中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法及中央空調與流程
2023-05-09 18:38:45
本發明涉及中央空調領域，更具體地說，涉及一種中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法及中央空調。
背景技術：
在我國，2014年建築能耗總量超過12.5億噸標準煤，佔社會總能耗30％。中央空調能耗佔建築總能耗65％，其中空調機房能耗佔空調系統能耗70％左右。冷卻水泵的能耗為空調機房總能耗的一部分。為了維持制冷機組冷凝器的換熱效率保持在高區間運行，避免出現冷卻水系統「小溫差，大流量」導致冷卻水泵能耗增加的現象，需要對冷卻水泵進行實時的動態控制。製冷主機通過熱交換使製冷劑冷卻的同時，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，冷卻水溫度升高，冷卻水泵將升溫了的冷卻水壓入冷卻塔，進行降溫處理後，再送回制冷機組進行熱交換。傳統的控制方法是以冷卻水的供水和回水溫差作為控制依據，溫差大，說明制冷機組產生的熱量大，應提高冷卻水泵的轉速，加大冷卻水的循環速度；溫差小，說明制冷機組產生的熱量小，可以降低冷卻水泵的轉速，減緩冷卻泵的循環速度，以節約電能。傳統控制方法在實際使用中是存在延時問題，在延時期間內供回水溫度差達不到最佳換熱效果，冷卻水泵的能耗也非最低。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種控制過程快速準確、無延時的中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法及中央空調。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法，包括以下步驟：
S1：檢測第K時刻壓縮機的做功功率P；
S2：檢測第K時刻冷凍水的狀態並計算冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch；
S3：根據所述壓縮機的做功功率P以及所述冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch控制冷卻水泵在第K+1時刻輸出的冷卻水流量Mcd。
優選地，步驟S2包括：
S21：檢測第K時刻冷凍水的供水溫度Tchsup、回水溫度Tchrtn以及冷凍水流量Mch；
S22：根據水的比熱容C以及熱量計算公式計算得到冷凍水在蒸發器處散發熱量Qch，即Qch＝CMchΔTch＝CMch(Tchrtn-Tchsup)。
優選地，在所述步驟S3中，通過能量守恆定律計算冷卻水流量Mcd；空調運行過程中的能量守恆包括：
第K+1時刻製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝第K時刻製冷劑在蒸發器處吸收的熱量+第K時刻壓縮機做功W，W＝Pt；
製冷劑在蒸發器處吸收的熱量＝冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch；
製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝冷卻水在冷凝器處吸收的熱量Qcd。
優選地，第K+1時刻冷卻水在冷凝器處吸收的熱量等於第K時刻冷凍水在蒸發器處散發的熱量與第K時刻壓縮機做功W之和，即Qcd＝Qch+W。
優選地，所述步驟S3包括：
S31：設定目標冷卻水供回水溫度差ΔTcd；
S32：根據Qcd＝Qch+W計算冷卻水流量Mcd，
S32：根據所述冷卻水流量Mcd控制冷卻水泵。
本發明還提供一種中央空調，包括製冷主機、冷凍水系統和冷卻水系統；
所述製冷主機包括：通過製冷劑管連接的冷凝器、蒸發器和壓縮機；
所述冷凍水系統連接在蒸發器兩端，包括：通過冷凍水管連接的冷凍水泵以及空調末端；
所述冷卻水系統連接在冷凝器兩端，包括：通過冷卻水管連接的冷卻水泵以及冷卻塔；
還包括：
用於檢測第K時刻的壓縮機做功功率並輸出功率值P的功率檢測裝置；
用於檢測第K時刻的冷凍水狀態並輸出檢測信息的冷凍水檢測裝置；
與所述功率檢測裝置、冷凍水檢測裝置以及所述冷卻水泵相連，根據所述功率值P與所述檢測信息控制所述冷卻水泵在第K+1時刻輸出冷卻水流量Mcd的控制器。
優選地，所述冷凍水檢測裝置包括：
設置在所述蒸發器冷凍水輸出端，用於檢測冷凍水供水溫度Tchsup的供水溫度傳感器；
設置在所述蒸發器冷凍水輸入端，用於檢測冷凍水回水溫度Tchrtn的回水溫度傳感器；
設置在所述冷凍水管上，用於檢測冷凍水流量Mch的流量傳感器。
優選地，所述控制器根據能量守恆定律控制所述冷卻水泵，空調運行過程中的能量守恆包括：
第K+1時刻製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝第K時刻製冷劑在蒸發器處吸收的熱量+第K時刻壓縮機做功W，W＝Pt；
製冷劑在蒸發器處吸收的熱量＝冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch；
製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝冷卻水在冷凝器處吸收的熱量Qcd。
優選地，第K+1時刻冷卻水在冷凝器處吸收的熱量等於第K時刻冷凍水在蒸發器處散發的熱量與第K時刻壓縮機做功W之和，即Qcd＝Qch+W。
優選地，所述控制器內預先設有目標冷卻水供回水溫度差ΔTcd；控制器依據Qcd＝Qch+W、熱量計算公式以及水的比熱容C計算冷卻水流量並根據所述冷卻水流量Mcd控制冷卻水泵。
實施本發明的中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法及中央空調，可對壓縮機做功數據、冷凍水系統的供回水溫度差、冷凍水流量進行採集和計算，根據能量守恆定律，在保障冷卻水供回水有著合理的溫差前提下，對冷卻水泵進行變頻控制，比起傳統控制方法更加快捷準確。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1是本發明中央空調的運行原理示意圖；
圖2是本發明中央空調控制原理示意圖；
圖3是本發明中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法的流程圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。
如圖1示出了本發明中央空調的一種實施例，包括製冷主機、冷凍水系統和冷卻水系統；製冷主機包括：通過製冷劑管連接的冷凝器、蒸發器和壓縮機；冷凍水系統連接在蒸發器兩端，包括：通過冷凍水管連接的冷凍水泵以及空調末端；冷卻水系統連接在冷凝器兩端，包括：通過冷卻水管連接的冷卻水泵以及冷卻塔。
還包括：用於檢測第K時刻的壓縮機做功功率並輸出功率值P的功率檢測裝置；用於檢測第K時刻的冷凍水狀態並輸出檢測信息的冷凍水檢測裝置；與功率檢測裝置、冷凍水檢測裝置以及冷卻水泵相連，根據功率值P與檢測信息控制冷卻水泵在第K+1時刻輸出冷卻水流量Mcd的控制器。
本發明中央空調運行過程中包括三個循環：製冷劑循環、冷卻水循環和冷凍水循環。液體製冷劑流向蒸發器，在蒸發器中氣化帶走熱量，將流經蒸發器的冷凍水降溫，降溫後的冷凍水經冷凍水泵輸送至各房間內的空調末端，與室內空氣進行熱交換。氣化的製冷劑經壓縮機壓縮後變成低壓液體流向冷凝器，在冷凝器內與冷卻水進行熱交換後進一步降溫；冷卻水吸收製冷劑散發的熱量升溫後，經冷卻水泵壓入冷卻塔降溫後，流向冷凝器再次進行熱交換。
可以理解的，第K時刻與第K+1時刻寬泛指代前一時刻與後一時刻，並非在K時刻的時間單位上增加1個時間單位或成倍增加。根據用戶需要可將第K時刻設為1S，根據製冷劑的流速和管道長度可將第K時刻與第K+1時刻之間的間隔設為1min。在第K時刻時，部分製冷劑流經蒸發器和壓縮機，在第K+1時刻時，該部分製冷劑從蒸發器和壓縮機流至冷凝器，與流經冷凝器的冷卻水進行熱交換。可以理解的，根據蒸發器、壓縮機和冷凝器之間距離和製冷劑的流速可以設置不同的間隔時間以及前一時刻與後一時刻的時間大小。
具體地，功率檢測裝置可以包括電流傳感器和電壓傳感器。可以理解的，對於部分電控的製冷主機，其內控程序實時採集有壓縮機的做功功率；此時可直接讀取製冷主機得到的做功功率，無需再增加額外的測量裝置。
冷凍水狀態檢測參數包括：供水溫度、回水溫度以及冷凍水流量；相應的冷凍水檢測裝置包括：設置在蒸發器冷凍水輸出端，用於檢測冷凍水供水溫度Tchsup的供水溫度傳感器；設置在蒸發器冷凍水輸入端，用於檢測冷凍水回水溫度Tchrtn的回水溫度傳感器；設置在冷凍水管上，用於檢測冷凍水流量Mch的流量傳感器。
控制器根據能量守恆定律控制冷卻水泵，空調運行過程中的能量守恆包括：
第K+1時刻製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝第K時刻製冷劑在蒸發器處吸收的熱量+第K時刻壓縮機做功W，W＝Pt；
製冷劑在蒸發器處吸收的熱量＝冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch；
製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝冷卻水在冷凝器處吸收的熱量Qcd。
從以上能量守恆等式可以得到第K+1時刻冷卻水在冷凝器處吸收的熱量等於第K時刻冷凍水在蒸發器處散發的熱量與第K時刻壓縮機做功W之和，即Qcd＝Qch+W。
可以理解的，當第K時刻的大小為1S時，壓縮機做功W＝P(單位：J)。此外，在中央空調的設計階段，為了維持制冷機組冷凝器的換熱效率保持在高區間運行，控制器內預先寫入有目標冷卻水供回水溫度差ΔTcd；例如，設計供回水溫度差為5℃。
基於上述壓縮機功率、冷凍水參數和冷卻水目標供回水溫度差，控制器依據Qcd＝Qch+W、熱量計算公式以及水的比熱容C計算冷卻水流量。具體計算過程如下：
Qch＝CMchΔTch＝CMch(Tchrtn-Tchsup)
W＝Pt
Qcd＝CΔTcdΔTcd
綜上可得，
控制器根據冷卻水流量Mcd控制冷卻水泵的轉速，使其冷卻水輸出量與計算量相等。控制器對冷卻水泵的控制快捷準確，無延時，原因在於：在前一時刻檢測了部分製冷劑的能量變化狀況，在後一時刻與前一時刻的間隔時間內，在保證能量守恆和高換熱效率的情況下計算得到最佳冷卻水流量，信號往返時間不超過2S，內置算法時間小於50ms，二者耗時遠遠小於設置的間隔時間。在後一時刻時，根據間隔時間內的計算結果對該部分製冷劑的熱交換進行控制。該過程可準確做到對同一部分製冷劑的熱交換控制，不存在延時問題。可以理解的，該控制器可以為PLC或DDC控制箱。
針對前述中央空調，本發明還提供一種中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法，包括以下步驟：
S1：檢測第K時刻壓縮機的做功功率P；
S2：檢測第K時刻冷凍水的狀態並計算冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch；
S3：根據壓縮機的做功功率P以及冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch控制冷卻水泵在第K+1時刻輸出的冷卻水流量Mcd。
中央空調運行過程中包括三個循環：製冷劑循環、冷卻水循環和冷凍水循環。液體製冷劑流向蒸發器，在蒸發器中氣化帶走熱量，將流經蒸發器的冷凍水降溫，降溫後的冷凍水經冷凍水泵輸送至各房間內的空調末端，與室內空氣進行熱交換。氣化的製冷劑經壓縮機壓縮後變成低壓液體流向冷凝器，在冷凝器內與冷卻水進行熱交換後進一步降溫；冷卻水吸收製冷劑散發的熱量升溫後，經冷卻水泵壓入冷卻塔降溫後，流向冷凝器再次進行熱交換。
可以理解的，第K時刻與第K+1時刻寬泛指代前一時刻與後一時刻，並非在K時刻的時間單位上增加1個時間單位或成倍增加。根據用戶需要可將第K時刻設為1S，根據製冷劑的流速和管道長度可將第K時刻與第K+1時刻之間的間隔設為1min。在第K時刻時，部分製冷劑流經蒸發器和壓縮機，在第K+1時刻時，該部分製冷劑從蒸發器和壓縮機流至冷凝器，與流經冷凝器的冷卻水進行熱交換。可以理解的，根據蒸發器、壓縮機和冷凝器之間距離和製冷劑的流速可以設置不同的間隔時間以及前一時刻與後一時刻的時間大小。
冷凍水狀態檢測參數包括：供水溫度、回水溫度以及冷凍水流量；相應的步驟S2包括：
S21：檢測第K時刻冷凍水的供水溫度Tchsup、回水溫度Tchrtn以及冷凍水流量Mch；
S22：根據水的比熱容C以及熱量計算公式計算得到冷凍水在蒸發器處散發熱量Qch，即Qch＝CMchΔTch＝CMch(Tchrtn-Tchsup)。
在步驟S3中，通過能量守恆定律計算冷卻水流量Mcd；空調運行過程中的能量守恆包括：
第K+1時刻製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝第K時刻製冷劑在蒸發器處吸收的熱量+第K時刻壓縮機做功W，W＝Pt；
製冷劑在蒸發器處吸收的熱量＝冷凍水在蒸發器處散發的熱量Qch；
製冷劑在冷凝器處散發的熱量＝冷卻水在冷凝器處吸收的熱量Qcd。
根據上述能量守恆等式可得，第K+1時刻冷卻水在冷凝器處吸收的熱量等於第K時刻冷凍水在蒸發器處散發的熱量與第K時刻壓縮機做功W之和，即Qcd＝Qch+W。可以理解的，當第K時刻的大小為1S時，壓縮機做功W＝P(單位：J)。
此外，在中央空調的設計階段，為了維持制冷機組冷凝器的換熱效率保持在高區間運行，應預先寫入有目標冷卻水供回水溫度差ΔTcd；例如，設計供回水溫度差為5℃。
進一步地，步驟S3包括：
S31：設定目標冷卻水供回水溫度差ΔTcd；
S32：根據Qcd＝Qch+W計算冷卻水流量Mcd，
S32：根據冷卻水流量Mcd控制冷卻水泵。
實施本發明的控制方法可實現對冷卻水泵的控制快捷準確，無延時，原因在於：在前一時刻檢測了部分製冷劑的能量變化狀況，在後一時刻與前一時刻的間隔時間內，在保證能量守恆和高換熱效率的情況下計算得到最佳冷卻水流量，信號往返時間不超過2S，內置算法時間小於50ms，二者耗時遠遠小於設置的間隔時間。在後一時刻時，根據間隔時間內的計算結果對該部分製冷劑的熱交換進行控制。該過程可準確做到對同一部分製冷劑的熱交換控制，不存在延時問題。用戶根據需要可對檢測時間進行相應設置，優選地，本發明的檢測為實時檢測，並根據實時檢測結果在線調控冷卻水泵；實時檢測結果的不同，冷卻水泵的相應轉速也不同，即該調控過程為變頻調控過程。可以理解的，用戶可根據需要設定相應的檢測時間間隔，如每隔2min檢測一次。
可以理解的在一些實施例中，在步驟S2中只進行冷凍水狀態檢測，對檢測得到的參數不做計算。在步驟S3中對所有數據進行匯總計算得到冷卻水流量。
綜上，實施本發明的中央空調冷卻水泵在線變頻控制方法及中央空調，可對壓縮機做功數據、冷凍水系統的供回水溫度差、冷凍水流量進行採集和計算，根據能量守恆定律，在保障冷卻水供回水有著合理的溫差前提下，對冷卻水泵進行變頻控制，比起傳統控制方法更加快捷準確。
可以理解的，以上實施例僅表達了本發明的優選實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制；應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，可以對上述技術特點進行自由組合，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍；因此，凡跟本發明權利要求範圍所做的等同變換與修飾，均應屬於本發明權利要求的涵蓋範圍。