专利名称：中央空调气候补偿控制器和中央空调气候补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种空调节能器件以及一种节能控制方法，具体地说，是涉及 一种中央空调气候补偿控制器和一种中央空调气候补偿节能方法。
背景技术：
空调系统带给了人们一个温度适宜、湿度恰当、空气清净的环境，但空调 却又是现代楼宇的能耗大户。根据国内外资料统计，中央空调系统的全年能耗
占整个建筑物全年能耗的40 60%。在中央空调系统的耗能设备中，冷水机组 能耗最大，其次是风柜等末端设备，其约占整个空调系统的25%，而水泵占整 个空调系统能耗的15 20%。并且，早期的投资方较在乎的只是投资成本，但 营运后才发现运行费用过高，如此长期营运所付出的代价远比投资节省的费用 大得多。由此可见，研究出一种中央空调系统节能方案是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中央空调气候补偿控制器和中央空调气候补 偿方法，该气候补偿控制器可以通过实施气候补偿方法来实现制冷节能的目 标。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案
一种中央空调气候补偿控制器，其特征在于它包括主控单元、串口扩展
单元和485/232接口单元，该主控单元与串口扩展单元相连，该主控单元和串 口扩展单元分别经由485/232接口单元与外部设备相连，其中该主控单元包 括主控芯片和主控芯片接口单元，该主控芯片经由该主控芯片接口单元与该串 口扩展单元和485/232接口单元连接该串口扩展单元包括扩展微处理器，该 扩展微处理器连接有微处理器监控电路；该485/232接口单元包括第一光耦单 元、第一发送接收单元、第二光耦单元和第二发送接收单元，该主控芯片经由 主控芯片接口单元、第一光耦单元与第一发送接收单元连接，该扩展微处理器 经由第二光耦单元与第二发送接收单元连接，该第一、第二发送接收单元与该 外部设备连接；该外部设备包括室外温度传感器、室外湿度传感器、多个室内 用户温度传感器、多个冷水机组、放置在冷水机组管道内的多个温度传感器、 冷冻泵、冷却泵和冷却塔。.
一种中央空调气候补偿方法，其特征在于它包括如下步骤步骤l:气候补偿控制器采集室内用户温度、室外温湿度以及冷水机组的运行状态参数； 步骤2:根据采集的各项参数，气候补偿控制器通过自寻优算法求取出开启的 冷水机组的最佳工作点；步骤3:根据确定的最佳工作点，气候补偿控制器计
算冷冻泵、冷却泵和冷却塔的最佳工作频率而控制冷冻泵、冷却泵和冷却塔运 行在最佳工作频率上，同时调整冷水机组的工作参数，使中央空调根据外部气 候条件的变化来相应调整冷水机组的冷冻水供水温度，以达到冷水机组节能目 的。
本发明具有如下优点
本发明气候补偿控制器可根据室外温湿度变化、用户在不同时间内设定的 室内温度要求，通过构筑物冷消耗曲线、冷水机组的工作效率曲线等来求取出 冷水机组最佳的冷冻水供水温度，从而实现中央空调根据外部气候条件的变化 来相应调整冷水机组的供水温度而达到冷水机组节能的目的。
本发明气候补偿控制器内采用中央空调气候补偿方法来实现自动控制供 水温度，实现了空调系统的智能化室温气候补偿，该中央空调气候补偿方法具 有自学习的功能，可使中央空调系统的节能达到最优。
本发明气候补偿控制器不同于中央空调节能领域中的传统节电器模式或 单一变频节电模式，其以中央空调气候补偿方法为核心思想，直接针对最大耗 能设备一一冷水机组，通过调整冷水机组的工艺运行参数而进行节能，这种最 复杂、最深入的节能模式不仅具有较大的节能空间，能取得更明显的经济效益， 而且这种节能模式能保证原来的变频节电系统安全可靠运行，使中央空调系统 具有很高的稳定性和安全性，是中央空调的最佳节能控制手段。举例来说，中
央空调系统的全年能耗占整个建筑物全年能耗的40 60%,目前北京有3000 套中央空调机组运行，平均功率在500kW以上，按照综合节能15%进行核算， 若采用本发明的节能模式进行节能，则每年节省的电耗可超过3亿kWh，经济 效益和环境效益非常可观。
图1是本发明中央空调气候补偿控制器的工作示意图2是本发明中央空调气候补偿控制器的组成方框示意图； 图3是主控单元的主控芯片接口单元的电路原理图； 图4是串口扩展单元的电路原理图5是485/232接口单元的电路原理图6是通信接口单元的电路原理5图7是USB接口单元的电路原理图； 图8是LAN以太网接口单元的电路原理图； 图9是实时时钟单元的电路原理图； 图IO是IC卡通讯接口单元的电路原理图； 图11是输入输出接口单元的电路原理图； 图12是本发明中央空调气候补偿方法的实现流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明中央空调气候补偿控制器100包括主控单元 101、串口扩展单元102和485/232接口单元103。该主控单元101与串口扩展 单元102相连，该主控单元101和串口扩展单元102分别经由485/232接口单 元103与外部设备104相连。
该主控单元101包括主控芯片和图3所示的主控芯片接口单元(主要由隔 离器件和锁存器件组成)，主控芯片可选用ATMELAT91RM9200芯片，该主 控芯片经由该主控芯片接口单元与该串口扩展单元102和485/232接口单元 103连接。如图4所示，该串口扩展单元102包括扩展微处理器MD801，该扩 展微处理器可选用ATMEL128芯片，该扩展微处理器MD801连接有微处理器 监控电路MAX705 (MD804)。如图5所示，该485/232接口单元103包括第 一光耦单元、第一发送接收单元、第二光耦单元和第二发送接收单元。如图， 第一光耦单元主要由光耦E601 E606组成，第一发送接收单元为由收发器 N603、N605所构成的收发电路，第二光耦单元主要由ME601 、ME602、ME603、 ME6U、 ME612、 ME613组成，第二发送接收单元为由收发器MD806、 MD816 所构成的收发电路。该主控芯片经由主控芯片接口单元、第一光耦单元与第一 发送接收单元连接，该扩展微处理器MD801经由第二光耦单元与第二发送接 收单元连接，该第一、第二发送接收单元与该外部设备104连接。
在实际应用中，本发明气候补偿控制器IOO被放置在冷水机组房间内，其 与外部设备104相连。如图1，该外部设备104可包括室外温度传感器800、 室外湿度传感器卯O、 n个室内用户温度传感器700-l~700-n、 N个冷水机组1 至N 200-l 200-N、放置在冷水机组管道内的多个温度传感器(未示出)、冷 冻泵300、冷却泵400和冷却塔500。其中，各冷水机组上设有的负载检测接 口、电流检测接口、电压检测接口和冷却水供水、回水温度输出接口与485/232 接口单元103连接，放置在冷水机组管道内的多个温度传感器包括放置在各冷水机组冷冻水供水、回水管道内的温度传感器以及放置在冷水机组总冷冻水供 水、回水管道内的温度传感器。
实际实施时，本发明气候补偿控制器还可具有其它功能，例如，主控单元
101可经由USB接口单元107与USB相连，主控单元101可经由LAN以太网 接口单元108与LAN以太网相连，主控单元101可经由通信接口单元106与 远程监控中心600相连，串口扩展单元102可经由CAN接口单元105与控制 设备相连，主控单元101外部可设置实时时钟单元109，来为主控单元101提 供准确的时间基准。另外，主控单元101外围还可设有IC卡通讯接口单元110， 以用于与IC卡通讯而进行授权管理等操作，主控单元101还可设有输入输出 接口单元1I1，以用于实现运行状态检测和报警等输出控制。通信接口单元106、 USB接口单元107、 LAN以太网接口单元108、实时时钟单元109、 IC卡通讯 接口单元110、输入输出接口单元111的电路原理图分别见图6至图11所示， 这些单元的电路设计属于公知技术，故这里不再赘述。
工作时，本发明气候补偿控制器通过外部设备104采集所需的各种参数， 并将这些参数通过485/232接口单元103传输给主控单元101中的主控芯片， 然后主控芯片根据一种中央空调气候补偿方法来分析处理这些参数数据，最终 得出最佳控制方案，并按照该最佳控制方案来控制冷水机组200-l 200-N、冷 冻泵300、冷却泵400、冷却塔500的运行，从而实现冷水机组节能目标。
本发明气候补偿控制器采用的中央空调气候补偿方法如图12所示，该方 法通过自动控制供水温度来实现空调系统的智能化室温气候补偿过程，该方法 具有自学习的功能，可使中央空调系统的节能达到最优。该气候补偿方法包括 如下步骤
步骤1:气候补偿控制器100采集室内用户温度Trl Trn、室外温湿度丁w、 Hvv以及冷水机组的运行状态参数。其中，冷水机组的运行状态包括每台冷水 机组的负载设定值、工作电压电流、冷却水回水供水温度、冷冻水回水供水温 度以及总体冷水机组的冷冻水回水供水温度。注意，总体冷水机组的冷冻水回 水供水温度由冷水机组总冷冻水供水、回水管道内的温度传感器测得。
步骤2:根据采集的各项参数，气候补偿控制器IOO通过自寻优算法求取 出开启的冷水机组的最佳工作点。
步骤3:根据确定的最佳工作点，气候补偿控制器100计算冷冻泵300、 冷却泵400和冷却塔500的最佳工作频率，以控制冷冻泵300、冷却泵400和 冷却塔500运行在最佳工作频率上，同时调整开启的冷水机组的工作参数(例如工作电压电流等)，使中央空调根据外部气候条件的变化来相应调整冷水机 组的冷冻水供水温度，以达到本发明通过冷水机组进行节能的目的。 其中，步骤2具体包括步骤2-l:通过如下公式(l),计算构筑物冷消耗(也可称为用户冷消耗) 和消耗系数，构建构筑物冷消耗曲线，构筑物冷消耗-ClX流量X(总冷冻水回水温度—总冷冻水供水温度)(l) 其中Cl为设定系数，消耗系数是指构筑物每升高rc所消耗的能量或热量，其是由室外温湿度、 构筑物所需流量等参数计算得出的。步骤2-2:通过如下公式(2)至(5)，分别计算总体冷水机组和每台冷水机组的冷消耗、电消耗，构建总体冷水机组和每台冷水机组的工作效率曲线，总体冷水机组的冷消耗二C2X流量X(总冷却水供水温度-总冷却水回水 温度)(2)总体冷水机组的电消耗=各冷水机组的电消耗之和 (3) 冷水机组的冷消耗-C3X流量X(冷却水供水温度-冷却水回水温度)(4) 冷水机组的电消耗C4X工作电压X工作电流 (5) 其中C2、 C3、 C4为设定系数。步骤2-3:根据构筑物冷消耗曲线和用户设定温度，计算用户需冷量。 步骤2-4:根据用户需冷量、总体冷水机组的工作效率曲线和每台冷水机组的工作效率曲线，计算需开启的冷水机组数量，并且计算所开启的每台冷水机组的冷冻水供水温度，求取每台冷水机组的有效工作点。步骤2-5:对上述步骤2-1至2-4重复执行N次(一般，重复执行次数N应大于2)，优化每台冷水机组的有效工作点，求取出在某段时间内每台冷水机组的最佳工作点。该步骤中的优化手段可为爬山搜索和最小二乘等各种方法，属于公知技术，不详述。本发明具有如下优点本发明气候补偿控制器可根据室外温湿度变化、用户在不同时间内设定的 室内温度要求，通过构筑物冷消耗曲线、冷水机组的工作效率曲线等来求取出 冷水机组最佳的冷冻水供水温度，从而实现中央空调根据外部气候条件的变化 来相应调整冷水机组的供水温度而达到冷水机组节能的目的。本发明气候补偿控制器内采用中央空调气候补偿方法来实现自动控制供 水温度，实现了空调系统的智能化室温气候补偿，该中央空调气候补偿方法具8有自学习的功能，可使中央空调系统的节能达到最优。
本发明气候补偿控制器不同于中央空调节能领域中的传统节电器模式或 单一变频节电模式，其以中央空调气候补偿方法为核心思想，直接针对最大耗 能设备一一冷水机组，通过调整冷水机组的工艺运行参数而进行节能，这种最 复杂、最深入的节能模式不仅具有较大的节能空间，能取得更明显的经济效益， 而且这种节能模式能保证原来的变频节电系统安全可靠运行，使中央空调系统 具有很高的稳定性和安全性，是中央空调的最佳节能控制手段。举例来说，中
央空调系统的全年能耗占整个建筑物全年能耗的40 60%，目前北京有3000 套中央空调机组运行，平均功率在500kW以上，按照综合节能15%进行核算， 若采用本发明的节能模式进行节能，则每年节省的电耗可超过3亿kWh，经济 效益和环境效益非常可观。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技 术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方 案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之 内。
权利要求
1、一种中央空调气候补偿控制器，其特征在于它包括主控单元、串口扩展单元和485/232接口单元，该主控单元与串口扩展单元相连，该主控单元和串口扩展单元分别经由485/232接口单元与外部设备相连，其中该主控单元包括主控芯片和主控芯片接口单元，该主控芯片经由该主控芯片接口单元与该串口扩展单元和485/232接口单元连接；该串口扩展单元包括扩展微处理器，该扩展微处理器连接有微处理器监控电路；该485/232接口单元包括第一光耦单元、第一发送接收单元、第二光耦单元和第二发送接收单元，该主控芯片经由主控芯片接口单元、第一光耦单元与第一发送接收单元连接，该扩展微处理器经由第二光耦单元与第二发送接收单元连接，该第一、第二发送接收单元与该外部设备连接；该外部设备包括室外温度传感器、室外湿度传感器、多个室内用户温度传感器、多个冷水机组、放置在冷水机组管道内的多个温度传感器、冷冻泵、冷却泵和冷却塔。
2、 根据权利要求1所述的气候补偿控制器，其特征在于 所述主控芯片为ATMEL AT91RM9200芯片，所述扩展微处理器为ATMEL128芯片。
3、 根据权利要求1所述的气候补偿控制器，其特征在于 各所述冷水机组的负载检测接口、电流检测接口、电压检测接口和冷却水供水、回水温度输出接口与所述485/232接口单元连接；放置在所述冷水机组管道内的多个所述温度传感器包括放置在各冷水机 组冷冻水供水、回水管道内的温度传感器以及放置在冷水机组总冷冻水供水、 回水管道内的温度传感器。
4、 根据权利要求1所述的气候补偿控制器，其特征在于所述主控单元经由USB接口单元与USB相连，所述主控单元经由LAN 以太网接口单元与LAN以太网相连，所述主控单元经由通信接口单元与远程 监控中心相连，所述串口扩展单元经由CAN接口单元与控制设备相连。
5、 一种中央空调气候补偿方法，其特征在于它包括如下步骤 步骤l:气候补偿控制器采集室内用户温度、室外温湿度以及冷水机组的运行状态参数；步骤2:根据采集的各项参数，气候补偿控制器通过自寻优算法求取出开 启的冷水机组的最佳工作点；步骤3:根据确定的最佳工作点，气候补偿控制器计算冷冻泵、冷却泵和 冷却塔的最佳工作频率而控制冷冻泵、冷却泵和冷却塔运行在最佳工作频率 上，同时调整冷水机组的工作参数，使中央空调根据外部气候条件的变化来相 应调整冷水机组的冷冻水供水温度，以达到冷水机组节能目的。
6、 根据权利要求5所述的气候补偿方法，其特征在于所述冷水机组的运行状态包括每台冷水机组的负载设定值、工作电压电 流、冷却水回水供水温度、冷冻水回水供水温度以及总体冷水机组的冷冻水回 水供水温度。
7、 根据权利要求5所述的气候补偿方法，其特征在于 所述步骤2进一步包括步骤步骤2-l:计算构筑物冷消耗和消耗系数，构建构筑物冷消耗曲线；步骤2-2:计算总体冷水机组和每台冷水机组的冷消耗、电消耗，构建总体冷水机组和每台冷水机组的工作效率曲线；步骤2-3:根据构筑物冷消耗曲线和用户设定温度，计算用户需冷量； 步骤2-4:根据用户需冷量、总体冷水机组的工作效率曲线和每台冷水机组的工作效率曲线，计算需开启的冷水机组数量，并且计算所开启的每台冷水机组的冷冻水供水温度，求取每台冷水机组的有效工作点；步骤2-5:对上述步骤2-l至2-4重复执行N次，优化每台冷水机组的有效工作点，求取出在某段时间内每台冷水机组的最佳工作点。
8、 根据权利要求7所述的气候补偿方法，其特征在于 所述重复执行次数N大于2。
全文摘要
本发明公开了一种中央空调气候补偿控制器和中央空调气候补偿方法。该控制器包括主控单元、串口扩展单元和485/232接口单元，主控单元与串口扩展单元相连，主控单元和串口扩展单元分别经由485/232接口单元与外部设备相连。该方法包括采集室内用户温度、室外温湿度及冷水机组运行状态；求取开启冷水机组的最佳工作点；计算冷冻泵、冷却泵和冷却塔的最佳工作频率，调整冷水机组工作参数，使中央空调根据外部气候变化来调整冷水机组的冷冻水供水温度，以达到节能目的。本发明气候补偿控制器以中央空调气候补偿方法为核心，通过调整冷水机组的工艺运行参数进行节能，节能空间大，取得的经济效益明显，且稳定性和安全性高。
文档编号F24F11/00GK101650063SQ200810118088
公开日2010年2月17日 申请日期2008年8月11日 优先权日2008年8月11日
发明者柯勇勤, 柯细勇 申请人:柯细勇;柯勇勤