水冷式中央空调末端风挡计量方法与流程

本发明涉及水冷式中央空调计量领域，具体地说涉及一种水冷式中央空调末端风挡计量方法。

背景技术：

1、中央空调系统由冷热源系统和冷热量传输及空气调节系统组成。夏季，制冷系统为空气调节系统提供所需冷量，用以抵消室内环境热负荷的热量；冬季，制热系统为空气调节系统提供用以抵消室内环境热负荷的冷量。水冷式中央空调是由一台主机通过冷水管接多个风机盘管末端的方式来向不同房间输送冷量以达到室内空气调节目的的空调。

2、中央空调最突出的特点是产生舒适的工作生活环境，随着国内大型公共建筑中空调需求的快速发展，越来越多的写字楼、商场、酒店式公寓等建筑开始安装中央空调系统。

3、新世纪，人类面临着能源与环境两大问题，即能源短缺与环境恶化。建筑业与工业生产、交通运输成为我国的三大能源消费行业，占全国能耗的30％左右。而空调制冷与采暖系统能耗占建筑总能耗50％～60％。公共建筑中中央空调的节能措施可以有效降低建筑能耗，实现可持续性发展。而，目前中央空调的计费方式很多地方仍采用传统简单的面积分摊法；这种方法简单方便，但是这种计费方式下大部分人并不考虑空调使用是否节能，造成有人没人空调照开的现象，导致能源浪费。

4、如果采用能量计量法，用多少交多少费用，则可以唤醒人们的节能意识。采用合理的计费方式可以改变消费者的用能习惯，因此，合理选择中央空调计费方式具有很重要的节能意义。

5、中央空调的收费方式最初是按面积分摊，因此存在着空调浪费的现象。为此，近年来提出了基于中央空调的新的分户计费系统，希望通过合理地对每室用户进行费用分摊，实现合理计费，从而减少用电浪费严重、建筑能耗居高不下的现象。

6、中央空调的冷量计量和分摊计费新技术中，出现了冷冻水计量法。冷冻水计量法又分为两种，一种是将水表安装在风机盘管出水口处，通过水表来计量风机盘管内冷冻水流量；这种方法简单地解决了用多用少不一样的弊端，但没有考虑冷冻水进出口温度。另一种方法正好相反，认为冷冻水流量不变，只计量冷冻水进出口温差，只要空调开启就进行计费。这些方法，包括后续改进的能量表法，都从末端对固定几个参数进行检测，无法反映中央空调系统整体工况变化对末端冷量供应的影响，从而难以体现用户真实的冷量消耗。

7、对于水冷式中央空调，传统冷量计量需要注意的另一个问题就是供回水温差较之采暖而言要小得多，所以这就要求温度传感器的测量精度需要更高，无疑，在每个末端采用高精度传感器将大大增加用户成本；而采用普通传感器则普遍存在采样波动大而计量不准的问题。

8、高成本能量表推广困难，目前，据调查，中央空调冷量新建分摊计费系统以采用间接计费或当量计费的工程项目为多，而间接或当量计费中又以时间型计费居多。时间型计量的冷量当量或累积用量为额定测试条件下的推算量，如公开号为cn 100504338c的中国专利，其基本原理上是对末端各档风速的工作时间累积计算。时间型计费从制冷量与风机盘管的进、出水温差、以及水量成正比出发，将风机盘管风速看作温差的影响因素，认为风速越大时空气体积流量也越大，进而冷量当量也越大。对具有高、中、低三个风速档位vh、vm、vl恒定的风机盘管，其冷量当量为：

9、q＝khth+kmtm+kltl，

10、其中，th、tm、tl为高、中、低风速下二通阀的开启时间(s)，kh、km、kl为高、中、低风速下的比例系数(kj/s)。二通阀本身是一个开关部件，通过检测每个二通阀的开启与关闭，从而可以得到在一定时间内二通阀开通累计时间，以及风速的不同档位。可见，时间型计量方法中，水冷式中央空调的每一个风机盘管送出的冷量是利用不同风速下开启二通阀开关的时间累积值，作为计算其冷量的依据。该方法的关键在于，如何获得其中的kh、km、kl系数？目前的方法是，用估算的经验或理论值，或者采用风机盘管厂家基于额定条件如干球27℃，湿球19.5℃，冷冻水入口温度7℃时，各个风档风量下的冷量而测算得出的系数值。

11、这种以固定系数来计算动态工况下冷量的方法，显然只能用于估算而无法准确计量。而通过搭建特制试验装置并通过空气焓值法计算获得测试对象制冷量的标注方法，也不适合于运行环境、条件多样变化的中央空调末端风挡。

12、因此，行业内亟需一套能准确计量实际工况下风挡末端的冷量当量的方法，为多用多缴费、少用少给钱的计费提供计量基础，从而最终提高广大用户的节能意识并达到节能和保护环境的目的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种能对水冷式中央空调中末端风挡的冷量进行准确计量的方法，为按实际用冷量有效计费提供基础。

2、本发明的技术解决方案是，提供一种水冷式中央空调末端风挡计量方法，包括以下步骤：

3、s1、基于水冷式中央空调末端风挡制冷能力选择作为冷量对照用参考空气调节单元，根据标准测试得到所述参考空气调节单元在不同工况下的显冷量并将参数记录为工作特性；

4、s2、以水冷式中央空调主机冷冻水供水流量、供回水温差，本房间当前温度、湿度四个标量，以及水冷式中央空调所有末端风挡开启状态值组成的向量作为输入量，以本房间当前风挡的单位时间制冷量当量为输出量，建立神经网络；

5、s3、预冷却及初始化工况参数设置：以末端风挡所在的房间为热负荷，根据该房间的自然温度设定目标温度；基于中央空调末端风挡制冷将该房间温度调节到所述目标温度并获取当前湿度作为目标湿度；

6、s4、判断是否为当前目标温度下的首次样本采集，若是则使得该房间保持在所述目标温度一预设时长，并获取当前湿度作为目标湿度，否则，转s5；

7、s5、采集所述神经网络训练样本：控制末端风挡与参考空气调节单元分阶段以交替方式分别独立制冷，各阶段均将该房间温度维持在所述目标温度，通过工况调节单元使得传感检测单元中位于房间内不同位置的多个温度检测模块的温差小于温差阈值，

8、以同工况下参考空气调节单元测算出的单位时间制冷量作为末端风挡的冷量当量；

9、s6、判断采样结束条件是否满足，若是则转s7，否则，改变水冷式中央空调主机及末端风挡的工况，转步骤s4再次进行样本采集；

10、s7、基于训练样本集对所述神经网络进行训练，调整神经网络的连接权值；

11、s8、现场环境中，基于当前工况用经训练的神经网络对末端风挡的单位时间制冷量当量进行预测，并将预测值输出。

12、作为优选，步骤s5中所述分阶段以交替方式分别独立制冷的过程为：

13、三个时段内相继以所述参考空气调节单元、末端风挡、参考空气调节单元单独作为冷源并分别工作t1、t2、t1时间长度，

14、其中，各时段内均通过房间内空气循环，使得室内多测点上温度检测模块的温差小于温差阈值；第一、第三两个时段内还调节房间湿度并使其保持在所述目标湿度；第二时段内通过控制末端风挡风机的驱动器以pwm方式工作来将该房间温度维持在所述目标温度，计算所述风机在风挡当前开启状态值f时的单位时间制冷量当量：其中，第一时段制冷量第三时段制冷量第二时段的当量时间式中制冷功率q(t)基于工作特性和工况计算得到，δ(t)为pwm值。

15、作为优选，所述步骤s5包括：

16、s51、关闭本房间的末端风挡并开始计时，控制所述参考空气调节单元从t＝0至t＝t1的第一时段将该房间温度维持在所述目标温度，同时控制工况调节单元使该房间湿度保持在所述目标湿度，基于所述工作特性和工况计算制冷功率q(t)并累积出第一时段其制冷量

17、s52、关闭所述参考空气调节单元并再次计时，设置好所述末端风挡的开启状态值f后，控制其风机对应驱动器以pwm方式工作并从t＝0至t＝t2的第二时段将该房间温度维持在所述目标温度，计算其当量时间其中δ(t)为pwm值，

18、s53、再次关闭所述末端风挡并重新开始计时，控制所述参考空气调节单元从t＝0至t＝t1的第三时段将该房间温度维持在所述目标温度，同时控制工况调节单元使该房间湿度保持在所述目标湿度，再次计算第三时段其制冷量

19、s54、计算获得当前工况下所述风挡的单位时间制冷量当量：

20、作为优选，所述神经网络的输入量中，主机冷冻水供水流量、供回水温差分别通过设置在冷冻水供回水主管道与中央空调主机相邻端的测点获取，

21、所述温度检测模块可设置在同一高度且分别位于两条垂直的对角线上，所述温差阈值可取为0.1℃～0.5℃之间的某个值，本房间当前温度取值为多测点温度的均值或其中回风口的温度值；

22、所述湿度通过设置在房间回风管道中部的湿度检测模块感知。

23、作为优选，步骤s5中所述空气循环通过一匀温模块实现，其还包括：

24、采集房间图像，通过图像处理提取方位特征及两条相互垂直的对角线，所述方位特征包括房间结构棱线的分布、长度，以及冷源出风口、回风口与匀温模块在房间中相对于房间各角落的方向、距离；

25、以冷风出风口位置到其能到达的房间最远处或其对边正对位置连线，作为其中一条主对角线，另取一条与之垂直的直线作为一条次对角线；然后，以主对角线为轴心规划螺旋形轨迹；

26、使匀温模块末端风扇轴线即其指向的末端按所规划的轨迹运动、以将中央空调末端风挡和/或参考空气调节单元吹出的冷气传送到房间各区域，直至房间中的多个温度检测模块的温差小于温差阈值。

27、作为优选，所述按所规划的轨迹运动，具体包括：在样本采集的每一时间段内，首先，匀速运转；然后，根据房间中多个温度测点的温度分布特征，改变末端风扇按所述轨迹移动的线速度，使该线速度与其对应轨迹点上温度与目标温度之间温差值的大小成反比。

28、作为优选，所述末端风挡开启状态值可分别取值为风机转速的低、中、高三挡各自对应的三个风机功率的归一化值，如，以最高功率值作为1，其他两档功率则按比例折算。

29、作为优选，参考空气调节单元的所述工作特性基于房间式空气焓值法试验装置获取，通过测试参考空气调节单元在不同工况下的显冷量并将工况参数和所述显冷量记录为工作特性表格或曲线，采集样本时，基于当前工况参数值，通过查询、插值该表格或曲线计算得到参考空气调节单元在当前工况下的制冷量。

30、作为优选，根据末端风档的具体型号、以及其距离所述中央空调主机冷冻水供水主管道入口处的水平距离和垂直距离，对所有末端风档进行类别细分，对每一细分类别均各建立一个神经网络并分别进行训练样本的采集。

31、作为优选，步骤s5中所述驱动器以pwm方式工作时，通过对风挡不同档位风速时的风机电机归一化转速乘以周期内开机占空比δ(t)的积分来计算其当量时间其中k(t)为归一化转速，如最高速为1，其他速度时取值为转速值与该最高速的比值。

32、作为优选，所述神经网络采用bp神经网络，其模型为：

33、隐含层第j个节点输出为

34、输出层的输出为

35、其中，x1～x4为中央空调主机冷冻水供水流量、供回水温差，本房间当前温度、湿度四个标量，x5～xn为所有末端风挡开启状态值；f()函数取为sigmoid函数，wij和vj分别为输入层到隐含层的连接权值和隐含层到输出层的连接权值，θj和θ分别为隐含层和输出层阈值，n和k分别为输入层和隐含层节点数，采用梯度下降法进行网络训练。

36、作为优选，各末端风挡开启状态值，在多末端组成的分布式系统中，均通过与服务器的通信进行交互获取。

37、作为优选，所述多个温度检测模块为3～6个，设置高度约为2米。

38、作为优选，所述目标温度与初始温度之间的温差≥5℃。

39、作为优选，所述参考空气调节单元采用冷热空调；若当量时间dt与第二时段时长t2的比值小于占空比阈值δs，采集所述样本时，第二时段时间范围内，还控制所述参考空气调节单元从τ＝0至τ＝t3时间范围内以制热模式工作，且记录加热的热当量相应地，计算获得当前工况下所述风挡的单位时间制冷量当量：

40、

41、作为优选，还可以在参考空气调节单元中设置一个电加热模块，控制所述电加热模块从τ＝0至τ＝t3时间范围内制热，且记录加热的热当量q3＝pr·t3，其中pr为电加热模块的加热功率(kw即kj/s)，并类似地计算pf。

42、作为优选，在所述t1、t2时间范围内，均可以已知功率开启加热模块并进行热量计算。

43、作为优选，所述参考空气调节单元的额定制冷功率为末端风机最大风挡制冷能力的0.85～1.15倍。

44、作为优选，所述匀温模块包括依次相连的底座、竖直旋转轴、弯角支臂、水平旋转轴、具有两段通过螺栓活动连接支臂的可俯仰支架，该两段支臂的外端部之间连接有一与所述水平旋转轴轴线成锐角的可伸缩支杆，在所述可俯仰支架末端承载有一匀温风扇，风扇背部有一扇罩。

45、作为优选，通过传感检测单元中设置的图像采集模块进行图像采集，通过控制单元来进行训练样本采集；所述控制单元包括输入模块、主处理模块、图像处理模块、风机处理模块、映射模块和输出模块，该控制单元被配置为：

46、图像处理模块基于图像采集模块所获取的房间图像分析房间方位特征，并提取两条相互垂直的对角线；

47、主处理模块对事件进行响应，并对其他各模块进行调度；

48、风机处理模块根据房间内不同位置上所述多个温度的均值，调节驱动器的pwm波占空比值；

49、在映射模块中建立所述神经网络，该神经网络输入层从主处理模块接收所述输入量，输出层的输出量分别通过第一连接阵和第二连接阵传输至迭代学习部和主处理模块；离线训练所述神经网络时，迭代学习部根据主处理模块和神经网络分别通过第一连接阵输入的风挡单位时间制冷量当量实际值和网络输出值，调整神经网络的连接权值；在线计量时，第一连接阵断开，神经网络对风挡单位时间制冷量当量进行预测并经第二连接阵输出给主处理模块，由主处理模块处理分析后通过输出模块输出。

50、作为优选，所述参考空气调节单元中，设置有干、湿球温度检测模块和送风量检测模块，根据标准测试得到其在不同工况下的显冷量并将参数记录为工作特性表格或曲线，基于当前进出口空气的干、湿球温度和送风量，所述参考空气调节单元在当前房间的制冷量通过查询、插值所述工作特性而计算得到。

51、采用本发明方法，与现有技术相比，具有以下优点：本发明以分布在不同位置的水冷式中央空调末端风挡所在房间作为热负荷，以经预标定的可移动式参考空气调节单元作为参照，来对水冷式中央空调末端风挡的冷量当量进行计算；以中央空调主机冷冻水供水流量、供回水温差，本房间当前温度、湿度四个标量，以及所有末端风挡开启状态值组成的向量作为输入量，以本房间当前风挡的单位时间制冷量当量为输出量，建立神经网络，作为末端风挡计量映射模型，该模型能体现水冷式中央空调实际工况变化对末端制冷量的影响，能动态反映末端风挡的供冷量变化，克服了现有技术以固定系数来估算实际变化的风挡制冷量的缺陷。同时，供水温差和流量的测点仅设置在中央空调主机冷冻水供水主管道出入口处以代替各末端的多点布置，大流量相对末端小流量的检测能减小相对误差，而测点的显著减少使得可通过采用高精度温差检测以进一步减小计量误差。另外，本发明根据风挡末端的型号、以及其距离中央空调主机冷冻水供水主管道入口处的水平距离和垂直距离进行类别细分，在模型中以所有末端风挡开启状态值作为输入量，从而实现了各风挡末端之间相互制约的解耦。本发明能对水冷式中央空调末端风挡在不同工况下的实际冷量进行准确计量，为按冷量计费提供了依据，有助于空调的节约利用。