水温度的上限为冷水机组能够满足室内温度和送风温度下最高的供水温度。
20.进一步的，冷水机组产生的低温冷水由冷冻水泵送到空气处理机组，空气处理机组将室内回风和新风混合，与低温冷水换热得到低温低湿的送风空气，由风机4通过风管送往室内承担室内的冷负荷与湿负荷。
21.进一步的，维持室内设定温度的最高送风温度t
air，supply，max
为：
22.t
air，supply，max
＝t
air，indoor-q
indoor，s
/(c
×fair，supply，max
)
23.其中t
air，supply，max
为送风温度的上限，t
air，indoor
为室内设定温度，q
indoor，s
为室内显热空调负荷，c为空气比热容，f
air，supply，max
为空气处理机组最大的送风量；室内送风温度与室内空气温度的温差不小于7～8℃，计算该范围内不同室内送风温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的室内送风温度确定为该情景下最适宜的室内送风温度。
24.进一步的，计算不同机组供水温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的机组供水温度确定为该情景下最适宜的机组供水温度。
25.本发明根据空调系统所承担的负荷的来源，通过调节空调系统风机盘管、泵和冷水机组的运行参数，从降低系统显热冷负荷、降低系统潜热冷负荷、提升冷水机组的效率这三个维度共同降低空调系统的能耗，提升中央空调的在需求响应中的削峰效果，并使需求响应对室内热环境的影响降到最小。
附图说明
26.图1是本发明涉及的中央空调系统的结构示意图；
27.图中附图标记分述如下：
28.1-控制器，2-冷冻水泵，3-冷水机组，4-空气处理机组，4.1-冷却器，4.2-风机，5-房间，t1-第一温度传感器，t2-第二温度传感器。
29.图2是本发明的实施流程图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明提供一种同时调节室内温度和湿度的中央空调需求响应方法，其应用于中央空调系统，如图1所示，所述中央空调系统包括控制器1、冷冻水泵2、冷水机组3、空气处理机组4。空气处理机组4包括冷却器4.1和风机4.2；冷水机组3产生的低温冷水由冷冻水泵2送到空气处理机组4，空气处理机组4将室内回风和新风混合，与低温冷水换热得到低温低湿的送风空气，由风机4.2通过风管送往室内承担室内的冷负荷与湿负荷，空气处理机组4的风管送风口和回风口处分别设有第一温度传感器t1和第二温度传感器t2，第一温度传感器t1和第二温度传感器t2分别用于监测空调送风温度t
air，supply
和室内温度t
air，indoor
，控制
器1与第一温度传感器t1、第二温度传感器t2、冷冻水泵2和风机4.2电性连接。
32.本发明根据空调系统所承担的负荷的来源，在需求响应期间，通过控制器1控制系统运行参数，包括冷冻水泵2和空气处理机组中风机4.2的运行频率，同时提高房间内5的温度和湿度，从而降低室内显热和潜热负荷两方面降低空调所需承担的冷负荷；同时提高冷水机组3供水温度，提高机组效率，降低中央空调系统的能耗，并使室内热环境维持在较为舒适的水平，提升中央空调的在需求响应中的削峰效果。
33.室内人员对于室内湿度的敏感程度低于室内温度，提高室内湿度相比提高室内温度对室内人员舒适度的影响程度较小，因此该策略相比仅调节室内温度可在较小的室内热环境的影响下提高节能效果，或在实现相同的节能效果下提升室内的人员舒适度，使需求响应期间的室内热环境的影响降到最小。
34.本发明中涉及的空调系统既可以是变流量系统，也可以是一次定流量二次变流量系统。冷水机组3制取冷水满足建筑供冷需求，冷冻水泵2将冷水送入空气处理机组4内的冷却器4.1中与空气进行换热。
35.空气处理机组4将室外新风和室内回风混合后通过冷却器4.1换热得到的低温低湿的送风空气，通过空气处理机组内的变频风机4.2送入房间5内。
36.所述的变频水泵2可根据控制器1的信号调节运行频率，在需要时降低频率以降低水流量并降低功耗。
37.变频风机4.2可降低频率以较低的功耗降低水流量。所述第一温度传感器t1和第二温度传感器t2分别布置在送风口和回风口，分别用于测量送风和室内的温度。温度传感器的温度信号传输至控制器1以对风机4.2和冷冻水泵2进行运行调节控制，其中送风温度用于控制器1调整风机4.2的频率，室内温度传输给控制器1用于调整冷冻水泵2的频率。
38.所述的控制器1为策略实施的核心，用于信号的接收、运算和策略的执行、信号的发送等功能。控制器1通过接收第二温度传感器t2的室内温度信号，通过调节空调系统中冷冻水泵2的频率调节室内温度；控制器1通过接收第一温度传感器t1的送风温度信号，通过调节风机4.2的频率实现设定送风温度。
39.结合参考图2，当控制器1接到信号时，主要进行三方面空调系统需求响应：
40.步骤一、提高室内设定温度：控制器1基于收到的需求响应信号，通过第二温度传感器t2反馈的室内温度t
air，indoor
，对冷冻水泵2的运行频率进行调节，降低供水流量使室内温度达到新的设定温度，所述新的设定温度比空气处理机组4原始设定温度高1～3℃，从而降低室内显热负荷。具体设定温度取决于削峰需求，由于当室内温度提高至28℃时，已可以获得较大的能耗削减并且已对室内热环境有较大影响，因此室内温度设定上限一般为28℃。
41.步骤二、提高室内送风温度：控制器1根据第一温度传感器t1反馈的空调送风温度t
air，supply
调节空气处理机组4中风机4.2的频率，使得室内送风温度达到设定值。
42.提高室内送风温度可以降低空调系统的除湿能力，从而提高了室内湿度，可降低空调系统所承担的潜热负荷。根据能量守恒，提高送风温度的同时增大风量可保证向室内送入的显热量相同，维持室内温度，降低室内潜热负荷，较小地影响室内舒适度，降低空调系统的能耗。
43.由于提高室内送风温度会降低空气处理机组最大的制冷能力，因此能维持步骤一
中室内设定温度的最高送风温度t
air，supply，max
为：
44.t
air，supply，max
＝t
air，indoor-q
indoor，s
/(c
×fair，supply，max
)
45.其中t
air，supply，max
为送风温度的上限，t
air，indoor
为室内设定温度，q
indoor，s
为室内显热空调负荷，c为空气比热容，f
air，supply，max
为空气处理机组最大的送风量。一般送风与室内空气温度的温差不小于7～8℃。
46.计算该范围内不同送风温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的送风温度确定为该情景下最适宜的送风温度。
47.步骤三、提高冷水机组3的供水温度：
48.由于送风温度的提高和空调负荷的下降，可调节冷水机组使用较高温度的冷水满足空气处理需求。
49.供水温度的上限为冷水机组能够满足步骤一与步骤二中的室内温度和送风温度下最高的供水温度。空气处理机组4需要满足制取送风温度所需要的换热要求，即uah＝q
indoor，t
/(h
air，out-h
air，in
)，其中uah为空气处理机组4的换热系数，q
indoor，t
为室内总冷负荷，h
air，in
和h
air，out
为空气处理机组4的进出口空气的焓值。而uah与空气和水侧的换热系数相关，即uah＝1/(1/(ua
ext
) 1/(ua
int
))/c
p
，其中ua
ext
为空气侧的换热系数，ua
int
为水侧的换热系数，均与其流量和温度相关：
50.ua
ext
＝ua
ext，rated
×
(1 0.004769
×
(t
air，in-t
air，in，rated
))
×
(m
air
/m
air，rated
)
0.8
51.ua
int
＝ua
int，rated
×
1 (0.014/(1 0.014
×
t
liq，in，rated
))
×
(t
liq，in-t
liq，in，rated
)
×
(m
liq
/m
liq，rated
)
0.85
52.其中t
air，in
和t
air，in，rated
为空气处理机组4进口空气温度和额定进口温度，m
air
和m
air，rated
为进口空气流量和额定进口流量，t
liq，in
和t
liq，in，rated
为空气处理机组4冷水进口温度和冷水额定进口温度，m
liq
和m
liq，rated
为冷水进口流量和冷水额定进口流量。因此，在空气侧温度和流量已经确定的前提下，水侧的温度流量需满足换热要求，一般送风温度与供水温度的温差不小于5～7℃。
53.计算不同机组供水温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的机组供水温度确定为该情景下最适宜的机组供水温度。
54.控制器通过控制水泵和风机频率，维持提高冷水机组供水温度后的室内温度和送风温度，因此可在满足机组所承担的总负荷不变的条件下，进一步通过提高机组供水温度提高机组效率，降低空调系统的能耗。
55.本发明实施例还提供一种同时调节室内温度和湿度的中央空调响应系统，包括控制器1、冷冻水泵2、冷水机组3、空气处理机组4，空气处理机组4包括冷却器4.1和风机4.2；冷水机组3产生的低温冷水由冷冻水泵2送到空气处理机组4，空气处理机组4将室内回风和新风混合，与低温冷水换热得到低温低湿的送风空气，由风机4.2通过风管送往室内承担室内的冷负荷与湿负荷；空气处理机组4的风管送风口和回风口处分别设有第一温度传感器t1和第二温度传感器t2，第一温度传感器t1和第二温度传感器t2分别用于监测空调送风温
度t
air，supply
和室内温度t
air，indoor
，控制器1与第一温度传感器t1、第二温度传感器t2、冷冻水泵2和风机4.2电性连接。
56.所述控制器1用于基于收到的需求响应信号，通过第二温度传感器t2反馈的室内温度t
air，indoor
，对冷冻水泵2的运行频率进行调节，降低供水流量使室内温度达到室内设定温度，其中室内设定温度比空气处理机组4原始设定温度高1～3℃，从而降低室内显热负荷，所述室内设定温度的上限为28℃。
57.所述控制器1还用于根据第一温度传感器t1反馈的空调送风温度t
air，supply
调节空气处理机组4中风机4.2的频率，使得室内送风温度达到设定值；维持室内设定温度的最高送风温度t
air，supply，max
为：
58.t
air，supply，max
＝t
air，indoor-q
indoor，s
/(c
×fair，supply，max
)
59.其中t
air，supply，max
为送风温度的上限，t
air，indoor
为室内设定温度，q
indoor，s
为室内显热空调负荷，c为空气比热容，f
air，supply，max
为空气处理机组最大的送风量。
60.所述控制器1还同时提高冷水机组3的供水温度，供水温度的上限为冷水机组能够满足室内温度和送风温度下最高的供水温度。室内送风温度与室内空气温度的温差不小于7～8℃，计算该范围内不同室内送风温度下空调系统包含冷水机组、冷冻水泵和空气处理机组风机的能耗，即p
total
＝p
chiller
p
pump
p
ahu，fan
，其中p
total
为系统总能耗，p
chiller
为冷水机组能耗，p
pump
为水泵总能耗，p
ahu，fan
为空气处理机组风机能耗，系统能耗最低的室内送风温度确定为该情景下最适宜的室内送风温度。
61.下面介绍本发明的一个具体应用场景：
62.将该空调系统需求响应策略使用到一栋办公建筑，当控制器1接到信号时进行三方面空调系统需求响应：
63.步骤一，根据削峰需求提高室内设定温度。
64.由于白天峰期建筑空调负荷较大，因此削峰需求较大，室内温度设定值由25℃提高至28℃。控制器通过降低水泵运行频率减小水流量使室内提升到新的设定温度。
65.步骤二，确定合适的送风参数。
66.计算不同温度下系统的能耗，确定适宜的送风温度。不同送风参数下空调系统的能耗如表1所示，随着送风温度的提高，室内负荷降低，冷水机组能耗不断降低，但是风机能耗不断上升。
67.表1不同送风参数下空调系统能耗
68.69.根据系统总能耗，送风温度为20℃为最优的送风温度，控制器可通过改变空气处理机组中风机频率，加大送风量，保证室内温度不变的前提下使送风温度由14℃提升至20℃，相比需求响应前，空调系统能耗可降低36.01％，其中，提高室内送风温度可降低空调系统能耗7.65％。
70.步骤三，提高冷水机组供水温度。
71.通过计算不同机组供水温度下空调系统能耗得到最适合的供水温度，不同送水参数下空调系统的能耗如表2所示，随着供水温度的提高冷水机组能耗不断下降，但是水泵能耗不断上升。
72.表2不同供水参数下空调系统能耗
[0073][0074][0075]
综合系统整体能耗，冷水机组出水温度由7℃提升为15℃时系统可实现最佳的能耗表现。冷水机组出水温度提高时，控制器通过提高水泵运行频率加大水流量，维持步骤一、二中的室内设定温度和送风温度。相比需求响应前，空调系统能耗可降低48.57％，相比仅调节室内温度节能率可提升20.21％，具有较好的节能效果。
[0076]
针对该情境，在需求响应期间通过以上三步调整，空调系统参数由室内温度25℃，送风温度14℃，供水温度7℃提升至室内温度28℃，送风温度20℃，供水温度15℃，可实现节能率48.57％，可降低空调系统峰值能耗，保障电力系统稳定运行。
[0077]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。