CN103453620B - 基于能效测评与优化控制的空调系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调系统能效测评与控制领域，旨在提供一种基于能效测评与优化控制的空调系统及其方法。该系统的新风温度传感器、回风温度传感器、回风湿度传感器、送风流量传感器、供水温度传感器通过机柜的输入端连接至PLC，PLC通过输出端连接至空调机组风机的电机、电子式动态流量平衡阀、新风阀和回风阀。本发明在冷冻水系统以及空调末端安装智慧阀门，将冷冻水供水温度、冷冻水供水压力、室外温度和末端开关信号作为输入输出点；将各信号和流量作为智慧阀门MODBUS的通讯点，根据测评方法计算出各个系统的能效系数，然后在控制装置中进行优化分析，改变智能控制数据，使得系统的能效大幅度提高，从而达到节能降耗的效果。

Description

基于能效测评与优化控制的空调系统及其方法

技术领域

本发明涉及空调系统能效测评与控制领域。更具体地说，本发明涉及基于能效测评与优化控制的空调系统及其方法。

背景技术

中央空调是现代建筑的主要能耗部分。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，而中央空调设备97%的时间在70%负荷以下波动运行，实际空调负荷平均只有设备能力的50%左右，因而出现了“大马拉小车”的现象，造成巨大浪费。而且在空调运行期间，各个电机都长期固定在工频状态下全速运行，循环水的流量则是通过节流阀和旁通阀来调节，难以实现水流量与制冷量的实时匹配，造成水系统长期处于“大流量、小温差”的高能耗运行状态，并使制冷机组的COP下降。所以需要对传统的中央空调进行节能控制以降低能耗，提升能效系数。在能源问题日益突出的今天，对空调领域的节能降耗有着重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于能效测评与优化控制的空调系统及其方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于能效测评与优化控制的空调系统，包括装有PLC、输入端和输出端的机柜，该装置还包括：

在新风管上装有新风温度传感器和新风阀；在回风管上装有回风温度传感器、回风湿度传感器和回风阀；在送风管上装有送风流量传感器；主风管中设过滤器、表冷/加热器和空调机组风机；表冷/加热器的供水管上装有供水温度传感器，回水管上装有电子式动态平衡流量调节阀；所述新风温度传感器、回风温度传感器、回风湿度传感器、送风流量传感器、供水温度传感器通过机柜的输入端连接至PLC，PLC通过输出端连接至空调机组风机的电机、电子式动态流量平衡阀、新风阀和回风阀；

在冷冻水供水管和冷冻水回水管之间安装N组风机盘管，风机盘管与冷冻水回水管之间设电动二通阀；在冷冻水回水管末端设智慧阀门；在冷冻水供水管上安装温度传感器和压力传感器，室外安装温度传感器，各温度传感器和压力传感器及风机盘管开关信号经电缆由机柜的输入端连接至PLC，PLC通过信号线经输出端和输入端一并与所述智慧阀门相连。

本发明中，所述机柜中还装有：继电器、电源、电源插座、变压器、空气断路开关、显示屏和通讯接口；其中，电源、电源插座、空气断路开关、变压器依次连接，变压器接至机柜内部的各设备以实现供电；PLC分别与通讯接口和显示屏相连。

本发明进一步提供了应用于前所述空调系统的能效测评方法，包括对冷水机组、输配系统、末端系统和水动力系统的能效系数进行计算；具体为：

（1）冷水机组的能效系数计算

冷水机组的能效系数是指冷水机组的制冷量Q₁以及消耗的总功率N₁比值，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_1=\frac{Q_1}{N_1}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{{3600N}_1}$

式中：COP_1：冷水机组的能效系数；Q₁：制冷量，冷水机组输出的制冷量，kw；N₁：冷水机组的总输入功率，kw；ρ：冷冻水密度，kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

其中N₁=N₁₁+N₁₂+N₁₃，N₁₁为冷水机组消耗的电功率；N₁₂为冷冻水泵系统消耗的电功率，包括1次泵与2次泵以及变频器；N₁₃为冷却水泵系统消耗的电功率，包括冷却水泵和冷却塔风机以及变频器；

（2）输配系统的能效系数计算

在系统运行期间，由测量得到的冷冻水泵循环水系统输出的制冷量Q₂与其消耗的总功率N₂就可以得到输配系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_2=\frac{Q_2}{N_2}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{{3600N}_2}$

式中：COP_2：输配系统的能效系数；Q₂：冷冻水泵循环水系统输出的制冷量，kw；N₂：冷冻水泵循环水系统消耗的总功率，kw；ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

（3）末端系统的能效系数计算

在系统运行期间，通过测量末端设备消化的制冷量Q₃与消耗的功率N₃，就可以计算出末端系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_3=\frac{Q_3}{N_3}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{{3600N}_3}$

式中：COP_3：末端系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消化的制冷量，kw；N₃：末端系统设备消耗的总功率，kw，ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

其中：N₃=ΣN_{3_i}；

N_{3_i}=N_{3i_QdP}+N_{3i_FAN}；

N_{3i_QdP}：水动力=水流量×（末端水压差+阀门水压差）；

N_{3i_FAN}：风动力=风机输入功率；

i是指第i个末端设备；

（4）水动力系统的能效系数计算

在系统运行期间，通过测量出来的循环水的体积流量及扬程得到水动力系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_3W=\frac{Q_3}{{N^{\′}}_3}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{Q\·\mathrm{\ΔP}}$

式中：COP_3W：水动力系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消化的制冷量，kw；N'₃：管网消耗的功率，kw；ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；Q：循环水的体积流量，m³/h；ΔP：循环水的扬程，m；

（5）整个系统的能效系数计算

由末端设备消化的制冷量，以及冷水机组、末端设备消耗的功率，计算出整个系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_S=\frac{Q_3}{N_1+N_3}$

式中：COP_S：整个系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消化的制冷量，kw；N₁：冷水机组的总输入功率，kw；N₃：末端系统设备消耗的总功率，kw；

（6）用户通过计算获得整个空调系统及各子系统的能效系数，以此获得对空调系统运行能效的评测结果。

通过测量系统运行参数，应用以上方法就可以得到整个空调系统及子系统的能效系数，使用户能更清楚的了解系统的运行情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的控制方法为在冷冻水系统以及空调末端安装智慧阀门，同时在水系统中安装温度传感器，室外也需安装温度传感器，将冷冻水供水温度、冷冻水供水压力、室外温度和末端开关信号作为输入输出点；将冷冻水回水温度、阀前压力、阀后压力、压差、执行器开度、输入开度控制信号和流量作为智慧阀门MODBUS的通讯点，根据测评方法计算出各个系统的能效系数，然后在控制装置中进行优化分析，改变水泵的频率，风机的转速以及阀门的开度等智能控制，使得系统的能效大幅度提高，从而达到节能降耗的效果。

附图说明

图1是本发明中空调系统的机柜结构示意图；

图2是空调机组实施控制结构示意图；

图3是冷冻水供回水管示意图。

图1中：1PLC，2显示屏，3继电器，4电源，5电源插座，6变压器，7空气断路开关，8通讯接口，9输出端，10输入端；

图2中：11回风温度传感器，12回风湿度传感器，13混合段，14过滤段，15表冷段，16加热段，17加湿段，18风机，19送风流量传感器，20加湿控制，21供水温度传感器，22智电子式动态平衡流量调节阀，23报警器，24新风温度传感器，25新风管，26新风阀，27回风管，28回风阀，29送风管，300过滤器，301表冷/加热器，302空调机组风机；

图3中：31智慧阀门，32温度传感器，33电动二通阀，34风机盘管。

具体实施方式

参照附图，对本发明进行详细说明。

如图2、3所示，基于能效测评与优化控制的空调系统，包括机柜，机柜中装有PLC1（可编程逻辑控制器）、显示屏2、继电器3、电源4、电源插座5、变压器6、空气断路开关7、通讯接口8、输出端9和输入端10；其中，电源4、电源插座5、空气断路开关7、变压器6依次连接，变压器6接至机柜内部的各设备以实现供电；PLC1分别与通讯接口8和显示屏2相连。

该装置还包括空调机组实施控制结构以及冷冻水供回水管：

在新风管25上装有新风温度传感器24和新风阀26；在回风管27上装有回风温度传感器11、回风湿度传感器12和回风阀28；在送风管29上装有送风流量传感器19；主风管中设过滤器300、表冷/加热器301和空调机组风机302；表冷/加热器301的供水管上装有供水温度传感器21，回水管上装有电子式动态平衡流量调节阀22；所述新风温度传感器24、回风温度传感器11、回风湿度传感器12、送风流量传感器19、供水温度传感器21通过机柜的输入端连接至PLC1，PLC1通过输出端连接至空调机组风机302的电机、电子式动态流量平衡阀22、新风阀26和回风阀28。

在冷冻水供水管和冷冻水回水管之间安装N组风机盘管，风机盘管与冷冻水回水管之间设电动二通阀33；在冷冻水回水管末端设智慧阀门31；在冷冻水供水管上安装温度传感器32和压力传感器P1、P2、P3，室外安装温度传感器，各温度传感器和压力传感器及风机盘管开关信号经电缆由机柜的输入端连接至PLC1，PLC1通过信号线经输出端9和输入端10一并与所述智慧阀门31相连。

所述电子式动态平衡流量调节阀22、智慧阀门31均为集嵌入式软件、传感技术、智能控制器、调节阀与执行机构为一体的装置。通过它们可以调节冷冻水的流量，同时机组的运行情况由PLC1内嵌的分散控制系统进行控制，根据负荷变化来相应的改变机组频率以及开启台数，将机组运行能效作为优化目标值，通过优化控制，使得机组的能效最佳。电子式动态平衡流量调节阀22、智慧阀门31智慧阀门均已有成熟产品，例如杭州哲达科技股份有限公司生产的ZIPC46系列的电子式动态平衡流量调节阀、ZIPC46-EM能量感知型智能调节阀。因其具体技术内容不是本实用新型的重点，故不再赘述。

本发明中，应用于空调系统的能效测评方法，包括对冷水机组、输配系统、末端系统和水动力系统的能效系数进行计算；具体为：

（1）冷水机组的能效系数计算

冷水机组的能效系数是指冷水机组的制冷量Q₁以及消耗的总功率N₁比值，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_1=\frac{Q_1}{N_1}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{{3600N}_1}$

式中：COP_1：冷水机组的能效系数；Q₁：制冷量，冷水机组输出的制冷量，kw；N₁：冷水机组的总输入功率，kw；ρ：冷冻水密度，kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

其中N₁=N₁₁+N₁₂+N₁₃，N₁₁为冷水机组消耗的电功率；N₁₂为冷冻水泵系统消耗的电功率，包括1次泵与2次泵以及变频器；N₁₃为冷却水泵系统消耗的电功率，包括冷却水泵和冷却塔风机以及变频器；

（2）输配系统的能效系数计算

在系统运行期间，由测量得到的冷冻水泵循环水系统输出的制冷量Q₂与其消耗的总功率N₂就可以得到输配系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_2=\frac{Q_2}{N_2}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{{3600N}_2}$

式中：COP_2：输配系统的能效系数；Q₂：冷冻水泵循环水系统输出的制冷量，kw；N₂：冷冻水泵循环水系统消耗的总功率，kw；ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

（3）末端系统的能效系数计算

在系统运行期间，通过测量末端设备消化的制冷量Q₃与消耗的功率N₃，就可以计算出末端系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_3=\frac{Q_3}{N_3}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{{3600N}_3}$

式中：COP_3：末端系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消化的制冷量，kw；N₃：末端系统设备消耗的总功率，kw，ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

其中：N₃=ΣN_{3_i}；

N_{3_i}=N_{3i_QdP}+N_{3i_FAN}；

N_{3i_QdP}：水动力=水流量×（末端水压差+阀门水压差）；

N_{3i_FAN}：风动力=风机输入功率；

i是指第i个末端设备；

（4）水动力系统的能效系数计算

在系统运行期间，通过测量出来的循环水的体积流量及扬程得到水动力系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_3W=\frac{Q_3}{{N^{\′}}_3}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{Q\·\mathrm{\ΔP}}$

式中：COP_3W：水动力系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消化的制冷量，kw；N'₃：管网消耗的功率，kw；ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；Q：循环水的体积流量，m³/h；ΔP：循环水的扬程，m；

（5）整个系统的能效系数计算

由末端设备消化的制冷量，以及冷水机组、末端设备消耗的功率，计算出整个系统的能效系数，其计算公式如下：

$\mathrm{COP}\_S=\frac{Q_3}{N_1+N_3}$

式中：COP_S：整个系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消化的制冷量，kw；N₁：冷水机组的总输入功率，kw；N₃：末端系统设备消耗的总功率，kw；

（6）用户通过计算获得整个空调系统及各子系统的能效系数，以此获得对空调系统运行能效的评测结果，使用户能更清楚的了解系统的运行情况。

Claims (2)

1.基于能效测评与优化控制的空调系统，包括装有PLC、输入端和输出端的机柜，其特征在于，该系统还包括：

在新风管上装有新风温度传感器和新风阀；在回风管上装有回风温度传感器、回风湿度传感器和回风阀；在送风管上装有送风流量传感器；主风管中设过滤器、表冷/加热器和空调机组风机；表冷/加热器的供水管上装有供水温度传感器，回水管上装有电子式动态平衡流量调节阀；所述新风温度传感器、回风温度传感器、回风湿度传感器、送风流量传感器、供水温度传感器通过机柜的输入端连接至PLC，PLC通过输出端连接至空调机组风机的电机、电子式动态平衡流量调节阀、新风阀和回风阀；

在冷冻水供水管和冷冻水回水管之间安装N组风机盘管，风机盘管与冷冻水回水管之间设电动二通阀；在冷冻水回水管末端设智慧阀门；在冷冻水供水管上安装温度传感器和压力传感器，室外安装温度传感器，各温度传感器和压力传感器及风机盘管开关信号经电缆由机柜的输入端连接至PLC，PLC通过信号线经输出端和输入端一并与所述智慧阀门相连；

所述机柜中还装有：继电器、电源、电源插座、变压器、空气断路开关、显示屏和通讯接口；其中，电源、电源插座、空气断路开关、变压器依次连接，变压器接至机柜内部的各设备以实现供电；PLC分别与通讯接口和显示屏相连。

2.一种应用于权利要求1所述空调系统的能效测评方法，其特征在于，包括对冷水机组、输配系统、末端系统和水动力系统的能效系数进行计算；具体为：

(1)冷水机组的能效系数计算

冷水机组的能效系数是指冷水机组的制冷量Q₁以及消耗的总功率N₁比值，其计算公式如下：

$COP\_1=\frac{Q_1}{N_1}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{3600N_1}$

式中：COP_1：冷水机组的能效系数；Q₁：制冷量，冷水机组输出的制冷量，kw；N₁：冷水机组的总输入功率，kw；ρ：冷冻水密度，kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

其中N₁＝N₁₁+N₁₂+N₁₃，N₁₁为冷水机组消耗的电功率；N₁₂为冷冻水泵系统消耗的电功率，包括1次泵与2次泵以及变频器；N₁₃为冷却水泵系统消耗的电功率，包括冷却水泵和冷却塔风机以及变频器；

(2)输配系统的能效系数计算

在系统运行期间，由测量得到的冷冻水泵循环水系统输出的制冷量Q₂与其消耗的总功率N₂就可以得到输配系统的能效系数，其计算公式如下：

$COP\_2=\frac{Q_2}{N_2}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{3600N_2}$

式中：COP_2：输配系统的能效系数；Q₂：冷冻水泵循环水系统输出的制冷量，kw；N₂：冷冻水泵循环水系统消耗的总功率，kw；ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

(3)末端系统的能效系数计算

在系统运行期间，通过测量末端设备消耗的制冷量Q₃与消耗的功率N₃，就可以计算出末端系统的能效系数，其计算公式如下：

$COP\_3=\frac{Q_3}{N_3}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{3600N_3}$

式中：COP_3：末端系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消耗的制冷量，kw；N₃：末端系统设备消耗的总功率，kw，ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；

其中：N₃＝ΣN_{3_i}；

N_{3_i}＝N_{3i_QdP}+N_{3i_FAN}；

N_{3i_QdP}：水动力＝水流量×(末端水压差+阀门水压差)；

N_{3i_FAN}：风动力＝风机输入功率；

i是指第i个末端设备；

(4)水动力系统的能效系数计算

在系统运行期间，通过测量出来的循环水的体积流量及扬程得到水动力系统的能效系数，其计算公式如下：

$COP\_3W=\frac{Q_3}{{N^{\′}}_3}=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P{G}_D{\mathrm{\ΔT}}_D}{Q\·\mathrm{\Δ}P}$

式中：COP_3W：水动力系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消耗的制冷量，kw；N'₃：管网消耗的功率，kw，ρ：冷冻水密度,kg/m³；C_P：冷冻水的定压比热容，J/(kg·K)；G_D：冷冻水流量，m³/h；ΔT_D：冷冻水供回水温差，K；Q：循环水的体积流量，m³/h；ΔP：循环水的扬程，m；

(5)整个系统的能效系数计算

由末端设备消耗的制冷量，以及冷水机组、末端设备消耗的功率，计算出整个系统的能效系数，其计算公式如下：

$COP\_S=\frac{Q_3}{N_1+N_3}$

式中：COP_S：整个系统的能效系数；Q₃：末端系统设备消耗的制冷量，kw；N₁：冷水机组的总输入功率，kw；N₃：末端系统设备消耗的总功率，kw；

(6)用户通过计算获得整个空调系统及各子系统的能效系数，以此获得对空调系统运行能效的评测结果。