中央空调冷却水泵在线变频控制方法及中央空调与流程

本发明涉及中央空调领域，更具体地说，涉及一种中央空调冷却水泵在线变频控制方法及中央空调。

背景技术：

在我国，2014年建筑能耗总量超过12.5亿吨标准煤，占社会总能耗30％。中央空调能耗占建筑总能耗65％，其中空调机房能耗占空调系统能耗70％左右。冷却水泵的能耗为空调机房总能耗的一部分。为了维持制冷机组冷凝器的换热效率保持在高区间运行，避免出现冷却水系统“小温差，大流量”导致冷却水泵能耗增加的现象，需要对冷却水泵进行实时的动态控制。制冷主机通过热交换使制冷剂冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，冷却水温度升高，冷却水泵将升温了的冷却水压入冷却塔，进行降温处理后，再送回制冷机组进行热交换。传统的控制方法是以冷却水的供水和回水温差作为控制依据，温差大，说明制冷机组产生的热量大，应提高冷却水泵的转速，加大冷却水的循环速度；温差小，说明制冷机组产生的热量小，可以降低冷却水泵的转速，减缓冷却泵的循环速度，以节约电能。传统控制方法在实际使用中是存在延时问题，在延时期间内供回水温度差达不到最佳换热效果，冷却水泵的能耗也非最低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种控制过程快速准确、无延时的中央空调冷却水泵在线变频控制方法及中央空调。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种中央空调冷却水泵在线变频控制方法，包括以下步骤：

S1：检测第K时刻压缩机的做功功率P；

S2：检测第K时刻冷冻水的状态并计算冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch；

S3：根据所述压缩机的做功功率P以及所述冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch控制冷却水泵在第K+1时刻输出的冷却水流量M_cd。

优选地，步骤S2包括：

S21：检测第K时刻冷冻水的供水温度T_chsup、回水温度T_chrtn以及冷冻水流量M_ch；

S22：根据水的比热容C以及热量计算公式计算得到冷冻水在蒸发器处散发热量Q_ch，即Q_ch＝CM_chΔT_ch＝CM_ch(T_chrtn-T_chsup)。

优选地，在所述步骤S3中，通过能量守恒定律计算冷却水流量M_cd；空调运行过程中的能量守恒包括：

第K+1时刻制冷剂在冷凝器处散发的热量＝第K时刻制冷剂在蒸发器处吸收的热量+第K时刻压缩机做功W，W＝Pt；

制冷剂在蒸发器处吸收的热量＝冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch；

制冷剂在冷凝器处散发的热量＝冷却水在冷凝器处吸收的热量Q_cd。

优选地，第K+1时刻冷却水在冷凝器处吸收的热量等于第K时刻冷冻水在蒸发器处散发的热量与第K时刻压缩机做功W之和，即Q_cd＝Q_ch+W。

优选地，所述步骤S3包括：

S31：设定目标冷却水供回水温度差ΔT_cd；

S32：根据Q_cd＝Q_ch+W计算冷却水流量M_cd，

S32：根据所述冷却水流量M_cd控制冷却水泵。

本发明还提供一种中央空调，包括制冷主机、冷冻水系统和冷却水系统；

所述制冷主机包括：通过制冷剂管连接的冷凝器、蒸发器和压缩机；

所述冷冻水系统连接在蒸发器两端，包括：通过冷冻水管连接的冷冻水泵以及空调末端；

所述冷却水系统连接在冷凝器两端，包括：通过冷却水管连接的冷却水泵以及冷却塔；

还包括：

用于检测第K时刻的压缩机做功功率并输出功率值P的功率检测装置；

用于检测第K时刻的冷冻水状态并输出检测信息的冷冻水检测装置；

与所述功率检测装置、冷冻水检测装置以及所述冷却水泵相连，根据所述功率值P与所述检测信息控制所述冷却水泵在第K+1时刻输出冷却水流量M_cd的控制器。

优选地，所述冷冻水检测装置包括：

设置在所述蒸发器冷冻水输出端，用于检测冷冻水供水温度T_chsup的供水温度传感器；

设置在所述蒸发器冷冻水输入端，用于检测冷冻水回水温度T_chrtn的回水温度传感器；

设置在所述冷冻水管上，用于检测冷冻水流量M_ch的流量传感器。

优选地，所述控制器根据能量守恒定律控制所述冷却水泵，空调运行过程中的能量守恒包括：

第K+1时刻制冷剂在冷凝器处散发的热量＝第K时刻制冷剂在蒸发器处吸收的热量+第K时刻压缩机做功W，W＝Pt；

制冷剂在蒸发器处吸收的热量＝冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch；

制冷剂在冷凝器处散发的热量＝冷却水在冷凝器处吸收的热量Q_cd。

优选地，第K+1时刻冷却水在冷凝器处吸收的热量等于第K时刻冷冻水在蒸发器处散发的热量与第K时刻压缩机做功W之和，即Q_cd＝Q_ch+W。

优选地，所述控制器内预先设有目标冷却水供回水温度差ΔT_cd；控制器依据Q_cd＝Q_ch+W、热量计算公式以及水的比热容C计算冷却水流量并根据所述冷却水流量M_cd控制冷却水泵。

实施本发明的中央空调冷却水泵在线变频控制方法及中央空调，可对压缩机做功数据、冷冻水系统的供回水温度差、冷冻水流量进行采集和计算，根据能量守恒定律，在保障冷却水供回水有着合理的温差前提下，对冷却水泵进行变频控制，比起传统控制方法更加快捷准确。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中央空调的运行原理示意图；

图2是本发明中央空调控制原理示意图；

图3是本发明中央空调冷却水泵在线变频控制方法的流程图。

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，对本发明进行进一步详细说明。

如图1示出了本发明中央空调的一种实施例，包括制冷主机、冷冻水系统和冷却水系统；制冷主机包括：通过制冷剂管连接的冷凝器、蒸发器和压缩机；冷冻水系统连接在蒸发器两端，包括：通过冷冻水管连接的冷冻水泵以及空调末端；冷却水系统连接在冷凝器两端，包括：通过冷却水管连接的冷却水泵以及冷却塔。

还包括：用于检测第K时刻的压缩机做功功率并输出功率值P的功率检测装置；用于检测第K时刻的冷冻水状态并输出检测信息的冷冻水检测装置；与功率检测装置、冷冻水检测装置以及冷却水泵相连，根据功率值P与检测信息控制冷却水泵在第K+1时刻输出冷却水流量M_cd的控制器。

本发明中央空调运行过程中包括三个循环：制冷剂循环、冷却水循环和冷冻水循环。液体制冷剂流向蒸发器，在蒸发器中气化带走热量，将流经蒸发器的冷冻水降温，降温后的冷冻水经冷冻水泵输送至各房间内的空调末端，与室内空气进行热交换。气化的制冷剂经压缩机压缩后变成低压液体流向冷凝器，在冷凝器内与冷却水进行热交换后进一步降温；冷却水吸收制冷剂散发的热量升温后，经冷却水泵压入冷却塔降温后，流向冷凝器再次进行热交换。

可以理解的，第K时刻与第K+1时刻宽泛指代前一时刻与后一时刻，并非在K时刻的时间单位上增加1个时间单位或成倍增加。根据用户需要可将第K时刻设为1S，根据制冷剂的流速和管道长度可将第K时刻与第K+1时刻之间的间隔设为1min。在第K时刻时，部分制冷剂流经蒸发器和压缩机，在第K+1时刻时，该部分制冷剂从蒸发器和压缩机流至冷凝器，与流经冷凝器的冷却水进行热交换。可以理解的，根据蒸发器、压缩机和冷凝器之间距离和制冷剂的流速可以设置不同的间隔时间以及前一时刻与后一时刻的时间大小。

具体地，功率检测装置可以包括电流传感器和电压传感器。可以理解的，对于部分电控的制冷主机，其内控程序实时采集有压缩机的做功功率；此时可直接读取制冷主机得到的做功功率，无需再增加额外的测量装置。

冷冻水状态检测参数包括：供水温度、回水温度以及冷冻水流量；相应的冷冻水检测装置包括：设置在蒸发器冷冻水输出端，用于检测冷冻水供水温度T_chsup的供水温度传感器；设置在蒸发器冷冻水输入端，用于检测冷冻水回水温度T_chrtn的回水温度传感器；设置在冷冻水管上，用于检测冷冻水流量M_ch的流量传感器。

控制器根据能量守恒定律控制冷却水泵，空调运行过程中的能量守恒包括：

第K+1时刻制冷剂在冷凝器处散发的热量＝第K时刻制冷剂在蒸发器处吸收的热量+第K时刻压缩机做功W，W＝Pt；

制冷剂在蒸发器处吸收的热量＝冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch；

制冷剂在冷凝器处散发的热量＝冷却水在冷凝器处吸收的热量Q_cd。

从以上能量守恒等式可以得到第K+1时刻冷却水在冷凝器处吸收的热量等于第K时刻冷冻水在蒸发器处散发的热量与第K时刻压缩机做功W之和，即Q_cd＝Q_ch+W。

可以理解的，当第K时刻的大小为1S时，压缩机做功W＝P(单位：J)。此外，在中央空调的设计阶段，为了维持制冷机组冷凝器的换热效率保持在高区间运行，控制器内预先写入有目标冷却水供回水温度差ΔT_cd；例如，设计供回水温度差为5℃。

基于上述压缩机功率、冷冻水参数和冷却水目标供回水温度差，控制器依据Q_cd＝Q_ch+W、热量计算公式以及水的比热容C计算冷却水流量。具体计算过程如下：

Q_ch＝CM_chΔT_ch＝CM_ch(T_chrtn-T_chsup)

W＝Pt

Q_cd＝CΔT_cdΔT_cd

综上可得，

控制器根据冷却水流量M_cd控制冷却水泵的转速，使其冷却水输出量与计算量相等。控制器对冷却水泵的控制快捷准确，无延时，原因在于：在前一时刻检测了部分制冷剂的能量变化状况，在后一时刻与前一时刻的间隔时间内，在保证能量守恒和高换热效率的情况下计算得到最佳冷却水流量，信号往返时间不超过2S，内置算法时间小于50ms，二者耗时远远小于设置的间隔时间。在后一时刻时，根据间隔时间内的计算结果对该部分制冷剂的热交换进行控制。该过程可准确做到对同一部分制冷剂的热交换控制，不存在延时问题。可以理解的，该控制器可以为PLC或DDC控制箱。

针对前述中央空调，本发明还提供一种中央空调冷却水泵在线变频控制方法，包括以下步骤：

S1：检测第K时刻压缩机的做功功率P；

S2：检测第K时刻冷冻水的状态并计算冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch；

S3：根据压缩机的做功功率P以及冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch控制冷却水泵在第K+1时刻输出的冷却水流量M_cd。

中央空调运行过程中包括三个循环：制冷剂循环、冷却水循环和冷冻水循环。液体制冷剂流向蒸发器，在蒸发器中气化带走热量，将流经蒸发器的冷冻水降温，降温后的冷冻水经冷冻水泵输送至各房间内的空调末端，与室内空气进行热交换。气化的制冷剂经压缩机压缩后变成低压液体流向冷凝器，在冷凝器内与冷却水进行热交换后进一步降温；冷却水吸收制冷剂散发的热量升温后，经冷却水泵压入冷却塔降温后，流向冷凝器再次进行热交换。

可以理解的，第K时刻与第K+1时刻宽泛指代前一时刻与后一时刻，并非在K时刻的时间单位上增加1个时间单位或成倍增加。根据用户需要可将第K时刻设为1S，根据制冷剂的流速和管道长度可将第K时刻与第K+1时刻之间的间隔设为1min。在第K时刻时，部分制冷剂流经蒸发器和压缩机，在第K+1时刻时，该部分制冷剂从蒸发器和压缩机流至冷凝器，与流经冷凝器的冷却水进行热交换。可以理解的，根据蒸发器、压缩机和冷凝器之间距离和制冷剂的流速可以设置不同的间隔时间以及前一时刻与后一时刻的时间大小。

冷冻水状态检测参数包括：供水温度、回水温度以及冷冻水流量；相应的步骤S2包括：

S21：检测第K时刻冷冻水的供水温度T_chsup、回水温度T_chrtn以及冷冻水流量M_ch；

S22：根据水的比热容C以及热量计算公式计算得到冷冻水在蒸发器处散发热量Q_ch，即Q_ch＝CM_chΔT_ch＝CM_ch(T_chrtn-T_chsup)。

在步骤S3中，通过能量守恒定律计算冷却水流量M_cd；空调运行过程中的能量守恒包括：

第K+1时刻制冷剂在冷凝器处散发的热量＝第K时刻制冷剂在蒸发器处吸收的热量+第K时刻压缩机做功W，W＝Pt；

制冷剂在蒸发器处吸收的热量＝冷冻水在蒸发器处散发的热量Q_ch；

制冷剂在冷凝器处散发的热量＝冷却水在冷凝器处吸收的热量Q_cd。

根据上述能量守恒等式可得，第K+1时刻冷却水在冷凝器处吸收的热量等于第K时刻冷冻水在蒸发器处散发的热量与第K时刻压缩机做功W之和，即Q_cd＝Q_ch+W。可以理解的，当第K时刻的大小为1S时，压缩机做功W＝P(单位：J)。

此外，在中央空调的设计阶段，为了维持制冷机组冷凝器的换热效率保持在高区间运行，应预先写入有目标冷却水供回水温度差ΔT_cd；例如，设计供回水温度差为5℃。

进一步地，步骤S3包括：

S31：设定目标冷却水供回水温度差ΔT_cd；

S32：根据Q_cd＝Q_ch+W计算冷却水流量M_cd，

S32：根据冷却水流量M_cd控制冷却水泵。

实施本发明的控制方法可实现对冷却水泵的控制快捷准确，无延时，原因在于：在前一时刻检测了部分制冷剂的能量变化状况，在后一时刻与前一时刻的间隔时间内，在保证能量守恒和高换热效率的情况下计算得到最佳冷却水流量，信号往返时间不超过2S，内置算法时间小于50ms，二者耗时远远小于设置的间隔时间。在后一时刻时，根据间隔时间内的计算结果对该部分制冷剂的热交换进行控制。该过程可准确做到对同一部分制冷剂的热交换控制，不存在延时问题。用户根据需要可对检测时间进行相应设置，优选地，本发明的检测为实时检测，并根据实时检测结果在线调控冷却水泵；实时检测结果的不同，冷却水泵的相应转速也不同，即该调控过程为变频调控过程。可以理解的，用户可根据需要设定相应的检测时间间隔，如每隔2min检测一次。

可以理解的在一些实施例中，在步骤S2中只进行冷冻水状态检测，对检测得到的参数不做计算。在步骤S3中对所有数据进行汇总计算得到冷却水流量。

综上，实施本发明的中央空调冷却水泵在线变频控制方法及中央空调，可对压缩机做功数据、冷冻水系统的供回水温度差、冷冻水流量进行采集和计算，根据能量守恒定律，在保障冷却水供回水有着合理的温差前提下，对冷却水泵进行变频控制，比起传统控制方法更加快捷准确。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。