[發明專利]制冷熱泵系統最小能耗優化控制裝置及控制方法

在審

• 申請號: 201710148833.6
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN106766450A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 由玉文;王勁松;程保華;郭春梅;王宇;翟文鵬
• 申請（專利權）人: 天津城建大學
• 主分類號: F25B49/02
• 分類號: F25B49/02;G05B13/04
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司12108
• 代理人: 呂志英

技術領域

本發明為一種制冷熱泵系統最小能耗優化控制裝置及控制方法，屬于空調系統優化控制領域。

背景技術

隨著生活水平的不斷改善，人們對室內舒適性的要求不斷提高，導致空調能耗快速增長。據資料顯示，建筑能耗所占社會商品總能耗的比例已從1978年的10％上升到25％左右，且將持續增加，并最終達到35％左右。而公共建筑夏季用電負荷中大約60％‐70％是消耗于中央空調系統，其中50％‐60％用于制冷機組制冷，20％‐30％用于冷凍水泵與冷卻水泵的輸配，可見降低空調制冷設備能耗，對建筑節能是非常有必要的。

目前，大量的計算機仿真技術應用于制冷系統的性能模擬、產品的優化設計及控制策略分析，而數學模型的建立是模擬仿真的核心。傳統的制冷系統部件數學模型得建立是基于穩態的，未考慮系統工作狀態對單個部件的影響，未考慮系統在整個循環過程中的能量動態平衡問題。

目前常用制冷方法有三種，即蒸氣壓縮式、蒸汽噴射式和吸收式制冷，上述制冷方式均直接消耗電能或熱能。通過理論制冷循環及實際能耗分析得出壓縮式制冷方式具有較高的單位能耗制冷量，但存在部分負荷能效較低的問題。經典的制冷系統單回路控制結構，如圖1所示。傳統制冷系統控制中，壓縮機、冷凍水系統、冷卻水系統及電子膨脹閥四個回路的工作點設定值由操作人員根據經驗給定，之后不再隨工況變動而改變，這種控制方式不能在變工況下自動改變系統的輸入，不能動態匹配系統變動和負荷需求，不能實現有效的節約能耗。圖1中制冷負荷控制器2控制壓縮機3，冷凝壓力控制器4控制冷卻水泵和冷凝器6，過熱度控制器12控制電子膨脹閥7和蒸發器9，冷凍水泵控制器13控制冷凍水泵，制冷負荷測量10確定負荷需求，末端負荷11測定末端負荷，冷卻塔5采用定頻控制，傳統的制冷熱泵監控系統控制策略是未加優化的單回路控制，回路控制工作點設定值由操作人員根據經驗設定，未加優化，工作點設定值不能跟隨制冷工況的變化，不能實現最小能耗控制，節能效果差。

發明內容

本發明的目的是提供一種制冷熱泵系統最小能耗優化控制裝置及控制方法，以解決變工況下制冷熱泵系統能源消耗問題。

為實現上述目的，本發明提供一種制冷熱泵系統最小能耗優化控制裝置，該裝置與制冷熱泵系統相連接，其中：該裝置包括壓縮機變頻器、冷卻水泵變頻器、冷凍水泵變頻器、設定點最優控制器，所述壓縮機變頻器輸出端連接制冷熱泵系統的壓縮機、冷卻水泵變頻器輸出端連接制冷熱泵系統的冷卻水泵、冷凍水泵變頻器輸出端連接制冷熱泵系統的冷凍水泵；所述設定點最優控制器包括硬件模塊KMD5831樓宇控制器和控制軟件WinControl，設定點最優控制器接收制冷熱泵系統工作狀態信號，經WinControl編程計算得到控制信號，控制信號輸出到所述壓縮機變頻器，形成制冷熱泵系統最小能耗優化控制裝置。。

同時還提供一種利用制冷熱泵系統最小能耗優化控制裝置的控制方法。

本發明的效果是：

第一，根據開發的制冷系統總能耗模型建立的設定點控制器，統籌考慮了系統的壓縮機頻率、冷凍水泵頻率、冷卻水泵頻率、電子膨脹閥開度四個輸入變量與系統的內部狀態變量蒸發壓力、冷凝壓力和過熱度的聯系，比較全面的研究了制冷系統節能優化中存在的部分死角問題。

第二，采用分層控制結構設計了最小能耗優化控制方案，此方法很好的適應了制冷系統在變工況下運行的節能要求，相比常規控制，具有跟蹤性能良好、動態控制精度在±5％之內。

第三，使用結合外罰函數的模式搜索算法對優化目標進行了求解，有效的解決了非線性能耗目標函數的導數計算問題。

第四，在制冷系統變工況時，采用模型參數自適應的方法，在線優化各控制回路設定值，實際控制結果表明該方法使制冷熱泵系統很好的跟隨工況的變化而進行調節，相對傳統單回路控制，100％負荷需求時節能效果達18％以上。

附圖說明

圖1傳統制冷系統單回路控制結構圖；

圖2本發明制冷系統優化控制整體方案圖；

圖3本發明制冷系統分層優化控制示意圖；

圖4本發明制冷系統模型參數自適應結構圖；

圖5本發明制冷熱泵系統最小能耗控制流程圖；

圖6結合外罰函數的模式搜索法的流程圖；

圖7本發明制冷系統設定點優化控制結構圖。

圖中：