專利名稱：中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻塔工況模型建立裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制技術(shù)，更具體地說(shuō)，涉及中 央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
空調(diào)系統(tǒng)中的制冷運(yùn)行過(guò)程為冷水機(jī)組制備一定溫度的冷凍水，通 過(guò)冷凍水泵輸送到末端設(shè)備，與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，吸收室內(nèi)的熱量， 同時(shí)除去室內(nèi)空氣中多余的水分，以滿足室內(nèi)環(huán)境的要求。冷凍水吸收室 內(nèi)的熱量后溫度升高，再通過(guò)冷水機(jī)組冷卻后循環(huán)使用。冷水機(jī)組在工作 時(shí)產(chǎn)生的熱量(主要為冷凍水從室內(nèi)吸收的熱量，也包括冷水機(jī)組工作時(shí) 壓縮機(jī)及自身?yè)p耗所產(chǎn)生的熱量)則由循環(huán)冷卻水吸收，通過(guò)冷卻水泵輸 送到冷卻塔與室外空氣進(jìn)行熱、濕交換，最終散發(fā)在大氣環(huán)境中。
冷水機(jī)組的效率受到多種因素的影響，可以看作是多種因素的函數(shù)。 主要因素有機(jī)組供冷量、冷凍水供水溫度(或冷水機(jī)組蒸發(fā)壓力)、冷卻 水進(jìn)水溫度/出水溫度(或冷水機(jī)組冷凝壓力)等。 一般而言，這些因素與 冷水機(jī)組的效率之間的關(guān)系為
在供冷量等于額定容量的45%~75%之間時(shí)，機(jī)組效率出現(xiàn)峰值；
機(jī)組冷凍水出水溫度越高，則機(jī)組效率越高；
在一定的范圍內(nèi)，機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度越低，則機(jī)組效率越高。
同樣，離心水泵的效率也是其流量的函數(shù)， 一般在水泵流量75%~90% 的范圍內(nèi)，水泵效率出現(xiàn)峰值。
同時(shí)，供水方式(恒壓供水或非恒壓供水)和水泵轉(zhuǎn)速也會(huì)影響水泵 效率。
根據(jù)以上描述，對(duì)于相同的室內(nèi)制冷負(fù)荷要求，可以有不同的滿足方 法。既可以采用較低的冷凍水供水溫度及較小的冷凍水流量，此時(shí)冷水機(jī) 組的能耗較高，但冷凍水泵的能耗較低，或者采用較高的冷凍水供水溫度和較大的冷凍水流量。同樣，對(duì)于相同的冷水機(jī)組出力要求，可以選擇使 其工作在較低的冷凝壓力下，此時(shí)冷水機(jī)組的能耗較低，但是由于較低的
冷凝壓力需要較高的冷卻水流量，因而冷卻水泵的能耗較高；或者相反， 采用冷水機(jī)組能耗較高而冷卻水泵能耗較低的工作方式。
當(dāng)多臺(tái)冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，將有更多的選擇可能。相同的制冷負(fù)荷 要求可以用較多的冷水機(jī)組同時(shí)工作，而每臺(tái)工作在較低負(fù)荷下來(lái)滿足， 也可以用較少的冷水機(jī)組同時(shí)工作，而每臺(tái)冷水機(jī)組工作在接近滿負(fù)荷下 來(lái)滿足。冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔之間也可以不按照"—— 對(duì)應(yīng)"的方式進(jìn)行工作。
由于冷水機(jī)組、冷凍水泵和冷卻水泵的效率都有峰值存在，而在實(shí)際 運(yùn)行時(shí)，這些設(shè)備的工況一般不會(huì)恰好同時(shí)運(yùn)行在各自的峰值效率點(diǎn)上。 同時(shí)，冷凍水的溫度與流量，及冷卻水的溫度與流量都允許在一定的范圍 內(nèi)變化，而不會(huì)對(duì)滿足制冷需求造成影響。這樣，就有可能通過(guò)統(tǒng)籌考慮， 通過(guò)合理選擇冷水機(jī)組出力、冷凍水供水溫度及流量、冷卻水進(jìn)水溫度以 及冷卻塔工作狀態(tài)等參數(shù)，調(diào)整各設(shè)備的工作狀態(tài)，達(dá)到使整個(gè)冷凍機(jī)房 設(shè)備運(yùn)行效率最高的優(yōu)化目標(biāo)。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型旨在提供一種能優(yōu)化整個(gè)冷凍機(jī)房設(shè)備運(yùn)行效率，從而降 低整個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)的總能耗的方法及裝置。
根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，提供一種中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻塔工況 模型建立裝置，包括
離線計(jì)算裝置，離線計(jì)算裝置采集冷卻塔的基本參數(shù)，根據(jù)所選的冷 卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能，進(jìn)一步計(jì)算得到該 冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，并構(gòu)建用于在線計(jì)算裝置的冷卻塔工況 模型；
在線計(jì)算裝置，與離線計(jì)算裝置通信，根據(jù)從離線計(jì)算裝置得到的冷 卻塔工況模型在線計(jì)算冷卻塔的實(shí)時(shí)參數(shù)。
根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，離線計(jì)算裝置采集冷卻塔的基本參數(shù)包括額定工況下環(huán)境空氣的濕球溫度f(wàn)wb,.nG,額定工況下冷卻塔進(jìn)塔水溫fW,V70 ， 額定工況下冷卻塔出塔水溫U)WO，額定工況下冷卻塔的排熱量PtoweW,額 定工況下冷卻塔的風(fēng)量/WaO，額定工況下冷卻塔的水量/Wwo。離線計(jì)算裝置 計(jì)算得到的該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)包括冷卻塔進(jìn)塔水溫fw,no， 出塔水溫fw。W，排熱量Pto柳W,冷卻塔的風(fēng)量Mao，冷卻塔的水量/WwO。而 在線計(jì)算裝置根據(jù)從離線計(jì)算裝置得到的冷卻塔工況模型計(jì)算冷卻塔的在 線參數(shù)包括在線計(jì)算裝置根據(jù)從所述離線計(jì)算裝置得到的冷卻塔工況模 型基于單臺(tái)冷卻塔當(dāng)前所需承擔(dān)的排熱負(fù)荷Pf,.、出塔水溫^。w以及環(huán)境的 濕球溫度U^后，計(jì)算得出當(dāng)前工況下單臺(tái)冷卻塔的進(jìn)塔水溫fw,力及冷卻水
流量Mw。
根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，該冷卻塔工況模型建立裝置還包括假設(shè)配 置裝置，配置工況模型計(jì)算前提假設(shè)，所述工況模型計(jì)算前提假設(shè)包括 空氣和水蒸氣為理想氣體、冷卻塔的進(jìn)、出水流量相等、忽略由風(fēng)機(jī)造成 的空氣加熱、與水蒸氣接觸的空氣膜為飽和狀態(tài)、熱質(zhì)傳遞系數(shù)的比值一 Lewis凄欠為1 。
根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，提供一種中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制方 法，包括
采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的設(shè)備特性，根據(jù)設(shè)備特性建立每 一個(gè)設(shè)備的能耗模型；
以 一 定的時(shí)間間隔采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷負(fù)荷的實(shí)際值，根據(jù) 當(dāng)前的制冷負(fù)荷的實(shí)際值、以及每一個(gè)設(shè)備的能耗模型，計(jì)算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn) 行狀態(tài)，系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)使得所有設(shè)備的總能耗最低；
根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整每一個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；
重復(fù)采集制冷負(fù)荷的實(shí)際值、計(jì)算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)、以及調(diào)整每一 個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。
在一個(gè)實(shí)施例中，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中包括冷水機(jī)組，對(duì)于冷水機(jī)組， 采集的設(shè)備特性包括
冷凍水供水溫度；
fCWS/。af，水冷設(shè)備的冷卻水進(jìn)水溫度，或者風(fēng)冷設(shè)備的室外空氣干球溫度；
Q，冷水機(jī)組容量；
Qre f ，冷水機(jī)組在典型蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的額定容量；
Pref，在典型蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的輸入功率；
冷水機(jī)組的能耗模型通過(guò)上述設(shè)備特性的回歸運(yùn)算得到，包括
根據(jù)fc/ws和fcws/0af#到第 一 函數(shù)； 根據(jù)ws和〖cws/oa得到第二函數(shù)； 根據(jù)Q、 Qref和第一函數(shù)得到第四函數(shù)； 根據(jù)第四函數(shù)得到第三函數(shù)； 冷水機(jī)組的輸入功率P為
P = Prefx第一函數(shù)X第二函數(shù)x第三函數(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中包括冷卻水泵，對(duì)于冷卻水泵，
采集的設(shè)備特性包括 Qcw:冷卻水流量；
冷卻水泵的能耗模型假設(shè)冷卻水管路中沒(méi)有流量調(diào)節(jié)裝置，首先得到 以冷卻水流量為自變量的冷卻水泵功率值，再得到以冷卻水流量為自變量 的冷卻水泵功率修正值，
冷卻水泵功率1/Vcwe為
l^CWe=冷卻水泵功率值x冷卻水泵功率修正值。
在一個(gè)實(shí)施例中，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中包括冷凍水泵，對(duì)于冷凍水泵,
采集的設(shè)備特性包括 Qc/w:冷凍水流量；
冷凍水泵的能耗模型假設(shè)冷凍水泵根據(jù)差壓信號(hào)進(jìn)行變頻調(diào)速，且差 壓傳感器安裝在冷凍水供、回水總管處，首先得到以冷凍水流量為自變量 的冷凍水泵功率值，再得到以冷凍水流量為自變量的冷凍水泵功率修正值，
冷凍水泵功率！A"we為
^VC/me=冷凍水泵功率值x冷凍水泵功率修正值。
在一個(gè)實(shí)施例中，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中包括冷卻塔，對(duì)于冷卻塔，采
集的設(shè)備特性包括P,冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率；
冷卻塔的能耗模型首先得到以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷 卻塔風(fēng)機(jī)功率值，再得到以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷卻塔風(fēng) 機(jī)功率修正值，
冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)際功率H4ower為
Wtower=冷卻塔風(fēng)機(jī)功率值x冷卻塔風(fēng)機(jī)功率修正值。
所述方法還包括計(jì)算所述冷卻塔的工況模型，所述冷卻塔的工況模型
假設(shè)
1 )空氣和水蒸氣為理想氣體；
2) 冷卻塔的進(jìn)、出水流量相等；
3) 忽略由風(fēng)機(jī)造成的空氣加熱；
4) 與水蒸氣接觸的空氣膜為飽和狀態(tài)；
5) 熱質(zhì)傳遞系數(shù)的比值一Lewis數(shù)為1;
所述冷卻塔的工況模型通過(guò)離線計(jì)算得到，離線計(jì)算時(shí)，采集冷卻塔
的基本參數(shù)，包括額定工況下環(huán)境空氣的濕球溫度^b,nO，額定工況下冷 卻塔進(jìn)塔水溫fw,力o,額定工況下冷卻塔出塔水溫^。w，額定工況下冷卻塔
的排熱量Pf。weW,額定工況下冷卻塔的風(fēng)量Mao,額定工況下冷卻塔的水量
/Ww0;根據(jù)所選的冷卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能，
通過(guò)冷卻塔離線計(jì)算得到該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，包括冷卻塔
進(jìn)塔水溫fw柳，出塔水溫fw。wo,排熱量巧。wert)，冷卻塔的風(fēng)量Mao,冷卻塔 的水量Mwo，并構(gòu)建用于在線計(jì)算的冷卻塔工況模型，
在線計(jì)算時(shí)根據(jù)從離線計(jì)算得到的冷卻塔工況模型基于單臺(tái)冷卻塔當(dāng) 前所需承擔(dān)的排熱負(fù)荷Pf,.、出塔水溫fw。w以及環(huán)境的濕球溫度U,力后，可 以計(jì)算得出當(dāng)前工況下單臺(tái)冷卻塔的進(jìn)塔水溫^力及冷卻水流量/Ww。
根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，還提供一種中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制
裝置，包括
控制計(jì)算機(jī)，采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的設(shè)備特性； 數(shù)個(gè)PLC，每一個(gè)PLC連接到中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中的一個(gè)設(shè)備，該P(yáng)LC 控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)個(gè)PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；能耗模型建立裝置，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)采集的設(shè)備特性建立每一個(gè)設(shè)備
的能耗模型，并保存在一能耗模型庫(kù)中；
控制計(jì)算機(jī)以 一 定的時(shí)間間隔采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷負(fù)荷的實(shí) 際值，根據(jù)當(dāng)前的制冷負(fù)荷的實(shí)際值、以及能耗模型庫(kù)中的能耗模型，計(jì)
算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)使得所有設(shè)備的總能耗最低；
數(shù)個(gè)PLC中的每一個(gè)根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整該P(yáng)LC所控制的 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
在一個(gè)實(shí)施例中，能耗模型建立裝置為冷水機(jī)組建立能耗模型，其中， 控制計(jì)算機(jī)采集的設(shè)備特性包括 冷凍水供水溫度；
fCWS/。af,水冷設(shè)備的冷卻水進(jìn)水溫度，或者風(fēng)冷設(shè)備的室外空氣干球溫
度；
Q，冷水機(jī)組容量；
Qref,冷水機(jī)組在典型蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的額定容量；
在典型蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的輸入功率； 能耗模型建立裝置通過(guò)上述設(shè)備特性的回歸運(yùn)算得到冷水機(jī)組的能耗 模型，包括
根據(jù)fc/ws和fcws/oaf#到第 一 函數(shù)； 根據(jù)fc/ws和Us/。a得到第二函數(shù)； 根據(jù)Q、 Qref和第一函數(shù)得到第四函數(shù)； 根據(jù)第四函數(shù)得到第三函數(shù)； 冷水機(jī)組的輸入功率P為
P = Prefx第一函數(shù)X第二函數(shù)x第三函數(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，能耗模型建立裝置為冷卻水泵建立能耗模型，其中，
控制計(jì)算機(jī)采集的設(shè)備特性包括 Qcw:冷卻水流量；
能耗模型建立裝置假設(shè)冷卻水管路中沒(méi)有流量調(diào)節(jié)，首先得到以冷卻 水流量為自變量的冷卻水泵功率值，再得到以冷卻水流量為自變量的冷卻 水泵功率修正值，進(jìn)而得到冷卻水泵的能耗模型冷卻水泵功率！/l/cwe為
l^CWe=冷卻水泵功率值x冷卻水泵功率修正值。
在一個(gè)實(shí)施例中，能耗模型建立裝置為冷凍水泵建立能耗模型，其中， 控制計(jì)算機(jī)采集的設(shè)備特性包括 Qcmv:冷凍水流量；
能耗模型建立裝置假設(shè)冷凍水泵根據(jù)差壓信號(hào)進(jìn)行變頻調(diào)速，且差壓 傳感器安裝在冷凍水供、回水總管處，首先得到以冷凍水流量為自變量的 冷凍水泵功率值，再得到以冷凍水流量為自變量的冷凍水泵功率修正值， 進(jìn)而得到冷凍水泵的能耗模型
冷凍水泵功率！/l/"we為
l^C/me=冷凍水泵功率值x冷凍水泵功率修正值。
在一個(gè)實(shí)施例中，能耗模型建立裝置為冷卻塔建立能耗模型，其中， 所述控制計(jì)算機(jī)采集的設(shè)備特性包括 P,冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率；
能耗模型建立裝置首先得到以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷 卻塔風(fēng)機(jī)功率值，再得到以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷卻塔風(fēng) 機(jī)功率修正值，進(jìn)而得到所述冷卻塔的能耗模型
冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)際功率l/Vf。wer為
Wf。wer=冷卻塔風(fēng)機(jī)功率值x冷卻塔風(fēng)機(jī)功率修正值。 所述能耗控制裝置還為冷卻塔建立工況模型，所述冷卻塔的工況模型 假設(shè)
1) 空氣和水蒸氣為理想氣體；
2) 冷卻塔的進(jìn)、出水流量相等；
3) 忽略由風(fēng)機(jī)造成的空氣加熱；
4) 與水蒸氣接觸的空氣膜為飽和狀態(tài)；
5) 熱質(zhì)傳遞系數(shù)的比值一Lewis數(shù)為1;
所述冷卻塔的工況模型通過(guò)離線計(jì)算得到，離線計(jì)算時(shí)，采集冷卻塔
的基本參數(shù)，包括額定工況下環(huán)境空氣的濕球溫度f(wàn)w^0，額定工況下冷 卻塔進(jìn)塔水溫fvw力O，額定工況下冷卻塔出塔水溫^。wo，額定工況下冷卻塔的排熱量Pto鵬W,額定工況下冷卻塔的風(fēng)量/Wao，額定工況下冷卻塔的水量 Mw0;根據(jù)所選的冷卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能， 通過(guò)冷卻塔離線計(jì)算得到該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，包括冷卻塔 進(jìn)塔水溫fw,M，出塔水溫f柳wo，排熱量Ptovvert)，冷卻塔的風(fēng)量Mao，冷卻塔 的水量Mwo，并構(gòu)建用于在線計(jì)算的冷卻塔工況模型，
在線計(jì)算時(shí)根據(jù)從離線計(jì)算得到的冷卻塔工況模型基于單臺(tái)冷卻塔當(dāng) 前所需承擔(dān)的排熱負(fù)荷&,、出塔水溫fw。^以及環(huán)境的濕球溫度^^后，可以
計(jì)算得出當(dāng)前工況下單臺(tái)冷卻塔的進(jìn)塔水溫^力及冷卻水流量/Ww。
本實(shí)用新型的能耗控制方法和裝置能通過(guò)統(tǒng)籌考慮，通過(guò)合理選擇冷 水機(jī)組出力、冷凍水供水溫度及流量、冷卻水進(jìn)水溫度以及冷卻塔工作狀 態(tài)等參數(shù)，調(diào)整各設(shè)備的工作狀態(tài)，達(dá)到使整個(gè)冷凍機(jī)房設(shè)備運(yùn)行效率最 高的優(yōu)化目標(biāo)。


本實(shí)用新型的上述的以及其他的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)將通過(guò)下面結(jié)合附 圖和實(shí)施例的描述而變得更加明顯，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記始終表示 相同的特征，其中圖1示出了本實(shí)用新型的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控
制方法的流程圖2示出了本實(shí)用新型的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制裝置的結(jié)構(gòu)
圖3示出了本實(shí)用新型的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻塔工況模型建立裝 置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
由于冷凍機(jī)房中的所有設(shè)備均處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，制冷負(fù)荷和天氣參 數(shù)也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因此采用實(shí)驗(yàn)方法，逐個(gè)變更各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)， 再根據(jù)測(cè)試結(jié)果尋找整個(gè)冷凍機(jī)房設(shè)備運(yùn)行效率最高的工況點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí) 的。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路是，首先建立冷凍機(jī)房中各設(shè)備的能耗與運(yùn)行 參數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，然后在各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的合理取值范圍內(nèi)，結(jié)合實(shí)時(shí)制冷負(fù)荷和天氣參數(shù)，用計(jì)算機(jī)對(duì)這些參數(shù)的各種可能組合所對(duì)應(yīng)的冷 凍機(jī)房能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，再根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，選出能耗最低的參數(shù) 組合，據(jù)此調(diào)整各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到在滿足制冷負(fù)荷的前提下使 得整個(gè)冷凍機(jī)房運(yùn)行能耗最低的目的。
本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)為兩層構(gòu)架，上位機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)
整個(gè)控制策略的實(shí)現(xiàn)及整個(gè)機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視；下位機(jī)為PLC，實(shí)際控 制各相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行?？刂朴?jì)算機(jī)與PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)建立通訊聯(lián) 系。整個(gè)控制策略是，首先根據(jù)冷凍機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備的特性建立各自的能耗 數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立整個(gè)冷凍機(jī)房的能量平衡數(shù)學(xué)模型及能耗數(shù)學(xué) 模型。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制計(jì)算機(jī)以一定的時(shí)間間隔測(cè)量制冷負(fù)荷的實(shí)時(shí) 值，并據(jù)此進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，找出能夠滿足此制冷負(fù)荷的、且整個(gè)冷凍 機(jī)房總能耗最低(即整體效率最高)的工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，控制計(jì)算 機(jī)確定各受控變量的設(shè)定值，并將之傳送到對(duì)應(yīng)的PLC中，再由PLC控 制各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使得整個(gè)冷凍機(jī)房運(yùn)行在效率最高的狀態(tài)下。
在這個(gè)控制系統(tǒng)中，優(yōu)化計(jì)算是它的核心部分。從整個(gè)控制系統(tǒng)的角 度來(lái)看，優(yōu)化計(jì)算部分實(shí)際上是一個(gè)"設(shè)定值發(fā)生器(set-point generator)", 整個(gè)冷凍機(jī)房中所有設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)(控制參數(shù)設(shè)定值)都由優(yōu)化計(jì) 算程序確定，然后PLC根據(jù)這些設(shè)定值控制各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行。以上控制策 略對(duì)整個(gè)機(jī)房而言為開(kāi)環(huán)控制，但各臺(tái)設(shè)備為閉環(huán)控制?？紤]到對(duì)設(shè)備進(jìn) 行分組控制的要求，將設(shè)置數(shù)個(gè)PLC子站，分別完成對(duì)于冷卻系統(tǒng)中各個(gè) 設(shè)備，比如冷凍水泵、冷水機(jī)組、冷凍水泵和冷卻塔的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控 制及故障報(bào)警任務(wù)。PLC與控制計(jì)算機(jī)之間的通訊協(xié)議為T(mén)CP/IP, PLC 與冷水機(jī)組的數(shù)據(jù)接口間以Modbus連接，與其它設(shè)備，比如冷凍水泵、 冷凍水泵和冷卻塔間為0-10V/4-20mA/RS485。
優(yōu)化計(jì)算中所涉及到的數(shù)學(xué)模型有冷水機(jī)組能耗模型、冷卻水泵能 耗模型、冷凍水泵能耗模型、冷卻塔工況模型和冷卻塔能耗模型。在這些 模型中，冷水機(jī)組能耗模型屬于回歸模型，計(jì)算所需要的參數(shù)可以通過(guò)從 冷水機(jī)組廠商獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行回歸運(yùn)算得到；冷卻水泵能耗模型、冷凍水 泵能耗模型和冷卻塔能耗模型屬于物理模型加現(xiàn)場(chǎng)修正函數(shù)，計(jì)算所需要的參數(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸運(yùn)算得到；冷卻塔工況
模型為簡(jiǎn)化的物理模型加回歸模型，計(jì)算時(shí)需要首先根據(jù)樣本數(shù)據(jù)通過(guò)迭 代計(jì)算生成各種不同工況下的數(shù)據(jù)，然后用回歸方法建立數(shù)學(xué)模型。 圖1示出了本實(shí)用新型的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制方法的流程
圖，參考圖1所示，該方法包括
102.采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的設(shè)備特性，根據(jù)設(shè)備特性 建立每一個(gè)設(shè)備的能耗模型；
104.以 一 定的時(shí)間間隔采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷負(fù)荷的實(shí)際值， 根據(jù)當(dāng)前的制冷負(fù)荷的實(shí)際值、以及每一個(gè)設(shè)備的能耗模型，計(jì)算系統(tǒng)最 優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)使得所有設(shè)備的總能耗最低；
106.根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整每一個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；
108.重復(fù)采集制冷負(fù)荷的實(shí)際值、計(jì)算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)、以及調(diào) 整每 一 個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。
圖2示出了本實(shí)用新型的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制裝置的結(jié)構(gòu) 圖。參考圖2所示，該能耗控制裝置包括
控制計(jì)算機(jī)202,采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的設(shè)備特性；
數(shù)個(gè)PLC 204,每一個(gè)PLC連接到中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中的一個(gè)設(shè)備， 該P(yáng)LC控制該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)個(gè)PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與控制計(jì)算機(jī)進(jìn) 行通信；
能耗模型建立裝置206，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)202采集的設(shè)備特性建立每 一個(gè)設(shè)備的能耗模型，并保存在一能耗模型庫(kù)208中；
控制計(jì)算機(jī)202以 一 定的時(shí)間間隔采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷負(fù)荷 的實(shí)際值，根據(jù)當(dāng)前的制冷負(fù)荷的實(shí)際值、以及能耗模型庫(kù)208中的能耗 模型，計(jì)算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)使得所有設(shè)備的總能耗 最低；
數(shù)個(gè)PLC 204中的每一個(gè)根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整該P(yáng)LC所控 制的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
在圖2所示的實(shí)施例中，共包括4個(gè)PLC204,分別用于控制冷水機(jī) 組、冷卻水泵、冷凍水泵以及冷卻》荅。在上述的能耗控制方法以及能耗控制裝置中，采用了下述的能耗模型。
冷水機(jī)組
此處所述的冷水機(jī)組的類型沒(méi)有限制，可以是離心機(jī)、螺桿機(jī)、甚至 風(fēng)冷熱泵。在本實(shí)用新型中，冷水機(jī)組的能耗模型是回歸模型，建立冷水 機(jī)組的能耗模型需要采集的設(shè)備特性包括
"ws,冷凍水供水溫度；
LWS/。af，水冷設(shè)備的冷卻水進(jìn)水溫度，或者風(fēng)冷設(shè)備的室外空氣干球溫
度；
Q，冷水機(jī)組容量；
冷水機(jī)組在典型蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的額定容量；
Pref,在典型蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的輸入功率。 冷水機(jī)組的能耗模型通過(guò)上述設(shè)備特性的回歸運(yùn)算得到，包括 根據(jù)fc/jws和fcws/。a^尋到第一函數(shù)，記為fi(fc/ws, fcws/oaf)，其中廣1(fc/ws， 〖cws/oa》是 一 個(gè)關(guān)于fc力ws和fcivs/oaf的多項(xiàng)式，其中的每 一 項(xiàng)由fc/j附、fcws/。W或
者它們的組合的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu)成。
根據(jù)^ws和fcws/。a得到第二函數(shù)，記為f2(fc/ws， fcws/oaf), 其中廣2(fcftws, fcws/。af)是 一 個(gè)關(guān)于^ws和fcws/。af的多項(xiàng)式，其中的每 一 項(xiàng)由thws 、 ^vs/。af或
者它們的組合的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu)成。
根據(jù)Q, Qref和第一函數(shù)得到第四函數(shù)，記為，WQ, Qref， 其中，/^(Q， Qref， fc/ms， fcws/oa》代表了Q和Q^以及第一函數(shù)之間的比例關(guān)系。
根據(jù)第四函數(shù)得到第三函數(shù)，記為f3(/^(Q, Qref, fcMvs， fcws/。af))。
冷水機(jī)組的能耗模型如下，輸入功率P為
P = Prefx第一函數(shù)x第二函數(shù)x第三函數(shù)。 i己為
冷卻水泵本實(shí)用新型假設(shè)冷卻水管路中沒(méi)有流量調(diào)節(jié)裝置。冷卻水泵能耗模型
是經(jīng)修正的物理模型。建立冷卻水泵的能耗模型需要采集的設(shè)備特性包括 Qw:冷卻水流量。
首先得到以冷卻水流量為自變量的冷卻水泵功率值，或者稱為以冷卻 水流量為自變量的冷卻水泵功率函數(shù)，記為f5 (Qcw)。其中f5 (Qcw)是一個(gè) 關(guān)于Qcw的多項(xiàng)式，其中的每一項(xiàng)由Qcw的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu)成。
再得到以冷卻水流量為自變量的冷卻水泵功率修正值，或者稱為以冷 卻水流量為自變量的冷卻水泵功率修正函數(shù)，記為f6(Qcw)。其中fe(Qcw) 也是一個(gè)關(guān)于Qcw的多項(xiàng)式，其中的每一項(xiàng)由Qcw的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu) 成，該fe(Qcw)還包括修正系數(shù)。
冷卻水泵的能耗模型如下，冷卻水泵的功率UU^e為
Wcwe=冷卻水泵功率值x冷卻水泵功率修正值；
i己為
冷凍水泵
本實(shí)用新型假設(shè)冷凍水泵根據(jù)差壓信號(hào)進(jìn)行變頻調(diào)速，且差壓傳感器 安裝在冷凍水供、回水總管處。冷凍水泵能耗模型是經(jīng)修正的物理模型。 建立冷凍水泵的能耗模型需要采集的設(shè)備特性包括
QcMv:冷凍水流量。
首先得到以冷凍水流量為自變量的冷凍水泵功率值，或者稱為以冷凍 水流量為自變量的冷凍水泵功率函數(shù)，記為記為f7(Qc/w)。其中WQc一是 一個(gè)關(guān)于Qc^的多項(xiàng)式，其中的每一項(xiàng)由Qc^的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu)成。
再得到以冷凍水流量為自變量的冷凍水泵功率修正值，或者稱為以冷
凍水流量為自變量的冷凍水泵功率修正函數(shù)，記為f8(Qc/m)。其中f8(Qc/nv)
也是一個(gè)關(guān)于Qc/^的多項(xiàng)式，其中的每一項(xiàng)由Qc^的n次項(xiàng)、或者常數(shù) 構(gòu)成，該fs(Qc/^)還包括修正系數(shù)。
冷凍水泵功率！^chwe為
Wc/we=冷凍水泵功率值x冷凍水泵功率修正值；記為 冷卻塔
建立冷卻塔的能耗模型需要采集的設(shè)備特性包括 P,冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率。
首先得到以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷卻塔風(fēng)機(jī)功率值， 或者稱為以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷卻塔風(fēng)機(jī)功率函數(shù)，記 為fg(P)。 是一個(gè)關(guān)于P的多項(xiàng)式，其中的每一項(xiàng)由具有回歸系數(shù)的
P的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu)成。
再得到以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷卻塔風(fēng)機(jī)功率修正 值，或者稱為以冷卻塔風(fēng)機(jī)額定輸入功率為自變量的冷卻塔風(fēng)機(jī)功率修正 函數(shù)，記為。0(P)。 G0(P)是一個(gè)關(guān)于P的多項(xiàng)式，其中的每一項(xiàng)由具有 回歸系數(shù)的P的n次項(xiàng)、或者常數(shù)構(gòu)成。
冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)際功率Wtower為
l^。wer=冷卻塔風(fēng)機(jī)功率值x冷卻塔風(fēng)機(jī)功率修正值； 記為
考慮到實(shí)際工作運(yùn)行狀況，還需計(jì)算冷卻塔的工況模型，冷卻塔的工 況模型假設(shè)
1) 空氣和水蒸氣為理想氣體；
2) 冷卻塔的進(jìn)、出水流量相等；
3) 忽略由風(fēng)機(jī)造成的空氣加熱；
4) 與水蒸氣接觸的空氣膜為飽和狀態(tài)；
5) 熱質(zhì)傳遞系數(shù)的比值一Lewis數(shù)為1;
冷卻塔的工況模型通過(guò)離線計(jì)算得到，離線計(jì)算時(shí)，采集冷卻塔的基 本參數(shù)，包括額定工況下環(huán)境空氣的濕球溫度f(wàn)wtoo，額定工況下冷卻塔 進(jìn)塔水溫fw,no,額定工況下冷卻塔出塔水溫fvv。wo，額定工況下冷卻塔的排 熱量Pf。鵬rO，額定工況下冷卻塔的風(fēng)量/Wao,額定工況下冷卻塔的水量/Wwo;根據(jù)所選的冷卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能，通過(guò) 冷卻塔離線計(jì)算得到該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，包括冷卻塔進(jìn)塔 水溫^,nO，出塔水溫Un;fO，排熱量Pf。wertJ，冷卻塔的風(fēng)量Mao，冷卻塔的水 量Mwo，并構(gòu)建用于在線計(jì)算的冷卻塔工況模型，
在線計(jì)算時(shí)根據(jù)從離線計(jì)算得到的冷卻塔工況模型基于單臺(tái)冷卻塔當(dāng) 前所需承擔(dān)的排熱負(fù)荷Pf,、出塔水溫fw。^以及環(huán)境的濕球溫度f(wàn)w^后，可以 計(jì)算得出當(dāng)前工況下單臺(tái)冷卻塔的進(jìn)塔水溫U力及冷卻水流量Mw。
表達(dá)為
本實(shí)用新型的能耗控制方法和裝置能通過(guò)統(tǒng)籌考慮，通過(guò)合理選擇冷 水機(jī)組出力、冷凍水供水溫度及流量、冷卻水進(jìn)水溫度以及冷卻塔工作狀 態(tài)等參數(shù)，調(diào)整各設(shè)備的工作狀態(tài)，達(dá)到使整個(gè)冷凍機(jī)房設(shè)備運(yùn)行效率最 高的優(yōu)化目標(biāo)。
本實(shí)用新型尤其強(qiáng)調(diào)用于中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻塔工況模型建立裝 置300,參考圖3所示，包括
離線計(jì)算裝置302,離線計(jì)算裝置302采集冷卻塔的基本參數(shù)，根據(jù)所 選的冷卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能，進(jìn)一步計(jì)算 得到該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，并構(gòu)建用于在線計(jì)算裝置的冷卻 塔工況模型。其中，該離線計(jì)算裝置302采集冷卻塔的基本參數(shù)包括額定
工況下環(huán)境空氣的濕球溫度f(wàn)wtoO，額定工況下冷卻塔進(jìn)塔水溫^,M,額定 工況下冷卻塔出塔水溫fw。WO，額定工況下冷卻塔的排熱量Pf。werO，額定工 況下冷卻塔的風(fēng)量Mao，額定工況下冷卻塔的水量Mwo。該離線計(jì)算裝置302
計(jì)算得到的該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)包括冷卻塔進(jìn)塔水溫Uno，
出塔水溫fw。W,排熱量PtoweW，冷卻塔的風(fēng)量Mao，冷卻塔的水量/Wwo。
在線計(jì)算裝置304,與離線計(jì)算裝置302通信，根據(jù)從離線計(jì)算裝置302 得到的冷卻塔工況模型計(jì)算冷卻塔的在線參數(shù)。其中，在線計(jì)算裝置304 根據(jù)從離線計(jì)算裝置302得到的冷卻塔工況模型計(jì)算冷卻塔的在線參數(shù)包 括在線計(jì)算裝置304根據(jù)從離線計(jì)算裝置302得到的冷卻塔工況模型基于單臺(tái)冷卻塔當(dāng)前所需承擔(dān)的排熱負(fù)荷Pf,、出塔水溫U^以及環(huán)境的濕球溫 度f(wàn)vW),力后，計(jì)算得出當(dāng)前工況下單臺(tái)冷卻塔的進(jìn)塔水溫U力及冷卻水流量
繼續(xù)參考圖3所示，該冷卻塔工況模型建立裝置300還包括假設(shè)配置裝 置306,用于配置工況模型計(jì)算前提假設(shè)，該假設(shè)配置裝置306可以由工況 模型假設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)306實(shí)現(xiàn)，在該工況模型假設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)306中包括下述的工況 模型假設(shè)空氣和水蒸氣為理想氣體、冷卻塔的進(jìn)、出水流量相等、忽略 由風(fēng)機(jī)造成的空氣加熱、與水蒸氣接觸的空氣膜為飽和狀態(tài)、熱質(zhì)傳遞系 數(shù)的比值一 Lewis數(shù)為1。
上述實(shí)施例是提供給熟悉本領(lǐng)域內(nèi)的人員來(lái)實(shí)現(xiàn)或使用本實(shí)用新型 的，熟悉本領(lǐng)域的人員可在不脫離本實(shí)用新型的發(fā)明思想的情況下，對(duì)上 述實(shí)施例做出種種修改或變化，因而本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不被上述實(shí) 施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書(shū)提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
權(quán)利要求1.一種用于中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻塔工況模型建立裝置，其特征在于，所述中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗控制裝置包括控制計(jì)算機(jī)，采集中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的設(shè)備特性；數(shù)個(gè)PLC，每一個(gè)PLC連接到中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中的一組或幾組設(shè)備，該P(yáng)LC控制所述設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，所述數(shù)個(gè)PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與所述控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；能耗模型建立裝置，根據(jù)所述控制計(jì)算機(jī)采集的設(shè)備特性建立每一個(gè)設(shè)備的能耗模型，并保存在一能耗模型庫(kù)中；所述控制計(jì)算機(jī)以一定的時(shí)間間隔采集所述中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷負(fù)荷的實(shí)際值，根據(jù)當(dāng)前的制冷負(fù)荷的實(shí)際值、以及所述能耗模型庫(kù)中的能耗模型，計(jì)算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，所述系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)使得所有設(shè)備的總能耗最低；所述數(shù)個(gè)PLC中的每一個(gè)根據(jù)所述系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，從控制計(jì)算機(jī)獲取指令，調(diào)整該P(yáng)LC所控制的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；所述冷卻塔工況模型建立裝置包括離線計(jì)算裝置，所述離線計(jì)算裝置采集冷卻塔的基本參數(shù)，根據(jù)所選的冷卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能，進(jìn)一步計(jì)算得到該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，并構(gòu)建用于在線計(jì)算裝置的冷卻塔工況模型；在線計(jì)算裝置，與所述離線計(jì)算裝置通信，根據(jù)從所述離線計(jì)算裝置得到的冷卻塔工況模型在線計(jì)算冷卻塔的實(shí)時(shí)參數(shù)。
專利摘要本實(shí)用新型揭示了一種中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻塔工況模型建立裝置，包括離線計(jì)算裝置，離線計(jì)算裝置采集冷卻塔的基本參數(shù)，根據(jù)所選的冷卻塔額定工況下的參數(shù)計(jì)算得到該冷卻塔的傳熱性能，進(jìn)一步計(jì)算得到該冷卻塔在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，并構(gòu)建用于在線計(jì)算裝置的冷卻塔工況模型；在線計(jì)算裝置，與所述離線計(jì)算裝置通信，根據(jù)從離線計(jì)算裝置得到的冷卻塔工況模型在線計(jì)算冷卻塔的實(shí)時(shí)參數(shù)。
文檔編號(hào)F24F11/00GK201318765SQ20082015315
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
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