[发明专利]一种水源热泵节能优化控制方法

摘要

本发明公开了一种水源热泵节能优化控制方法，通过PID局部控制模块采集水源热泵运行时实测的数据，利用水源热泵机组模型、负荷侧水泵模型和水源侧水泵模型对系统综合能耗进行计算，通过梯度优化算法，确定系统的最优运行策略，如热泵机组开启数量、水泵变速运行参数等，并可根据确定的节能优化运行策略(可控运行参数的最优组合)，通过DDC控制器对水源热泵系统的运行参数进行调整，达到系统总运行能耗最小的目的。

主权项

一种水源热泵节能优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利用PID局部控制模块中的DDC控制器采集水源热泵系统运行时的无法控制变量和可控变量，包括：e：负荷侧二次水环路阻力DPLP：负荷侧二次环路压差VLP，ChW：负荷侧二次环路水体积流量ηSPMP：负荷侧二次泵综合效率HPPMP：负荷侧一次泵扬程ηPPMP：负荷侧一次泵综合效率TCHLR，ChW，S：负荷侧供水温度TCHLR，CW，S：负荷侧回水温度VCHLR，CW，per每台主机水源水流量VCHLR，ChW，per每台主机负荷侧水流量NCHLR：运行主机台数c0，c1，c2，c3：水源热泵主机模型回归参数TWB：空气湿球温度TDB：空气干球温度TRiver：水源侧水温HCWPMP：水源侧水泵扬程ηCWPMP：水源侧水泵综合效率(2)将上述实时采集的变量储存在数据库中；(3)基于模型的优化控制策略模块建立了水源热泵机组模型、负荷侧水泵模型和水源侧水泵模型，利用上述模型对水源热泵系统综合能耗进行计算，其总能耗采用下面公式：PSysrem＝PSourcePump+PHeatPump+PLoadPump式中：PSystem：系统总能耗PSourcePump：水源侧水泵总能耗PHeatPump：水源热泵机组总能耗PLoadpump：负荷侧水泵总能耗a)、水源热泵机组模型：该模型所需要的独立变量主要包括：负荷侧供水温度、负荷侧回水温度、主机出力、每台主机水源水流量、每台主机负荷侧水流量、运行主机台数、水源热泵主机模型回归参数；该模型的一般形式如下：y＝c0+c1x1+c2x2+c3x3 x 1 = T cho Q ChW , x 2 = T cdi - T cho Q ChW T cdi , x 3 = ( 1 COP + 1 ) Q ChW T cdi y = ( 1 COP + 1 ) T cho T cdi - 1 - 1 ( V CW , per ρ w c pw ) ( 1 COP + 1 ) Q ChW T cdi Tcho＝(TCHLR，ChW，S)+273.15Tcdi＝(TCHLR，CW，S)+273.15 COP = Q ChW P CHLR , 式中ρw是水密度(kg/m3)，cpw是水比热(kJ/kg·K)；主机的能耗PCHLR(kWe)可以用下式预测： P CHLR = [ ( c 0 + c 1 x 1 + c 2 x 2 + 1 ) T cdi ( - c 3 Q ChW + T cho - Q ChW ( V CW ρ w c pw ) ) - 1 ] Q ChW 如果主机电机最大功率已知PMtr，max(kWe)，则在给定条件下，主机最大的制冷能力QCHLR，Cap(Kw)是 Q CHLR , Cap = - b + b 2 - 4 ac 2 a a = c 3 + 1 ( V CW ρ w c pw ) b = T cdi - T cho + ( c 3 + 1 ( V CW ρ w c pw ) ) P Mtr , max + c 0 T cdi c＝c1TchoTcdi+c2(Tcdi‑Tcho)‑TchoPMtr，max所以主机综合能效为(kW/ton)是： ξ CHLR = P CHLR Q ChW 3,412 12,000 = 3.517 ( ( c 0 + c 1 x 1 + c 2 x 2 + 1 ) T cdi ( - c 3 Q ChW + T cho - Q ChW ( V CW ρ w c pw ) ) - 1 ) 计算部分负荷下，系统的最优效率，可以对上式求QChW求一阶导数，则在部分负荷情况下，最优的制冷效率，可用下式求解 ∂ ( P Q ch ) ∂ Q ch = 0 Q CHLR , Opt = 3,412 12,000 - b + b 2 - 4 ac 2 a a＝c0+1， b = 2 ( c 1 T cho + c 2 T cdi - T cho T cdi ) , c = - T cho c 1 T cho + c 2 ( T cdi - T cho T cdi ) c 3 + 1 ( V CW ρ w c pw ) 其中，冷冻水流量VCW应处于系统最大、最小流量之间；其中运行主机台数NCHLR根据总的主机出力与单机主机最大的制冷能力QCHLR，Cap的比值，取整得到；b)、负荷侧水泵模型：水泵的一般能耗计算如下式 P pump = V × H × SG η all 式中V是水流量，H是水泵扬程，ηall＝ηpumpηmotorηVSD在不同转速下的效率由水泵的效率曲线计算，电机的效率通过时间负载与铭牌负载的比值计算，当电机的负载功率大于25马力小于铭牌功率时，其采用公式：ηmotor＝0.94187×(1‑e‑0.0904x)根据实际转速的百分比利用下式计算其动态效率ηVSD＝50.87+1.283x‑0.0142x2+5.834×10‑5x3水泵输送的总能量为： Q ChW = V ChW Δ T ChW 24 式中QChW是系统的制冷或制热量，单位为kW，VChW是系统空调水流量，单位是m3/h，ΔTChW是空调水供回水温差，单位为F，水泵的综合效率由下式计算： ξ pump = P pump Q ChW = N pump × V × H η all × 24 V ChW Δ T ChW 式中Npump为水泵运行台数对于一次泵，Npump×V＝VChW.由于一级水泵的流量为定流量，所以一级水泵的扬程是固定值，如果一次泵的效率为ηPPMP，则一次泵的等效效率(Kw/ton)由下式计算： ξ PPMP = 0.004521 H PPMP η PPMP Δ T ChW 对于二次泵的流量为，Npump×V＝VLp，ChW，由于二次泵是变频泵，其值与主机内的流量不同，水泵的扬程用下式来估算：HSPMP＝DPLp+eG2Lp_ChW式中DPLp为二次环路压差，e为二次水环路阻力，GLp_ChW为流体的质量流量，其值等于流体的体积流量VLp_ChW与流体密度的乘积，则二次泵的能耗可用下式计算： P SPMP = G Lp _ ChW × ( DP Lp + e V Lp _ ChW 2 ) η SPMP 式中ηSPMP是负荷侧水泵的综合效率；根据此计算模型，结合负荷侧水泵台数计算负荷侧的总能耗；c)、水源侧水泵模型在实际工程中可以忽略水泵温升因素，对于水源侧水泵建立下述热平衡方程： V load Δ T load 24 = ( 1 + ξ CHLR 3600 ) Q Load = ( 1 + ξ CHLR 3500 ) V source Δ T source 24 水源侧水泵的有效传输效率用下式计算： ξ CWPMP = H CWPMP η CWPMP V CW , per Q ChW , per 式中HCWPMP为水源侧水泵的扬程，ηCWPMP为水源侧水泵综合效率，除水泵综合效率外，其计算方法与负荷侧水泵类似，VCW，per是水源水流量，QChW，per为主机负荷；根据此计算模型，结合水源侧水泵台数计算水源侧的总能耗；(4)、将已采集、存放于数据库中的无法控制变量和可控变量输入到基于模型的优化控制策略模块的数学模型中，通过梯度优化算法，得出系统的最小运行总能耗，即目标函数，从而得到水源热泵系统运行控制中可控变量最优值，得到优化运行策略的各控制参数；(5)、利用实测数据，通过远程数据分析与模型修正模块对模型进行校验和修正，若计算精度不满足要求，在对模型参数修正后，重新重复步骤(1)～步骤(4)进行优化；(6)将步骤(4)得到并经步骤(5)检验或修正后的各控制参数最优组合，通过DDC控制器对系统运行参数进行调整，从而实现节能运行。