一种冷水机组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，尤其涉及冷水机组的节能控制。


背景技术：

2.我国国民经济的飞跃式发展使得大型公共建筑的数量不断增多，而由此带来的建筑内高耗能问题也日益增长，其中尤其以空调系统能耗问题最为严重。
3.对于公共建筑空调系统来说，冷水机组的能耗往往是其重要组成部分，在许多实际工程中，冷水机组在空调系统总电耗中的占比最高，其运行效率对空调系统的整体效率有显著影响。
4.目前，中央空调系统在运行过程中普遍存在冷水机组负荷率较低，系统运行能效低，能耗却高的现象，造成这种情况产生的主要原因有两点：首先是因为中央空调系统的主机容量都是按照最大冷负荷来选择的，而实际运行过程中，系统只在一年中的气温最高的部分时间段才会出现满负荷运行的状态，其余时间段均为部分负荷运行的状态；其次是因为建筑物冷负荷是动态变化的，而冷水机组的运行未能随之动态优化调节，导致中央空调冷源系统运行能效普遍偏低，存在一定的能源浪费。
5.如何通过合理搭配冷水机组的运行台数来优化分配冷水机组的负荷，使整个中央空调冷源系统处于高效运行状态，避免出现冷水机组负荷率低能耗却高的现象，便成为了现有技术中亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种冷水机组节能控制装置及控制方法，旨在解决现有的空调系统不能有效分配冷水机组负荷，根据制冷需要合理搭配冷水机组运行台数的问题。
7.本发明第一方面提供一种冷水机组节能控制装置，包括：监测模块、数据采集模块、中央计算机以及通讯模块；
8.所述监测模块用于实时获取所述冷水机组的运行状态数据；
9.所述数据采集模块与所述监测模块以及空调系统控制板连接，用于采集所述监测模块监测到的冷水机组的运行状态数据以及空调系统控制板中储存的空调系统温控数据，并发送至所述中央计算机；
10.所述中央计算机用于存储预设的冷水机组的铭牌数据、所述运行状态数据以及所述空调系统温控数据，根据所述预设的冷水机组的铭牌数据、预设时长的历史运行状态数据建立冷水机组的能效模型，根据所述空调系统温控数据确定用户需求的制冷量，根据当前运行状态数据以及所述能效模型建立能耗目标方程，运算得出冷水机组的最优运行方式，并根据所述最优运行方式发出控制指令；
11.通讯模块用于向所述冷水机组发送所述中央计算机发出的控制指令。
12.具体的，所述中央计算机用于根据所述预设的冷水机组的铭牌数据、所述预设时长的历史运行状态数据建立冷水机组的能效模型，具体为：
13.所述中央计算机用于根据所述铭牌数据以及所述预设时长的历史运行状态数据，计算得出冷水机组的负荷率与冷水机组的性能系数；
14.根据所述冷水机组的负荷率与所述冷水机组的性能系数以及所述预设时长的历史运行状态数据，确定所述冷水机组的负荷率、所述冷水机组的性能系数与所述运行状态数据之间的函数关系；
15.根据所述函数关系建立所述冷水机组的能效模型。
16.具体的，所述中央计算机用于根据当前运行状态数据以及所述能效模型建立能耗目标方程，具体为：
17.所述中央计算机用于根据当前运行状态数据与所述能效模型中得出的所述冷水机组的性能系数、所述冷水机组的负荷率与所述运行状态数据之间的函数关系，以冷水机组的总功率最小为目标，以所述用户需求的制冷量为下限值，建立能耗目标方程，运算得出冷水机组的最优运行方式。
18.进一步的,所述中央计算机用于根据所述预设的冷水机组的铭牌数据、所述预设时长的历史运行状态数据建立冷水机组的能效模型，还包括：
19.当所述数据采集模块采集的所述预设时长的历史运行状态数据不足以建立所述冷水机组模型时，所述计算机用于采取顺序启停的方式控制冷水机组启停。
20.具体的,所述顺序启停的控制方式具体为：
21.根据所述用户需求的制冷量，依次开启额定制冷量从小到大的冷水机组，直至额定制冷量的总和大于所述用户需求的制冷量。
22.具体的，所述监测模块包括：冷冻水供水温度传感器、冷冻水回水温度传感器、冷却水回水温度传感器、冷冻水流量传感器以及智能电表；
23.所述冷冻水供水温度传感器设置于所述冷水机组冷冻水出口，用于监测冷冻水供水温度数据；
24.所述冷冻水回水温度传感器设置于所述冷水机组冷冻水回水干管，用于监测冷冻水回水温度数据；
25.所述冷却水回水温度传感器设置于所述冷水机组冷却水回水干管位置，用于监测冷却水回水温度数据；
26.所述冷冻水流量传感器设置于冷水机组冷冻水出口位置，用于监测冷冻水流量数据；
27.所述智能电表与冷水机组电路连接，用于监测所述冷水机组电路的能耗数据。
28.进一步的，本发明所提供的冷水机组节能控制装置，还包括控制模块；
29.所述控制模块分别与所述中央计算机以及所述冷水机组连接，用于根据所述中央计算机下达的控制指令控制冷水机组的运行。
30.本发明另一方面提供一种冷水机组的节能运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
31.s1：数据采集模块获取以下数据并发送至中央计算机储存：
32.(1)分别获取预设时长的每台冷水机组的历史运行状态数据包括：冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、冷冻水流量、冷却水回水温度以及输出功率；
33.(2)分别获取每台冷水机组的当前运行状态数据包括：冷冻水回水温度以及冷却
水回水温度；
34.(3)获取空调系统控制板中储存的空调系统温控数据，包括室内温度以及用户设置的制冷温度；
35.s2：调用所述每台冷水机组的历史运行状态数据，并建立工况数据集；对工况数据集进行预处理操作，具体包括：剔除逻辑异常数据、离群值数据、缺失值数据；
36.s3：根据所述每台机组的历史运行状态数据中的所述冷冻水供水温度、所述冷冻水回水温度以及所述冷冻水流量，计算出每台冷水机组的实际制冷量；
37.s4：调用预设的每台冷水机组的铭牌数据，包括：额定制冷量；
38.根据每台机组的所述额定制冷量、所述实际制冷量与所述输出功率，计算出每台冷水机组的性能系数以及负荷率；
39.s5：将所述每台冷水机组的负荷率，和工况数据集中的冷冻水回水温度以及冷却水回水温度作为输入，将所述每台冷水机组的性能系数作为输出，建立各冷水机组的能效模型；
40.对能效模型进行训练，确定冷冻水回水温度、冷却水回水温度、性能系数以及负荷率之间的函数关系，并求出函数关系系数；
41.s6：调用所述空调系统温控数据包括：室内温度以及用户设置的制冷温度；
42.根据空调系统将室内温度调节至用户设置的制冷温度的过程中，冷水机组产生的实际制冷量确定用户需求的制冷量；
43.s7：将步骤s5中由函数关系系数确定的每台冷水机组性能系数，与每台冷水机组负荷率、冷冻水回水温度、冷却水回水温度之间的函数关系，代入冷水机组的能耗目标方程，并以冷水机组总能耗最小作为目标、以当前时刻的用户需求的制冷量，求出每台冷水机组以最低能耗运行时的负荷率的值；
44.s8：根据运算结果得出的每台冷水机组负荷率plr，重新分配每台机组的运行负荷，并根据运行负荷的分配结果，通过通讯模块向冷水机组发出控制指令；
45.进一步的，当采集模块采集的数据组数不足以建立冷水机组模型时，通过如下步骤指导冷水机组运行：
46.x1：将冷水机组命名为q1、q2、q3、q4...，并且，按照冷水机组的额定制冷量排序q1＜q2＜q3＜q4...；
47.x2：判断用户需求的制冷量是否小于q1的额定制冷量的30％,如果是，则不启动冷水机组，如果否则进入步骤x3；
48.x3：判断用户需求的制冷量是否小于q2的额定制冷量的30％，如果是则启动q1，如果否则进入步骤x4；
49.x4：判断用户需求的制冷量是否小于q3的额定制冷量的30％，如果是则启动q2,并且当q3的额定制冷量大于q1与q2之和时，判断用户需求的制冷量是否大于q2的额定制冷量，如果是则同时开启q1，如果否则继续判断是否小于q4的额定制冷量的30％...以此类推直至所有机组全部运行；
50.x5：根据判断结果，通过通讯模块向冷水机组发出控制指令；
51.进一步的，所述数据采集模块获取预设时长的每台冷水机组的历史运行状态数据的数量为至少十组。
52.本发明的有益效果在于，本发明所提供的冷水机组节能控制装置，可以通过设置于冷水机组上的监测模块监测冷水机组的运行状态数据，通过数据采集模块获取监测模块监测的冷水机组运行状态数据，以及空调系统主控制板中储存的铭牌数据并发送至中央计算机，中央计算机根据获取的数据运算得出冷水机组的最优运行方式，并以此为基础发出控制指令指导冷水机组运行，使得冷水机组的运行台数始终保持在满足用户需求的制冷量的前提下，以最低能耗为目标的合理范围内。
附图说明
53.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。
54.图1为冷水机组节能控制装置整体框架结构图；
55.图2为冷水机组节能控制方法流程图；
具体实施方式
56.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。
57.请参见图1，本实施例提供一种冷水机组节能控制装置，具体包括：监测模块、数据采集模块、中央计算机以及通讯模块；
58.其中：监测模块用于监测冷水机组的运行状态数据；
59.数据采集模块与监测模块以及空调系统控制板连接，用于采集监测模块监测到的冷水机组的运行状态数据以及空调系统控制板中储存的空调系统温控数据，并发送至中央计算机；
60.中央计算机用于存储预设的冷水机组的铭牌数据、运行状态数据以及空调系统温控数据，根据预设的冷水机组的铭牌数据、预设时长的历史运行状态数据建立冷水机组的能效模型，根据当前运行状态数据以及能效模型建立能耗目标方程，根据所述空调系统温控数据确定用户需求的制冷量，运算得出冷水机组的最优运行方式，并根据所述最优运行方式发出控制指令；
61.通讯模块用于将中央计算机发出的控制指令发送至冷水机组。
62.在具体实施过程中，数据采集模块采集以下数据并发送至中央计算机储存：
63.(1)分别获取预设时长的每台冷水机组的历史运行状态数据包括：冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、冷冻水流量、冷却水回水温度以及输出功率；
64.(2)分别获取每台冷水机组的当前运行状态数据包括：冷冻水回水温度以及冷却水回水温度；
65.(3)获取空调系统控制板中储存的空调系统温控数据，包括室内温度以及用户设置的制冷温度。
66.在一个具体的实施例中，中央计算机用于根据数据采集模块采集的每台冷水机组的当前运行状态数据、预设时长的历史运行状态数据、铭牌数据以及空调系统温控数据，得出冷水机组的最优运行方式，并且根据最优运行方式发出控制指令指导冷水机组运行，具体包括：
67.首先，调用预设时长的每台冷水机组的历史运行状态数据包括：冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、冷冻水流量、冷却水回水温度以及输出功率，并建立工况数据集；对工况数据集进行预处理操作，具体包括：剔除逻辑异常数据、离群值数据、缺失值数据；其中，逻辑异常数据即为不符合因果关系的失真数据；
68.其次，根据工况数据集中的冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、冷冻水流量计算出每台冷水机组的实际制冷量；
69.调用预设的每台冷水机组的铭牌数据，包括：额定制冷量；
70.根据每台冷水机组的实际制冷量与输出功率，计算出每台冷水机组的性能系数，并通过每台冷水机组的额定制冷量与实际制冷量计算出每台冷水机组的负荷率；
71.将每台冷水机组的负荷率，和工况数据集中的冷冻水回水温度，以及冷却水回水温度作为输入，将每台冷水机组的性能系数作为输出，建立各冷水机组的能效模型；
72.对模型进行训练，确定性能系数与冷水机组的负荷率、冷冻水回水温度、冷却水回水温度之间的函数关系，求出关系系数的值；
73.然后，在模型训练完成后，调用空调系统温控数据包括：室内温度以及用户设置的制冷温度；根据空调系统将室内温度调节至用户设置的制冷温度的过程中，冷水机组产生的实际制冷量确定用户需求的制冷量；
74.最后，调用当前运行状态数据包括：冷冻水回水温度、冷却水回水温度；基于冷冻水回水温度与冷却水回水温度，以冷水机组总能耗最小作为目标并以当前时刻的用户需求的制冷量作为下限值，结合训练后的冷水机组的模型建立冷水机组的能耗目标方程。
75.将冷水机组的能效模型确定的性能系数与冷水机组的负荷率、冷冻水回水温度、冷却水回水温度之间的关系代入能耗方程中根据能耗目标方程的输出结果得出优化后各冷水机组的运行参数；
76.其中，最优运行方式即为中央计算机根据数据采集模块采集的数据所运算出的保证机组在满足用户需求的制冷量的同时，机组总能耗最低的运行方式。
77.在具体实施过程中，为保证每次获取的数据为处于相同时刻的同一组数据，数据采集模块在进行数据采集时，始终按照统一时间序列采集数据，并按照固定的频率储存至计算机；固定的频率可以根据实际需要选择，在这里不做限制。
78.为了使冷水机组模型能够确定性能系数与冷水机组的负荷、冷冻水回水温度、冷却水回水温度之间的函数关系，数据采集模块所采集的预设时长的历史运行状态数据至少为不同时刻的十组数据，预设时长为超过采集十组数据用时的时长。
79.在另一个具体的实施例中，当采集的预设时间的历史运行状态数据的组数不足以建立冷水机组模型时，采取顺序启停的控制策略，控制冷水机组启停，具体为：
80.根据用户需求的制冷量，依次开启额定制冷量从小到大的冷水机组，直至额定制冷量的总和大于用户需求的制冷量。
81.在另一个更具体的实施例中，监测模块包括：冷冻水供水温度传感器、冷冻水回水
温度传感器、冷却水回水温度传感器、冷冻水流量传感器以及智能电表；
82.冷冻水供水温度传感器设置于冷水机组冷冻水出口位置，用于监测冷冻水供水温度数据；
83.冷冻水回水温度传感器设置于冷水机组冷冻水回水干管位置，用于监测冷冻水回水温度数据；
84.冷却水回水温度传感器设置于冷水机组冷却水回水干管位置，用于监测冷却水回水温度数据；
85.冷冻水流量传感器设置于冷冻水出口位置，用于监测冷冻水流量数据；
86.智能电表与冷水机组电路连接，用于监测冷水机组的输出功率。
87.在另一个更具体的实施例中，冷水机组节能控制装置还包括控制模块；
88.控制模块分别与中央计算机以及冷水机组连接，用于接收中央计算机的控制指令，并根据中央计算机的指令控制冷水机组运行。
89.本发明另一方面还提供了一种冷水机组的节能运行控制方法，请参见图2，具体包括以下步骤：
90.s1：数据采集模块获取以下数据并发送至中央计算机储存：
91.(1)分别获取预设时长的每台冷水机组的历史运行状态数据包括：冷冻水供水温度t
eo
、冷冻水回水温度t
ei
、冷冻水流量m、冷却水回水温度t
ci
以及输出功率w；
92.(2)获取每台冷水机组的当前运行状态数据包括：冷冻水回水温度t
ei
以及冷却水回水温度t
ci
；
93.(3)获取空调系统控制板中储存的空调系统温控数据，包括室内温度以及用户设置的制冷温度；
94.s2：调用每台冷水机组的历史运行状态数据包括：冷冻水供水温度t
eo
、冷冻水回水温度t
ei
、冷冻水流量m、冷却水回水温度t
ci
以及输出功率w，并建立工况数据集；对工况数据集进行预处理操作，具体包括：剔除逻辑异常数据、离群值数据、缺失值数据；其中，逻辑异常数据即为不符合因果关系的失真数据；
95.s3：计算出每台冷水机组的实际制冷量如下：
96.q0＝cm(t
ei-t
eo
)
97.式中，c为水比热；
98.s4：调用预设的每台冷水机组的铭牌数据，包括：额定制冷量qe；
99.通过实际制冷量q0以及输出功率w，计算出每台冷水机组的性能系数cop，并通过实际制冷量q0与额定制冷量qe计算出每台冷水机组的负荷率plr，具体如下；
100.冷水机组的性能系数cop的值为：
[0101][0102]
冷水机组的负荷率plr的值为：
[0103][0104]
s5：将每台冷水机组的负荷率plr，和工况数据集中的冷冻水供水温度t
eo
，以及冷
却水回水温度t
ci
作为输入，将每台冷水机组的性能系数cop作为输出，建立各冷水机组的能效模型如下：
[0105][0106]
式中，copi代表第i台机组的性能系数，plri代表第i台冷水机组的负荷率；
[0107]
对能效模型进行训练，求出能效模型的函数关系系数β
0-β9的值，以确定性能系数与冷水机组的负荷率、冷冻水回水温度、冷却水回水温度之间的函数关系：
[0108]
为保障能够确定性能系数与冷水机组的负荷率、冷冻水回水温度、冷却水回水温度之间的函数关系，所获取的预设时长的历史运行数据的数量为至少十组；
[0109]
s6：调用空调系统温控数据包括：室内温度以及用户设置的制冷温度；根据空调系统将室内温度调节至用户设置的制冷温度的过程中，冷水机组产生的实际制冷量确定用户需求的制冷量；
[0110]
s7：调用当前运行状态数据包括：冷冻水回水温度t
ei
、冷却水回水温度t
ci
；
[0111]
基于冷冻水回水温度t
ei
与冷却水回水温度t
ci
建立冷水机组的能耗目标方程为：
[0112][0113]
式中，pz为机组总功率；q
e,i
为第i台冷水机组的额定制冷量；
[0114]
将s5中由函数关系系数β确定的每台冷水机组性能系数cop，与每台冷水机组负荷率plr、冷冻水回水温度t
ei
、冷却水回水温度t
ci
之间的函数关系，代入冷水机组的能耗目标方程，并以冷水机组总能耗最小作为目标、以当前时刻的用户需求的制冷量作为下限值，求出每台冷水机组以最低能耗运行时的负荷率plr的值；
[0115]
为了使每台机组能够稳定运行，减少出现喘振现象，还需要为冷水机组的负荷率设置下限值，使冷水机组在不低于30％的负荷率下运行；
[0116]
s8：根据运算结果得出的每台冷水机组的负荷率plr，重新分配每台机组的运行负荷，并根据运行负荷的分配结果向控制模块发出控制指令；
[0117]
s9：控制模块根据中央计算机的控制指令，通过通讯模块控制冷水机组运行。
[0118]
在本发明的另外一个节能运行控制方法的实施例中，请参见图2，当数据采集模块的历史运行状态数据的组数不足以建立冷水机组模型时，按照如下步骤控制冷水机组启停：
[0119]
x1：将冷水机组命名为q1、q2、q3、q4...，并且，按照冷水机组的额定制冷量排序q1＜q2＜q3＜q4...；
[0120]
x2：判断用户需求的制冷量是否小于q1的额定制冷量的30％,如果是，则不启动冷水机组，如果否则进入步骤x3；
[0121]
x3：判断用户需求的制冷量是否小于q2的额定制冷量的30％，如果是则启动q1，如果否则进入步骤x4；
[0122]
x4：判断用户需求的制冷量是否小于q3的额定制冷量的30％，如果是则启动q2,并且当q3的额定制冷量大于q1与q2之和时，判断用户需求的制冷量是否大于q2的额定制冷
量，如果是则同时开启q1，如果否则继续判断是否小于q4的额定制冷量的30％...以此类推直至所有机组全部运行；
[0123]
x5：根据判断结果向控制模块发送控制指令；
[0124]
x6：控制模块通过通讯模块向冷水机组下达控制指令。
[0125]
中央计算机根据上述能耗目标优化出各冷水机组的负荷分配率以及机组的启停台数，得出机组系统能耗最小时的运行工况，并以此指导冷水机组运行。
[0126]
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。