一种冷却塔的节能控制装置及控制方法

1.本发明涉及空调制冷技术领域，尤其涉及冷却塔的节能控制装置及控制方法。


背景技术：

2.冷却塔的工作原理为热水－冷空气的热质交换原理，它主要是利用电机驱动风扇，使得冷却水与空气充分接触，通过蒸发传热以及对流换热的方式将热量散发到空气中，实现降温的目的。冷却塔的运行方式关系到冷水机组的制冷效果以及整个空调系统的能耗。
3.现有冷却塔的运行方式按风机频率是否可调分为定频运行及变频运行两种，而在实际生活中多采用变频冷却塔，这主要是由于定频运行的冷却塔无法通过改变运行频率来灵活适应各种工况并且无法控制能耗，但是定频运行的冷却塔相较于变频冷却塔有控制方式简单、运行维护管理方便的优势，因此定频运行的冷却塔依然有广泛的应用，在此基础上对定频运行冷却塔进行改进，降低其使用能耗有着重要的研究意义。
4.目前，定频运行的冷却塔在实际运行过程中，与冷水机组有着较强的耦合性；若单独考虑冷却塔的节能问题，则控制策略应尽可能少的开启冷却塔，但该策略可能会使得冷水机组出水温度偏高，导致冷水机组能耗增加；若单独考虑冷水机组的节能问题，那么冷却水进入冷水机组的温度在保证冷水机组安全运行的要求下应该尽可能地低，而冷却水温度的降低却又必然导致冷却塔能耗增加，现有技术中很难找准平衡点，无法合理控制启停台数。


技术实现要素：

5.本发明提供一种冷却塔的节能控制装置和控制方法，用于改善现有定频空调制冷系统的冷却塔，由于不能根据实际工况灵活控制启停台数而存在的高能耗问题。
6.本发明第一方面所提供的冷却塔的节能控制装置，包括：气象参数采集模块、温度采集模块、流量采集模块、电表采集模块、控制模块以及执行模块；
7.所述气象参数采集模块、温度采集模块、流量采集模块、电表采集模块、执行模块分别与所述控制模块连接；
8.所述气象参数采集模块用于采集冷却塔所处环境的湿球温度数据；
9.所述温度采集模块用于采集空调冷水机组的冷冻水与冷却水温度数据；
10.所述流量采集模块用于采集空调冷水机组的冷冻水与冷却水出水流量数据；
11.所述电表采集模块用于采集冷却塔瞬时功率数据与冷水机组瞬时功率数据；
12.所述控制模块用于接收所述气象参数采集模块、所述温度采集模块、所述流量采集模块以及所述电表采集模块采集的数据，对所述采集的数据进行计算，并基于计算结果输出冷却塔控制指令；
13.所述执行模块用于根据所述冷却塔控制指令对冷却塔执行启停操作。
14.具体的，所述控制模块包括：数据传输模块、计算模块、控制输出模块；
15.所述数据传输模块用于接收所述气象参数采集模块、所述温度采集模块、所述流量采集模块以及所述电表采集模块所采集的数据，并发送至所述计算模块；
16.所述计算模块用于对所述采集的数据进行计算，并基于计算结果输出冷却塔控制指令；
17.所述控制输出模块用于接收所述计算模块的控制指令以及将所述控制指令发送至所述执行模块。
18.具体的，所述计算模块用于对所述采集的数据进行计算，并基于计算结果输出冷却塔控制指令，具体为：
19.所述计算模块用于根据所述冷却塔所处环境的湿球温度数据、所述空调冷水机组的冷冻水与冷却水温度数据、所述空调冷水机组的冷冻水与冷却水出水流量数据计算出所述冷水机组的能耗，并比较所述冷却塔的能耗与所述冷水机组的瞬时功率数据，根据比较结果判断是否需要多开启或多关闭一台冷却塔，并在判断结果为是时，输出所述冷却塔控制指令。
20.具体的，所述气象参数采集模块用于采集冷却塔所处环境的湿球温度数据具体为：
21.所述气象参数采集模块与温湿度传感器连接，用于采集所述温湿度传感器检测到的所述湿球温度数据。
22.具体的，所述温度采集模块用于采集空调冷水机组的冷冻水与冷却水温度数据具体为：
23.所述温度采集模块与冷冻水进水温度传感器相连接，用于采集所述空调冷水机组的冷冻水进水温度数据；
24.所述温度采集模块与冷冻水出水温度传感器相连接，用于采集所述空调冷水机组的冷冻水出水温度数据；
25.所述温度采集模块与冷却水进水温度传感器相连接，用于采集所述空调冷水机组的冷却水进水温度数据；
26.所述温度采集模块与冷却水出水温度传感器相连接，用于采集所述空调冷水机组的冷却水出水温度数据。
27.具体的，所述流量采集模块用于采集空调冷水机组的冷冻水与冷却水出水流量数据，具体为：
28.所述流量采集模块与冷冻水出水流量传感器连接，用于采集所述空调冷水机组的冷冻水出水流量；
29.所述流量采集模块与冷却水出水流量传感器连接，用于采集所述空调冷水机组的冷却水出水流量。
30.具体的，所述电表采集模块用于采集冷却塔瞬时功率数据与冷水机组瞬时功率数据，具体为：
31.所述电表采集模块分别与所述冷却塔以及所述冷水机组的电路连接，用于采集所述冷却塔与所述冷水机组的瞬时功率数据。
32.具体的，所述执行模块包括：冷却水进塔电动阀、冷却水出塔电动阀和风机启停控制器，其中：
33.所述冷却水进塔电动阀设置于冷却水进水管道处，冷却水出塔电动阀设置于冷却水出水管道处。
34.本发明另一方面还提供一种节能控制方法，具体包括以下步骤：
35.s1：根据获取的冷却塔所处环境的湿球温度、空调冷水机组的冷却水温度、空调冷水机组的冷却水出水流量，计算增开一台冷却塔的冷却水出水温度以及少开一台冷却塔的冷却水回水温度；
36.s2：根据所述增开一台冷却塔的冷却水回水温度、空调冷水机组的冷冻水出水流量以及空调冷水机组的冷冻水温度计算增开一台冷却塔的冷水机组制冷量；
37.根据所述少开一台冷却塔的冷却水回水温度、空调冷水机组的冷冻水出水流量以及空调冷水机组的冷冻水温度计算少开一台冷却塔的冷水机组制冷量；
38.s3：根据所述增开一台冷却塔的冷水机组制冷量以及冷水机组的瞬时功率计算增开一台冷却塔时的冷水机组能效；
39.根据所述少开一台冷却塔的冷水机组制冷量以及冷水机组的瞬时功率计算少开一台冷却塔时的冷水机组能效；
40.s4：根据所述冷水机组的瞬时功率、所述冷水机组能效、所述冷水机组制冷量、所述增开一台冷却塔时的冷却水回水温度以及原有运行状态时的冷却水回水温度，按照预设规则计算出冷水机组的机组能耗；
41.根据所述冷水机组的瞬时功率、所述冷水机组能效、所述冷水机组制冷量、所述少开一台冷却塔时的冷却水回水温度以及原有运行状态时的冷却水回水温度，按照预设规则计算出冷水机组的机组能耗；
42.s5：当增开一台冷却塔时，判断机组能耗是否大于冷却塔瞬时功率，如果是则控制执行模块增开一台冷却塔，如果否则保持原有运行状态；
43.当少开一台冷却塔时，判断机组能耗是否小于冷却塔瞬时功率，如果是则控制执行模块少开一台冷却塔，如果否则保持原有运行状态。
44.具体的，所述预设原则为：
45.冷却水进水温度降低1℃，机组能效提高1.5％。
46.本发明的有益效果在于，本发明所提供的冷却塔节能控制装置和控制方法，可以通过气象参数采集模块采集冷却塔周围所处环境温度、通过温度采集模块采集冷水机组冷冻水与冷却水温度、通过流量采集模块采集冷水机组冷冻水与冷却水流量、通过电表采集模块采集冷却塔与冷水机组瞬时功率，然后通过控制模块将各个采集模块的数据对冷却塔启停的影响综合考虑，使得冷水机组与冷却塔之间的能耗关系能够联系起来，找到一个最佳平衡点，进而控制冷却塔的启停，使得冷却塔的运行台数始终控制在以最低能耗为目标的合理范围内。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为冷却塔节能控制装置的框架结构图；
49.图2为冷却塔节能控制装置的详细框架结构图；
50.图3为冷却塔节能控制装置的空调水系统结构图；
51.图4为冷却塔节能控制方法的流程图；
52.标号说明：
53.1-冷冻水出水流量传感器；2-冷冻水出水温度传感器；3-冷冻水进水温度传感器；4-冷水机组；5-冷却水出水温度传感器；6-冷却水出水流量传感器，7-冷却水进水温度传感器；8-冷却水泵；9-冷却水进塔电动阀；10-风机启停控制器；11-冷却水出塔电动阀；12-温湿度传感器。
具体实施方式
54.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
55.请参见图1，本实施例提供了一种冷却塔的节能控制装置，在本实施例中，节能控制包括气象参数采集模块、温度采集模块、流量采集模块、电表采集模块、执行模块和控制模块；
56.气象参数采集模块、温度采集模块、流量采集模块、电表采集模块以及执行模块分别与控制模块连接；
57.其中：气象参数采集模块用于采集所处环境的湿球温度数据；
58.温度采集模块用于采集空调冷水机组的冷冻水与冷却水温度数据；
59.流量采集模块用于采集空调冷水机组的冷冻水与冷却水出水流量数据；
60.电表采集模块用于采集冷却塔瞬时功率数据与冷水机组瞬时功率数据；
61.控制模块用于接收所述气象参数采集模块、所述温度采集模块、所述流量采集模块以及所述电表采集模块采集的数据，对所述采集的数据进行计算，并基于计算结果输出冷却塔控制指令；
62.执行模块用于根据所述冷却塔控制指令对冷却塔执行启停操作。
63.本实施例所提供的冷却塔的节能控制装置，通过采集周围环境的湿球温度、冷冻水与冷却水的温度、冷冻水与冷却水的出水流量以及冷却塔与冷水机组的瞬时功率数据，进而将采集到的各类数据发送至控制模块，在控制模块中根据采集的数据计算出增开一台冷却塔或者少开一台冷却塔后冷水机组的能耗，基于该能耗与冷却塔的瞬时功率确定在保障正常制冷的情况下空调系统能耗最低的控制策略，并通过控制模块输出控制指令后，执行模块对冷却塔执行启停操作，以最终实现节约能耗的目的。
64.在具体实施过程中，在该节能控制装置的外部，还有一监控平台，在运行时实时与冷却塔保持数据交互，监控冷却塔运行，控制模块还与外部监控平台通信连接，从而实现对冷却塔运行情况的远程监控。
65.在本发明的一个更具体的实施例中，请参见图2；
66.在本实施例中，控制模块具体包括数据传输模块、控制输出模块、计算模块和通讯
模块；
67.其中，数据传输模块用于接收气象参数采集模块、温度采集模块、流量采集模块以及电表采集模块所采集的数据，并将所采集的数据发送给计算模块；
68.控制输出模块用于输出计算模块的控制指令至执行模块，控制执行模块执行指令操作；
69.计算模块用于对所述采集的数据进行计算，并基于计算结果输出冷却塔控制指令；
70.通讯模块用于控制模块与外部的监控平台保持通信。
71.在一个更具体的实施例中，计算模块用于根据采集的数据计算出最优冷却塔启停台数的控制策略，具体包括：
72.计算模块根据已有的冷却水出水流量计算增开一台冷却塔后的冷却水出水流量；
73.根据采集的湿球温度、冷却水进水温度、冷却水出水温度，增开一台冷却塔后的冷却水出水流量计算增开一台冷却塔后的冷却水出水温度；同时根据冷冻水流量的体积、水密度、水比热、冷冻水进水温度、冷冻水出水温度计算冷水机组制冷量；
74.根据冷水机组制冷量、冷水机组瞬时功率计算机组能效；
75.根据冷水机组瞬时功率、冷水机组制冷量、冷水机组能效、冷却水回水温度以及增开一台冷却塔的冷却水回水温度计算增开一台冷却塔所节省的机组能耗；
76.根据增开一台冷却塔所节省的机组能耗与冷却塔的瞬时功率的比较判断是否增开一台冷却塔。
77.在一个更具体的实施例中，计算模块用于根据采集的数据计算出最优冷却塔启停台数的控制策略，还包括：
78.计算模块根据已有的冷却水出水流量计算少开一台冷却塔后的冷却水出水流量；
79.根据采集的湿球温度、冷却水进水温度、冷却水出水温度，少开一台冷却塔后的冷却水出水流量计算少开一台冷却塔后的冷却水出水温度；同时根据冷冻水流量的体积、水密度、水比热、冷冻水进水温度、冷冻水出水温度计算冷水机组制冷量；
80.根据冷水机组制冷量、冷水机组瞬时功率计算机组能效；
81.根据冷水机组瞬时功率、冷水机组制冷量、冷水机组能效、冷却水回水温度以及少开一台冷却塔的冷却水回水温度计算少开一台冷却塔所节省的机组能耗；
82.根据少开一台冷却塔所节省的机组能耗与冷却塔的瞬时功率的比较判断是否少开一台冷却塔。
83.在一个更具体的实施例中，请参见图3，图3为冷却塔节能控制装置的空调水系统结构图；冷却塔节能控制装置还包括：冷冻水出水流量传感器1、冷冻水出水温度传感器2、冷冻水进水温度传感器3、冷却水出水温度传感器5、冷却水出水流量传感器6、冷却水进水温度传感器7、冷却水泵8、冷却水进塔电动阀9、风机启停控制器10、冷却水出塔电动阀11以及温湿度传感器12。
84.其中，冷冻水出水流量传感器1设置于冷冻水出水管道位置，冷却水出水流量传感器6设置于冷却水出水管道位置，冷冻水出水流量传感器1与冷却水出水流量传感器6均与流量采集模块相连，用于检测冷冻水出水流量以及冷却水出水流量；
85.冷冻水出水温度传感器2设置于冷却水出水管道位置，冷冻水进水温度传感器3设
置于冷冻水进水管道位置，冷却水出水温度传感器5设置于冷却水出水管道位置，冷却水进水温度传感器7设置于冷却水进水管道位置；
86.冷冻水出水温度传感器2、冷冻水进水温度传感器3、冷却水出水温度传感器5、冷却水进水温度传感器7均与温度采集模块相连，用于检测空调冷冻水与冷却水的进出水温度；
87.冷却水进塔电动阀9设置于冷却水出水管道位置、冷却水出塔电动阀11设置于冷却水出水管道位置；
88.冷却水进塔电动阀9、风机启停控制器10、冷却水出塔电动阀11均与执行模块相连，冷却水进塔电动阀9用于控制冷却水进入冷却塔，风机启停控制器10用于控制风机开启与关闭，冷却水出塔电动阀用于控制冷却水流出冷却塔；
89.在具体实施过程中，执行模块在得到冷却塔控制器的指令后，若需要新增一台冷却塔，应该先打开对应冷却塔的电动阀，再打开风机；减少一台冷却塔时，应该先关闭该冷却塔风机，再关闭对应的电动阀。
90.温湿度传感器12与气象参数采集模块相连，用于检测周围环境的湿球温度数据。
91.本发明另一方面还提供一种节能控制方法的实施例，请参见图4，该方法具体包括：
92.s1：计算增开一台冷却塔的冷却水出水温度，具体函数关系如下：
93.t
0ut1
＝ats b(t
in-t
0ut
) cmc d
94.其中，ts为湿球温度，t
in
为冷却水进水温度，t
0ut
为冷却水出水温度，mc为多开一台冷却塔后的冷却水出水流量，a、b、c、d均为拟合系数；
95.s2：计算冷水机组制冷量，具体函数关系如下：
96.q＝mρc(t
i-t0)
97.其中，m为冷冻水的出水流量，ρ为水的密度，c为水的比热，ti为冷冻水进水温度，t0为冷冻水出水温度；
98.s3：计算机组能效，如下：
99.cop＝q/w
100.其中w为冷水机组的瞬时功率，由电表采集模块采集；
101.s4：计算增开一台冷却塔节省的机组能耗qs；在实施过程中发现，冷却水进水温度降低1℃，机组能效提高1.5％，因此具体函数关系如下：
102.qs＝w-q/(cop cop
×
(t
out-t
out1
)
×
0.015)
103.其中，t
out
为冷却塔的冷却水出水温度；
104.s5：当增开一台冷却塔时，判断qs是否大于冷却塔瞬时功率，如果是则控制执行模块增开一台冷却塔，如果否则保持原有运行状态；
105.在另一个具体的方法实施例中，还根据采集模块所采集的数据，计算少开一台冷却塔后冷水机组所对应产生的能耗，进而与冷却塔瞬时功率对比，判断是否能够关闭一台冷却塔以达到节能目的，具体包括：
106.x1：根据各个采集模块所采集的数据，计算少开一台冷却塔的冷却水出水温度，具体函数关系如下：
107.t
0ut1
＝ats b(t
in-t
0ut
) cmc d
108.其中，ts湿球温度，t
in
冷却水进水温度，t
0ut
冷却水出水温度，mc为少开一台冷却塔后的冷却水出水流量，a、b、c、d均为拟合系数；
109.x2：计算冷水机组制冷量，具体函数关系如下：
110.q＝mρc(t
i-t0)
111.其中，m为冷冻水的出水流量，ρ为水的密度，c为水的比热，ti为冷冻水进水温度，t0为冷冻水出水温度；
112.x3：计算机组能效如下：
113.cop＝q/w
114.其中w为冷水机组的瞬时功率，由电表采集模块采集；
115.x4：计算少开一台冷却塔节省的机组能耗qs，具体函数关系如下：
116.qs＝w-q/(cop cop
×
(t
out1-t
out
)
×
0.015)
117.其中，t
out
为冷却塔的冷却水出水温度；
118.x5：当少开一台冷却塔时，判断qs是否小于冷却塔瞬时功率，如果是则控制执行模块少开一台冷却塔，如果否则保持原有运行状态；
119.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。