一种提高中央空调系统综合能效比的控制系统的制作方法

本发明涉及中央空调领域，尤其涉及一种中央空调节能管理系统。

背景技术：

中央空调在现代的智能楼宇中，是必不可少的组成部分，但中央空调也是现代建筑物的耗能大户，而且还有不断提高的趋势。在这样的大环境下，如何使中央空调系统更节能、更高效，如何合理的提高中央空调系统的综合能效比，越来越为现在的用户所重视。空调的各个末端，虽然设计过程通过水力计算，合理配管等方法，尽量做到系统的水力平衡，但是系统水力失调仍是常见的问题，经常出现不同空调区域产生冷热不均的现象，影响空调系统的节能稳定运行；而且大多数节能厂家对冷却塔的控制都是粗放型的，从而使冷却水的温度过高，导致冷冻主机的能耗增加；在中央空调系统中，冷冻系统和冷却系统既是独立系统也是相互关联的系统，但在其他的控制系统中，都是把两套系统割裂开来，独立控制，这种控制方法，在以温度为主要控制参数的系统中，由于温度的时滞性，所以往往控制落后于系统的实际情况，从而达不到合理控制系统的要求，而用压力为主要控制的系统中，虽然压力没有时滞性，但压力不能够真正反映末端的实际使用需求。如专利号为CN201310659168的一种中央空调节能管理系统，包含工作站、机房系统控制柜以及末端区域控制柜，末端区域控制器通过RS485总线BACNET协议连接到机房系统控制柜，机房系统控制柜通过网络接连到工作站，通过对空调区域末端的集中控制，实时采集现场以及空调内部数据并及时反馈给DDC控制器，DDC控制器随着末端负荷的需求而同步变化来实现末端的优化管理，虽然能一定程度上降低空调能耗，达到节能减排的效果，提高设备的使用寿命，但只是一种系统管理方法，节能措施只是简单的主机启动与停止的变化，没有采用变流量系统，节能手段简单不精确，节能效果不明显。

综述，现有技术的不足是：现在都是把中央空调系统分开来考虑，只注意提高单体设备的节电率，而不是考虑整个系统的节能和能效比，这样往往是个体设备节电率比较高，而其他设备尤其冷冻主机的耗电居高不下，这是大多数节能企业的控制误区和短板，现有的空调系统忽视了对末端的供需平衡，没有按实际需要对冷量进行预判断，也没有对冷却塔组的精细控制，导致中央空调长期在较高负荷下运行，造成大量的能源浪费。

技术实现要素：

为解决上述问题本发明提供了一种提高中央空调系统综合能效比的控制系统，把中央空调系统整合为一个整体，以整个系统为控制目标，从全局出发，对水泵、风机、制冷主机等设备的综合能效比进行综合考虑和整体控制，能更好地控制中央空调系统，延长系统中的设备的寿命，在不影响末端使用舒适度的前提下深度挖掘中央空调系统的节能空间，提高中央空调系统综合能效比。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种提高中央空调系统综合能效比的控制系统，包括中央控制台和与其电性连接的集中控制器，还包括和中央控制台分别电性连接的冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统、冷却水散热需求及负荷预判断子系统、冷冻水泵与冷却水泵交互式变流量控制子系统，且上述三个子系统分别与集中控制器电性连接，集中控制器分别和冷冻主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、电动调节阀、电动开关阀电性连接，中央控制台的显示屏能显示三个子系统的参数信息和集中控制器的控制状态，且操作中央控制台可以向集中控制器发送指令，对中央空调系统中的冷冻主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、电动调节阀、电动开关阀进行手动控制。

冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统中，分水器各个支管上均安装有流量传感器，分水器总管上安装有温度传感器、压力传感器，集水器的各个支管上均安装有温度传感器、压力传感器，集水器总管上安装有温度传感器、压力传感器和流量传感器,且上述传感器分别与水力平衡及负荷预判断模块电性连接，水力平衡及负荷预判断模块通过温度传感器采集各个末端出水温度和回水温度的温差以及对应末端流量传感器采集到的流量数进行分析，经过程序中的模糊运算得出各个末端实际需要的冷负荷，当末端温差比较大时说明末端负荷需求也比较大，集中控制器接收到水力平衡及负荷预判断模块的信号后加大对应末端电动调节阀的开度，而末端温差较小时说明末端需求也较小，集中控制器接收到水力平衡及负荷预判断模块的信号后减小对应电动调节阀的开度，冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统通过传感器收集末端需求从而对电动调节阀开度进行调节，对冷负荷进行再预判断，使负荷预判断更合理，同时也更节能，系统的最不利点加装压力传感器，连接到集中控制器中，当区域内的负荷需求很小时电动调节阀开度调节为较小的开度，当最不利点的压力传感器检测到该点的压力达不到预先设定值时，该电动调节阀不动作，仍保持较大的开度直到压力达到预先设定值为止，有益效果是：不仅能保证很好的节能效果，同时也保证了系统末端对压力的整体需要。

末端实际需要负荷计算原理：G＝(T1-T2)F*k

G：末端实际需要负荷

T1：末端回水温度

T2:末端出水温度

K：比热容系数

F：末端流量传感器测得的流量

冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统一方面通过在管道系统中增设静态水力平衡阀，在水系统初调试时对系统管道特性阻力数比值进行调节，使其与设计要求管道特性阻力数比值一致，当系统总流量达到设计总流量时，各末端设备的流量能同时达到设计流量，有益效果是：解决了由于设计、施工、设备材料等原因导致的系统管道特性阻力数比值与设计要求管道特性阻力数比值不一致而使系统各用户的实际流量与设计要求流量不一致所引起的静态水力失调；另一方面通过在管道系统中增设流量调节器或压差调节器作为动态水力平衡设备，当其它用户阀门开度发生变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，使自身的流量并不随之发生变化，有益效果是：末端设备流量不互相干扰，实现动态水力平衡。

冷却水散热需求及负荷预判断子系统中，冷却水的出水和回水各安装有一个温度传感器，冷却回水还装有流量传感器，冷却水出水总管上安装有温度传感器，冷却水回水总管上安装有温度传感器和流量传感器，且上述传感器与冷却水散热需求及负荷预判断模块电性连接，通过冷却水散热需求及负荷预判断模块对温度传感器本次采集的温度数据与上一次采集的温度数据进行比较，从而得出温度变化的趋势，得出制冷机的冷凝热，然后根据每组冷却塔所能够允许单位时间内处理的冷凝热，冷却水散热需求及负荷预判断模块发送给集中控制器信号以控制开启相应的冷却塔和风机，有益效果是，有效解决了通过温度控制的时滞性问题。

1、计算冷凝热的原理：

QK＝GK*KΔT

GK：冷却水的循环量

QK：制冷机冷凝热

ΔT：冷却水的出回水的温差

K:比热容系数

2、计算开启的冷却塔组和相应的风机数的原理：

N＝QK/GS

N:开启的冷却塔组和相应的风机数

GK：冷却水的循环量

GS：单台冷却塔能够处理的冷凝热

冷冻水泵与冷却水泵交互式变流量控制子系统中，冷却回水管上安装有温度传感器,冷却水出水管上安装有温度传感器，冷冻回水管上安装有温度传感器，冷冻出水管上安装温度传感器，且上述传感器分别与冷冻与冷却交互式控制及负荷预判断模块电性连接，冷冻与冷却交互式控制及负荷预判断模块与集中控制器电性连接，在中央空调系统启动时，如果冷冻出水温度即时测量值大于冷冻出水温度设定值与温度的可调偏差值的和，则冷冻水泵的频率每30秒增加1HZ，程序中上升频率的上限在冷冻冷却交互式规则库中程序自动查询，为高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，如果冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差大于5℃，则每30秒上升0.4HZ，上升频率的上限在交互式规则库中由程序自动查询，为高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差在4℃～5℃之间时，如果，冷冻回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.3HZ，而冷冻回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差在3℃～4℃之间时，如果，冷冻回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.3HZ，而冷冻回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差小于3℃时，则频率每30秒下降0.5HZ，下降的频率下限可在冷冻交互式规则库中查询，为低频区；在中央空调系统启动时，如果冷冻出水温度即时测量值大于冷冻出水温度设定值与温度的可调偏差值的和，则冷冻水泵的频率每30秒增加1HZ，在开冷却泵时考虑冷冻水的温度是因为冷冻水量的增大会直接导致冷冻主机的做功增加，需要冷却水的水量也会增加，所以这时候冷却水泵的频率应该增加，上升频率的上限在交互式规则库中由程序自动查询，为高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，如果冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差大于4℃，则每30秒上升0.5HZ，上升频率的上限在交互式规则库中查询，为次高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在3℃～4℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升1HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.7HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在2℃～3℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.7HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在1℃～2℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.5HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在0℃～1℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.3HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.3HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差小于0℃时频率每30秒下降0.4HZ，下降的频率下限可在冷却交互式规则库中查询，为低频区。

相关术语说明表

下表为冷冻与冷却交互式规则库，T_qc测为冷却出水测定值、T_ch测为冷冻回水测定值、Tcc_测为冷冻出水测定值，规则库的查询方法就是根据相应的温度值以及温差在表中查询相应的频率上限和下限值。

备注：在f_min～f_max之间f上升与下降的最高频率变化范围为1Hz/30s。

本发明的有益效果是：把中央空调系统整合为一个整体，以整个系统为控制目标，从全局出发，对水泵、风机、制冷主机等设备的综合能效比进行综合考虑和整体控制，能更好地控制中央空调系统，延长系统中的设备的寿命，在不影响末端使用舒适度的前提下深度挖掘中央空调系统的节能空间，提高中央空调系统综合能效比。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图，

图2为本发明的系统框架示意图，

图3为本发明的冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统原理示意图，

图4为本发明的冷却水散热需求负荷预判断子系统局部原理图示意，

图5为本发明的冷冻冷却交互式变流量控制子系统局部原理示意图，

图6为本发明的电动调节阀控制流程图，

图7为本发明的冷冻泵频率控制流程图，

图8为本发明的冷却泵频率控制流程图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明，现结合附图作进一步说明。

如图1、图2所示，一种提高中央空调系统综合能效比的控制系统，包括中央控制台和与其电性连接的集中控制器，还包括和中央控制台分别电性连接的冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统、冷却水散热需求负荷预判断子系统、冷冻水泵与冷却水泵交互式变流量控制子系统，且上述三个子系统分别与集中控制器电性连接，集中控制器分别和冷冻主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、电动调节阀、电动开关阀电性连接，中央控制台的显示屏能显示三个子系统的参数信息和集中控制器的控制状态，且操作中央控制台可以向集中控制器发送指令，对中央空调系统中的冷冻主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、电动调节阀、电动开关阀进行手动控制。

如图3所示，冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统中，分水器的1-8号支管上均安装有1-8号流量传感器，分水器总管上安装有10号温度传感器、10号压力传感器，集水器的8个支管上均安装有1-8号温度传感器、1-8号压力传感器，集水器总管上安装有9号温度传感器、9号压力传感器和9号流量传感器,且上述传感器分别与水力平衡及负荷预判断模块电性连接，水力平衡及负荷预判断模块与集中控制器电性连接，集中控制器与冷冻主机和冷冻泵电性连接水力平衡及负荷预判断模块通过温度传感器采集各个末端出水温度和回水温度的温差以及对应末端流量传感器采集到的流量数进行分析，经过程序中的模糊运算得出各个末端实际需要的冷负荷，当末端温差比较大时说明末端负荷需求也比较大，集中控制器接收到水力平衡及负荷预判断模块的信号后加大对应末端电动调节阀的开度，而末端温差较小时说明末端需求也较小，集中控制器接收到水力平衡及负荷预判断模块的信号后减小对应电动调节阀的开度，冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统通过传感器收集末端需求从而对电动调节阀开度进行调节，对冷负荷进行再预判断，使负荷预判断更合理，同时也更节能，系统的最不利点加装压力传感器，连接到集中控制器中，当区域内的负荷需求很小时电动调节阀开度调节为较小的开度，当最不利点的压力传感器检测到该点的压力达不到预先设定值时，该电动调节阀不动作，仍保持较大的开度直到压力达到预先设定值为止，冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统不仅能保证很好的节能效果，同时也保证了系统末端对压力的整体需要。

末端实际需要负荷计算原理：G＝(T1-T2)F*K

G：末端实际需要负荷

T1：温度传感器测得支管的回水温度

T2:温度传感器测得分水器的出水温度

F：流量传感器测得流量

K:比热容系数

冷冻水区域水力平衡及负荷预判断子系统一方面通过在管道系统中增设静态水力平衡阀，在水系统初调试时对系统管道特性阻力数比值进行调节，使其与设计要求管道特性阻力数比值一致，当系统总流量达到设计总流量时，各末端设备的流量能同时达到设计流量，解决了由于设计、施工、设备材料等原因导致的系统管道特性阻力数比值与设计要求管道特性阻力数比值不一致而使系统各用户的实际流量与设计要求流量不一致所引起的静态水力失调；另一方面通过在管道系统中增设流量调节器或压差调节器作为动态水力平衡设备，当其它用户阀门开度发生变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，使自身的流量并不随之发生变化，末端设备流量不互相干扰，实现动态水力平衡。

如图4所示，冷却水散热需求负荷预判断子系统中，冷却水出水总管上安装有温度传感器T11，冷却水回水总管上安装有温度传感器T12和流量传感器F10，且上述传感器与冷却水散热需求及负荷预判断模块电性连接，冷却水散热需求及负荷预判断模块与集中控制器电性连接，通过冷却水散热需求及负荷预判断模块对温度传感器本次采集的温度数据与上一次采集的温度数据进行比较，从而得出温度变化的趋势，得出制冷机的冷凝热，然后根据每组冷却塔所能够允许单位时间内处理的冷凝热，冷却水散热需求及负荷预判断模块发送给集中控制器信号以控制开启相应的冷却塔和风机，从而有效解决了通过温度控制的时滞性问题。

1、计算冷凝热的原理：

QK＝GK*KΔT

GK：冷却水的循环量

QK：制冷机冷凝热

ΔT：冷却水的出回水的温差

K:比热容系数

2、计算开启的冷却塔组和相应的风机数的原理：

N＝QK/GS

N:开启的冷却塔组和相应的风机数

GK：冷却水的循环量

GS：单台冷却塔能够处理的冷凝热

如图5所示，冷冻水泵与冷却水泵交互式变流量控制子系统中，在冷却回水管上安装温度传感器T13,在冷却水出水管上安装温度传感器T14，在冷冻回水管上安装温度传感器T15，在冷冻出水管上安装温度传感器T16，且上述传感器分别与冷冻与冷却交互式控制及负荷预判断模块电性连接，冷冻与冷却交互式控制及负荷预判断模块与集中控制器电性连接，在中央空调系统启动时，如果冷冻出水温度即时测量值大于冷冻出水温度设定值与温度的可调偏差值的和，则冷冻水泵的频率每30秒增加1HZ，上升频率的上限在交互式规则库中由程序自动查询，为高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，如果冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差大于5℃，则每30秒上升0.4HZ，上升频率的上限在交互式规则库中由程序自动查询，为高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差在4℃～5℃之间时，如果，冷冻回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.3HZ，而冷冻回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差在3℃～4℃之间时，如果，冷冻回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.3HZ，而冷冻回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷冻回水温度即时测量值与冷冻出水温度设定值的温差小于3℃时，则频率每30秒下降0.5HZ，下降的频率下限可在冷冻交互式规则库中查询，为低频区；在中央空调系统启动时，如果冷冻出水温度即时测量值大于冷冻出水温度设定值与温度的可调偏差值的和，则冷冻水泵的频率每30秒增加1HZ，在开冷却泵时考虑冷冻水的温度是因为冷冻水量的增大会直接导致冷冻主机的做功增加，需要冷却水的水量也会增加，所以这时候冷却水泵的频率应该增加，上升频率的上限在交互式规则库中由程序自动查询，为高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，如果冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差大于4℃，则每30秒上升0.5HZ，上升频率的上限在交互式规则库中查询，为次高频区，如果上述条件不成立，则进行下一步，冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在3℃～4℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升1HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.7HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在2℃～3℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.7HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在1℃～2℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.5HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.5HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差在0℃～1℃之间时，如果，冷却回水温降值大于+0.09时，频率每30秒上升0.3HZ，而冷却回水温降值小于-0.09时，频率每30秒下降0.3HZ，如果上述条件不成立，则进行下一步，当冷却水出水温度即时测量值与冷却出水温度设定值温差小于0℃时频率每30秒下降0.4HZ，下降的频率下限可在冷却交互式规则库中查询，为低频区。

下表为冷冻与冷却交互式规则库，T_qc测为冷却出水测定值、T_ch测为冷冻回水测定值、Tcc_测为冷冻出水测定值，规则库的查询方法就是根据相应的温度值以及温差在表中查询相应的频率上限和下限值

备注：在f_min～f_max之间f上升与下降的最高频率变化范围为1Hz/30s。