一种空调冷却水系统的节能控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及空气调节设备的控制装置及控制方法，尤其涉及一种空调冷却水系统的节能控制装置及控制方法。

背景技术：

我国建筑能耗约占社会总能耗的1/3，其中用于空气热湿环境调控的能耗占比已经超过了65%，特别是在夏季用电高峰时段，约50%的电力消耗于空调，这给我国社会经济可持续发展带来重大影响。冷源是中央空调能耗的主要组成部分，据统计，中央空调冷源的能耗约占中央空调总体能耗的70%-80%。中央空调冷源包括冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔，它为建筑提供冷量。由于建筑需求的冷量随着建筑的使用情况及外界空气环境的变化而变化，因此，冷源的运行需要随着建筑冷量需求的变化而进行调节，以达到运行节能的目的。

目前，冷源的运行调节主要集中在冷冻水泵的变流量（变频）调节上，而对于冷却水系统的调节应用较少，调节模式也相对单一，主要是采用冷水机组侧冷却水进出水温差为调节对象，往往设定冷却水进、出冷水机组的温差为一个固定值（常常设定在5℃），当温差出现偏离时对冷却水泵采用变速(变频)调节。这种调节模式仅关注了冷却水泵自身的运行状态，而忽略了冷却水调节过程中对冷水机组及冷却塔工作状态的影响。实际上，冷却水泵的工作与冷水机组的能耗及冷却塔的工作状态密切相关，当冷却水进、出冷水机组的温差恒定在5℃时，一方面，如果冷却水进入冷水机组的温度过高时，会导致冷水机组冷凝温度升高，机组的能耗增大，另一方面，当冷水机组冷凝热减小时，会使得冷却水进出口温差减小，冷却水泵流量降低，从而导致冷水机组冷凝器的换热效果变差，冷水机组的能耗反而增大。同时，当流量减小时，冷却塔前的喷水压力会降低，也会使得冷却塔的工作效率下降。因此，冷却水系统的调节应该综合考虑冷水机组的冷凝温度变化及冷却塔的工作状态变化，进行综合比较后确定。

鉴于上述情况，亟需一种即能满足冷却水系统正常工作，又能实现节能目的的空调冷却水系统的节能控制装置及控制方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种通过制订最优运行调节模式，满足空调冷却水系统运行要求，又达到节能目的空调冷却水系统的节能控制方法和节能控制装置。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种空调冷却水系统的节能控制方法，包括以下步骤：

步骤s0：设置冷却水泵运行时的最大频率fmax和最小频率fmin；

步骤s1：通过进水温度检测单元、出水温度检测单元获取冷水机组进、出水管道上的冷却水进、出水温度实际值tw1、tw2，计算冷却水供回水温差实际值δtw=tw2-tw1；

步骤s2：设置冷却水进水温度比较值a、b，所述a、b为常数，且a＜b；将冷水机组冷却水进水温度参数tw1与冷却水进水温度比较值a、b进行比较，获得用于冷水机组冷却水泵控制的冷却水供回水温差理论值δtw0，比较冷却水供回水温差实际值δtw与冷却水供回水温差理论值δtw0，通过标准pid算法，获得冷却水泵的理论运行频率f0；

步骤s3：根据所述理论运行频率f0与最大频率fmax及最小频率fmin的关系，确定冷却水泵的实际运行频率f：当f0≤fmin时，取f=fmin；当f0≥fmax时，取f=fmax；当fmin＜f0＜fmax，取f=f0；将f发送至冷却水泵变频器，以实现对冷却水泵的动态控制；

步骤s4：通过湿球温度检测单元获取冷却塔进风口处的大气湿球温度ts，根据所述大气湿球温度ts计算冷却塔出水温度的理论值to=ts+δtt，所述δtt为冷却塔设计冷幅差，即冷却塔设计工况下的出水温度与当地夏季空调设计湿球温度之差；

步骤s5：比较冷水机组冷却水进水温度tw1与冷却塔出水温度的理论值t0，通过标准pid算法，确定冷却塔风机的运行频率f0t，将f0t发送至冷却塔风机变频器，以实现对冷却塔风机的动态控制。

所述的空调冷却水系统的节能控制方法，通过水压强检测单元对冷却塔喷嘴前的水压强参数p进行在线监测，通过调节冷却泵的运行频率f，使p=p0，所述p0为冷却塔设计要求的喷嘴喷雾压力，记录此时的运行频率f作为冷却水泵的最大运行频率fmax。

所述的空调冷却水系统的节能控制方法，所述的水压强检测单元通过安装在冷却塔进水管喷嘴前的水压强传感器获取水压强参数p。

所述的空调冷却水系统的节能控制方法，所述湿球温度检测单元通过安装在冷却塔进风口处的室外湿球温度传感器获取大气湿球温度参数ts。

所述的空调冷却水系统的节能控制方法，所述进水温度检测单元、出水温度检测单元通过安装在冷水机组进、出水管道上的进水温度传感器、出水温度传感器获取冷水机组冷却水进、出水温度参数tw1、tw2。

所述的空调冷却水系统的节能控制方法，若tw1≤a，取δtw0=5℃；若a＜tw1＜b，取δtw0=4℃；若tw1≥b，取δtw0=3℃。

本发明还公开了一种空调冷却水系统的节能控制装置，包括：主控单元，与所述主控单元连接的存储单元、驱动输出单元、水压强检测单元、湿球温度检测单元、进水温度检测单元和出水温度检测单元。

所述存储单元用于存储采集数据、预设数据及计算获得的数据。

所述驱动输出单元连接冷却水泵变频器和冷却塔风机变频器，所述驱动输出单元用于根据所述主控单元的指令，输出控制信号给冷却水泵变频器和冷却塔风机变频器以控制冷却水泵和冷却塔风机的运行频率。

所述水压强检测单元连接安装在冷却塔进水管喷嘴前的水压强传感器，用于在线监测冷却塔进水管喷嘴前的压力参数p。

所述室外湿球温度检测单元连接安装在冷却塔进风口处的室外湿球温度传感器，用于在线监测冷却塔进风口处的室外湿球温度参数ts。

所述进水温度检测单元通过连接安装在冷水机组进水管道上的进水温度传感器，用于在线检测冷水机组冷却水进水温度参数tw1。

所述出水温度检测单元通过连接安装在冷水机组出水管道上的出水温度传感器，用于在线检测冷水机组冷却水出水温度参数tw2。

所述主控单元根据湿球温度传感器采集的冷却塔进风湿球温度参数ts计算出冷却塔出水温度的理论值to=ts+δtt，所述δtt为冷却塔设计冷幅差，即冷却塔设计工况下的出水温度与当地夏季空调设计湿球温度之差。

所述主控单元根据所述进水温度传感器、出水温度传感器采集的冷水机组冷却水进、出水温度tw1、tw2，计算出冷却水供回水温差实际值δtw=tw2-tw1。

所述主控单元将冷水机组冷却水进水温度tw1与设置的冷却水进水温度比较值a、b进行比较，确定冷却水供回水温差理论值δtw0；所述a、b为常数，且a＜b。

所述主控单元比较所述的冷却水供回水温差理论值δtw0和冷却水供回水温差实际值δtw，通过标准pid算法，获得冷却水泵的理论运行频率f0。

所述的主控单元根据所述冷却水泵的理论运行频率f0与设置的最大频率fmax及最小频率fmin的关系，确定冷却水泵的实际运行频率f：当f0≤fmin时，取f=fmin；当f0≥fmax时，取f=fmax；当fmin＜f0＜fmax，取f=f0；并对所述驱动输出单元发出相应的冷却水泵变频器控制指令，以实现对冷却水泵的控制。

所述主控单元比较冷水机组冷却水进水温度tw1与冷却塔出水温度的理论值t0，通过标准pid算法，确定冷却塔风机的运行频率f0t，并对所述驱动输出单元发出相应的冷却塔风机变频器控制指令，以实现对冷却塔风机的动态控制。

所述的空调冷却水系统的节能控制装置，所述水压强检测单元、湿球温度检测单元、进水温度检测单元、出水温度检测单元与所述主控单元之间设置有模数转换单元。

所述的空调冷却水系统的节能控制装置，所述主控单元与所述驱动单元之间设有数模转换单元。

所述的空调冷却水系统的节能控制装置，还包括与所述主控单元连接的rs485接口单元，所述rs485接口单元用于远程监控节能控制装置的状态并远程修改控制参数。

所述的空调冷却水系统的节能控制装置，还包括与所述主控单元连接的数字量输入单元，所述数字量输入单元连接运行状态监测装置、手自动开关、和变频故障监测装置、冷却塔风机运行状态监测装置、冷却塔风机手自动开关、和冷却塔风机变频故障监测装置；所述运行状态监测装置在线监测的冷却水泵的运行状态数据、所述手自动开关的状态数据、所述变频故障监测装置在线检测的变频故障数据、所述冷却塔风机运行状态监测装置在线监测的冷却塔风机的运行状态数据、所述冷却塔风机手自动开关的状态数据以及所述冷却塔风机变频故障监测装置在线检测的冷却塔风机变频故障数据通过所述数字量输入单元传送给所述主控单元进而使所述主控单元发出相应的控制指令。

所述的空调冷却水系统的节能控制装置，通过水压强检测单元对冷却塔喷嘴前的水压强参数p进行在线监测，通过调节冷却泵的运行频率f，使p=p0，所述p0为冷却塔设计要求的喷嘴喷雾压力，记录此时的运行频率f作为冷却水泵的最大运行频率fmax。

所述的空调冷却水系统的节能控制装置，其特征在于：若tw1≤a，取δtw0=5℃；若a＜tw1＜b，取δtw0=4℃；若tw1≥b，取δtw0=3℃。

与现有技术相比，本发明的节能控制装置及其控制方法具有如下有益技术效果：在控制冷却水系统时考虑了室外空气湿球温度，冷却塔进水口压强、冷却水进、出口水温，而不是简单以预设的恒定温差（如恒定温差为5℃）进行控制。本发明通过制订最优的运行调节模式，达到既满足冷却水系统运行要求，又实现节能的目的。

附图说明

图1是本发明空调冷却水系统的节能控制方法流程图；

图2是本发明空调冷却水系统的节能控制各传感器安装位置示意图：

图3是本发明空调冷却水系统的节能控制装置结构示意图；

图4是本发明空调冷却水系统的节能控制装置之主控单元电路图；

图5是本发明空调冷却水系统的节能控制装置之rs485接口单元电路图；

图6是本发明空调冷却水系统的节能控制装置之六路数字量输入电压调理电路图；

图7是本发明空调冷却水系统的节能控制装置之两路模拟量输出电压调理电路图；

图8是本发明空调冷却水系统的节能控制装置之四路模拟量输入电压调理电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明空调冷却水系统的节能控制方法，包括以下步骤：

步骤s0：设置冷却水泵运行时的最大频率fmax和最小频率fmin。优选的，通过水压强检测单元3对冷却塔喷嘴前的水压强参数p进行检测，通过调节冷却泵的运行频率f，使p=p0，所述p0为冷却塔设计要求的喷嘴喷雾压力，即冷却塔冷却水进口处的余压，p0由冷却塔结构确定，一般为5mh2o柱；记录此时的运行频率f作为冷却水泵运行时的最大频率fmax；可选的，如图2所示，所述水压强检测单元3通过安装在冷却塔进水管喷嘴前的水压强传感器31检测冷却塔进水管喷嘴前的压力参数p。

步骤s1：获取冷水机组进、出水管道上的冷却水进、出水实际温度值tw1、tw2，计算出冷却水供回水温差实际值δtw=tw2-tw1；具体的，通过设置进、出水温度检测单元5、6获取所述冷却水进、出水实际温度值tw1、tw2；可选的，如图2所示，进、出水温度检测单元5、6通过安装在冷水机组进、出水管道上的进、出水温度传感器51、61对冷水机组冷却水进、出水温度参数tw1、tw2进行在线监测。

步骤s2：设置冷却水进水温度比较值a、b，所述a、b为常数，且a＜b；将冷水机组冷却水进水温度参数tw1与冷却水进水温度比较值a、b进行比较，获得用于冷水机组冷却水泵控制的冷却水供回水温差理论值δtw0，比较冷却水供回水温差实际值δtw与冷却水供回水温差理论值δtw0，通过标准pid算法，获得冷却水泵的理论运行频率f0；优选的，设置a=30℃、b=34℃，若tw1≤a，取δtw0=5℃；若a＜tw1＜b，取δtw0=4℃；若tw1≥b，取δtw0=3℃；采用标准pid控制算法控制改变冷却水泵变频器频率属于本领域公知常识，在此不做赘述。

步骤s3：根据所述冷却水泵理论运行频率f0与最大频率fmax及最小频率fmin的关系，确定冷却水泵的实际运行频率f：当f0≤fmin时，取f=fmin；当f0≥fmax时，取f=fmax；当fmin＜f0＜fmax，取f=f0；将f发送至冷却水泵变频器，以实现对冷却水泵的动态控制。

步骤s4：获取冷却塔进风口处的大气湿球温度ts，根据所述大气湿球温度ts计算冷却塔出水温度的理论值t0=ts+δtt，δtt为冷却塔设计冷幅差，即冷却塔设计工况下的出水温度与当地夏季空调设计湿球温度之差，与冷却塔性能有关，一般取3～4℃；具体的，通过设置湿球温度检测单元4采集冷却塔进风口处的湿球温度参数ts；可选的，如图2所示，湿球温度检测单元4通过安装在冷却塔进风口处的室外湿球温度传感器41对大气湿球温度ts进行在线监测。

步骤s5：比较冷水机组冷却水进水温度tw1与冷却塔出水温度的理论值t0，通过标准pid算法，获得冷却塔风机的运行频率f0t，将f0t发送至冷却塔风机变频器，以实现对冷却塔风机的动态控制。采用标准pid控制算法控制改变冷却塔风机变频器频率属于本领域公知常识，在此不做赘述。

如图3所示，本发明还公开了一种空调冷却水系统的节能控制装置，包括：主控单元1，与所述主控单元1连接的存储单元9、驱动输出单元7、水压强检测单元3、湿球温度检测单元4、进水温度检测单元5和出水温度检测单元6；所述主控单元1的电路图如图4所示。

所述水压强检测单元3连接安装在冷却塔进水管喷嘴前的水压强传感器31，用于在线监测冷却塔进水管喷嘴前的压力参数p；优选的，通过调节冷却泵的运行频率f，使p=p0，p0为冷却塔设计要求的喷嘴喷雾压力，即冷却塔冷却水进口处的余压，p0由冷却塔结构确定，一般为5mh2o柱；记录此时的运行频率f作为冷却水泵运行时的最大频率fmax。

所述室外湿球温度检测单元4连接安装在冷却塔进风口处的室外湿球温度传感器41，用于在线监测冷却塔进风口处的室外湿球温度参数ts。

所述进水温度检测单元5通过连接安装在冷水机组进水管道上的进水温度传感器51，用于在线检测冷水机组冷却水进水温度参数tw1。

所述出水温度检测单元6通过连接安装在冷水机组出水管道上的出水温度传感器61，用于在线检测冷水机组冷却水出水温度参数tw2。

所述驱动输出单元7连接冷却水泵变频器71和冷却塔风机变频器72，所述驱动输出单元7用于根据所述主控单元1的指令，输出控制信号给冷却水泵变频器71和冷却塔风机变频器72以控制冷却水泵和冷却塔风机的运行转速。

所述存储单元9用于存储采集数据、预设数据及计算获得的数据。所述存储单元具体为eeprom存储器。

所述主控单元1根据所述的进水温度传感器51和出水温度传感器61采集的冷水机组冷却水进、出水温度tw1、tw2，计算出冷却水供回水温差实际值δtw。

所述主控单元将冷水机组冷却水进水温度值tw1与设置的冷却水进水温度比较值a、b进行比较，确定冷却水供回水温差理论值δtw0；所述a、b为常数，且a＜b。优选的，设置a=30℃、b=34℃，若tw1≤a，取δtw0=5℃；若a＜tw1＜b，取δtw0=4℃；若tw1≥b，取δtw0=3℃。

所述主控单元1比较所述的冷却水供回水温差理论值δtw0和冷却水供回水温差实际值δtw，通过标准pid算法，获得冷却水泵的理论运行频率f0。

所述的主控单元1根据设定的冷却水泵运行时的最大频率fmax及最小频率fmin，判断冷却水泵的理论运行频率f0与最大频率fmax及最小频率fmin的关系，确定冷却水泵的实际运行频率f：当f0≤fmin时，取f=fmin；当f0≥fmax时，取f=fmax；当fmin＜f0＜fmax,取f=f0；并对所述驱动输出单元7发出相应的冷却水泵变频器控制指令，以实现对冷却水泵的动态控制。

所述主控单元1根据所述的湿球温度传感器41采集的冷却塔进风湿球温度参数ts计算冷却塔出水温度的理论值t0=ts+δtt，所述δtt为冷却塔设计冷幅差，即冷却塔设计工况下的出水温度与当地夏季空调设计湿球温度之差；比较冷水机组冷却水进水温度值tw1与冷却塔出水温度的理论值t0，通过标准pid算法，获得冷却塔风机的运行频率f0t，并对所述驱动输出单元7发出相应的冷却塔风机变频器控制指令，以实现对冷却塔风机的动态控制。

所述水压强检测单元3、湿球温度检测单元4、进水温度检测单元5、出水温度检测单元6与所述主控单元1之间设置有模数转换单元，所述模数转换单元为四路模拟量输入电压调理电路，如图6所示，具体为精度为10位的模数转换器。

所述主控单元1与所述驱动输出单元7之间设置有数模转换单元，数模转换单元的输出口输出0-10v的控制电压。数模转换单元为两路模拟量输出电压调理电路，如图7所示，由pwm滤波电路和放大电路组成，pwm滤波电路由两个电阻和两个电容组成，放大电路由运算放大器和npn三极管及两个电阻组成，r5用作短路保护。

本发明节能控制装置还包括与所述主控单元1连接的数字量输入单元8，所述数字量输入单元8连接冷却水泵运行状态监测装置81、冷却水泵手自动开关82、冷却水泵变频故障监测装置83、冷却塔风机运行状态监测装置84、冷却塔风机手自动开关85、冷却塔风机变频故障监测装置86。所述冷却水泵运动状态监测装置81用于检测反馈冷却水泵的运行状态；所述冷却塔风机运行状态监测装置84用于检测反馈冷却塔风机的运行状态；所述冷却水泵手自动开关82、冷却塔风机手自动开关85用于手动或自动调节节能控制装置的状态：当手自动开关82或85任一手自动状态信号为手动时，节能控制装置停止工作，模拟量频率输出电压为0；当手动开关82和85的手自动状态信号均为自动时，节能控制装置正常工作。节能控制装置工作时，当冷却水泵变频器故障监测装置83或冷却塔风机变频器故障监测装置86检测到变频器故障时，节能控制装置停止工作，模拟量频率输出电压为0。所述数字量输入单元8具体为六路数字量输入电压调理电路，由上拉电阻和滤波电容组成，如图8所示。所述冷却水泵运行状态监测装置81在线监测的冷却水泵的运行状态数据、所述冷却水泵手自动开关82的状态数据、所述冷却水泵变频器故障监测装置83在线检测的变频器故障数据、所述冷却塔风机运行状态监测装置84在线监测的冷却塔风机的运行状态数据、所述冷却塔风机手自动开关85的状态数据以及所述冷却塔风机变频器故障监测装置86在线检测的冷却塔风机变频器故障数据通过所述数字量输入单元8传送给所述主控单元1进而使所述主控单元1发出相应的控制指令。

本发明节能控制装置还包括与所述主控单元1连接的rs485接口单元2，rs485接口单元2用于远程监控节能控制装置的状态并远程修改控制参数，如图5所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。