冷热源系统控制调节

75%风量
50%风量
△t=2℃
G 水循环量
7
4.冷冻水循环系统的控制
末端供冷量-水流量特性 不同控制下的末端换热特性总结
工况 （典型应用）
水流量（各末 端的设计工况 流量为Gr）
供回水温差 （设计工况温 差为Δtr）
无调节水阀 （无调节阀的 AHU、FCU）
风量不变水阀连 续调节
（定风量空调箱）
负荷降低时，供回水温差从设计
值降低到下限，冷机工作在等流 Q
量变冷量线上
0.3Q
冷冻水流量可变时：
0.5G G
负荷降低时，流量降低，供冷量 降低，冷机工作在“设计温差-设 计流量-最小冷量-最小水量”组成 的梯形区域
冷机的经济运行区
冷冻水流量小于某一经济流量
△t=5℃ △t=3.8℃ △t=2.5℃
冷热源系统控制调节
第6章 冷热源与水系统的控制调节
主要内容
1. 冷热源系统的基本启停操作与保护 2. 制冷机的冷量调节和台数启停控制 3. 冷却塔与冷却水系统的控制 4. 冷冻水循环系统的控制 5. 蓄冷系统的优化控制 6. 循环水系统的优化控制 7. 小型热源的控制调节
3
4.冷冻水循环系统的控制
YY. Chang et al, Evolution strategy based optimal chiller loading for saving energy, Energy Conversion and Management 50 (2009) 132–139
Y. Chang, Application of Hopfield Neural Network to the optimal chilled water supply temperature calculation of air-conditioning systems for saving energy, International Journal of Thermal Sciences 48 (2009) 1649– 1657
✓ 一机对一泵
✓ 采用变速泵时：调节水泵转速，维持供回水温
差为设计值
扬程
✓ 满足最小流量要求
低冷负荷水泵台数调节时：
水泵工作点右偏，为了 提高水泵效率，采用二 级泵系统
一台泵
三台泵 两台泵
1流4 量
4.冷冻水循环系统的控制
冷冻水温度的确定
冷冻水侧影响冷机能耗的因素 冷冻水温度：温度越高，冷机能耗越低 冷冻水流量：流量越大，冷机能耗越低 冷负荷：负荷越小，冷机能耗越小，COP可能降低
18
4.冷冻水循环系统的控制
通过改变冷冻水温度改善末端的运行
对于无调节水阀、风量可变的末端系统
供回水温差过小，是循环水量过大造成的，与供水温 度无关，供水温度主要由除湿要求决定
对于完全没有控制的末端系统
供水温度由房间的热状况决定，可以由房间温度与设 定值的偏差，反馈决定供水温度设定值
tset + -
2G
3GG 循环水量
5
4.冷冻水循环系统的控制
末端供冷量-水流量特性 Q 冷量 3/4Q 表冷器的换热特性 100%风量
✓ 非线性：流量降为1/2，冷量仅 降低约1/4，供回水温差升为
Δt=0.75Qr/(0.5GrCp)=1.5Δtr
△t=7℃
△t=5℃
75%风量
50%风量
△t=2℃
不同控制下的末端换 热特性
二级泵 ✓ 定速泵：检测泵进出口压差，压差>正常范围，停 一台泵，压差<正常范围，开一台泵 ✓ 变速泵：根据供回水压差，同步调节各水泵转12速
4.冷冻水循环系统的控制
制冷侧与末端用冷侧的输配系统配置及控制
连续调节水阀的末端
旁通管逆向混水问题
分水器
集水器
成因：水力不平衡引起
二次泵
阻力大的末端开大阀门，
A 冷水机组
一级泵、二级泵间设旁 通管，当末端流量小于 冷机运行的最小流量时， 旁通多余水量
冷水机组 冷水机组
集水器 B
一次泵
11
4.冷冻水循环系统的控制
制冷侧与末端用冷侧的输配系统配置及控制 连续调节水阀的末端
一级泵控制： ✓ 一机对一泵 ✓ 变水泵转速维持供回水温差为设计值 ✓ 满足最小流量要求
冷水机组
当末端需要的水量较 小时，大部分流量流 经旁通阀，水输送系 数WTF低
冷水机组 冷水机组
10
4.冷冻水循环系统的控制
制冷侧与末端用冷侧的输配系统配置及控制
连续调节水阀的末端
为了提高WTF，可采用 二级泵系统，一级泵只 负责克服冷机阻力及集 水器到二级泵入口的管 道阻力
分水器 二次泵
COP 9℃ 7℃ 5℃
制冷量
15
4.冷冻水循环系统的控制
冷冻水温度的确定
冷冻水温度对末端换热的影响 冷冻水温度越低，需要的水流量越小
水流量越小，水泵能耗越小 冷冻水温度的确定需要求解优化问题获得 冷冻水温度还需要满足除湿要求
Q
E
5℃
7℃
9℃
G
总能耗
冷机能耗 水泵能耗 风机能耗
Tws16
△t=1.7℃
✓ 对于水阀通断调节的末端：
Q 冷量
负荷降低时，水阀开启的末端的
流量大于设计流量，供回水温差
< 设计温差（5℃）
100%风量
✓ 对于水阀、风机连续调节的末端：
风量降低、水量不变时，供回水 温差 < 设计温差（5℃），水量 降低时，供回水温差升高
100% 150% △t=7℃
200% G 相对流量 △t=5℃
冷负荷太小，使水量 小于下限时，需设旁 通管
旁通管阀门控制根据 分集水器压差控制
分水器
冷水机组 冷水机组 冷水机组
集水器
9
4.冷冻水循环系统的控制
制冷侧与末端用冷侧的输配系统配置及控制
连续调节水阀的末端
对一级泵系统，由于 负荷减少时水量减少 较快，需设旁通管
分水器
集水器
旁通管阀门控制根据 分集水器压差控制
PID
Tws,set + -
冷机控 制器
Tws
冷机
空调房间
tr
19
4.冷冻水循环系统控制的扩展阅读
Yung-Chung Chang, Application of genetic algorithm to the optimalchilled water supply temperature calculation of air-conditioning systems for saving energy, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH, 2007; 31:796–810
造成二级泵流量超过一 A
B
级泵，高温回水混入冷
冷水机组
机出水，造成供水温度
一次泵
升高，阻力大的末端继
冷水机组
续开大阀门，恶性循环
冷水机组
解决对策：
✓ 加止回阀 ✓ 调节一级泵流量 =二级泵流量 13
4.冷冻水循环系统的控制
制冷Baidu Nhomakorabea与末端用冷侧的输配系统配置及控制
无调节水阀的末端
采用一级泵系统时：
蓄冷方式
水蓄冷 完全混合型 温度成层型
[底部]
水深 [mm]
[上部]
5,094 7:00
4,528 6:00
3,962
3,396
2,830 2,264 1,698
1,132
566
00
5
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0:00 23:00 22:00 21:00 20:00
10 15 20
1/2G
G 水循环量
✓ 对于水阀连续调节的末端：风量、 风温不变，水量降低，供回水温 差 > 设计温差（5℃）
✓ 对于水阀无调节的末端：负荷降
低时，风温降低、水量不变，供
回水温差 < 设计温差（5℃）
6
4.冷冻水循环系统的控制
Q 冷量
末端供冷量-水流量特性
不同控制下的末端换 热特性
△t=5℃
△t=4℃ △t=3.3℃ △t=2.5℃
通断水阀 （FCU）
风量、水阀连续调节 （VAV空调箱）
= Gr
≤ Gr
≥ Gr
≤ Gr
≤ Δtr
≥ Δtr
风量降低时，≤ Δtr ≤ Δtr 风量降低、水阀关小时，
温差增大，可> Δtr
8
4.冷冻水循环系统的控制
制冷侧与末端用冷侧的输配系统配置及控制
通断水阀的末端
一级泵系统能较好匹 配末端与冷源
Austin, S.B. Chilled water system optimization, ASHRAE Journal 35(1993)-7:
50-56
20
5.蓄冷系统的优化控制
蓄冷的目的
减少装机容量
始端槽
中间槽
终端槽
实现电力的移峰填谷 降低运行费（并不降
低能耗） 制冷、用冷解耦
水温[℃]
[底部]
水深 [mm]
[上部]
5,094 7:00
4,528 8:00 9:00
3,962
10:00 3,396
11:00 2,830
12:00 2,264
13:00 1,698
14:00 1,132
15:00
566
16:00
0
0
5
17:00
18:00 19:00
10 15 20
水温[℃2]1
4.冷冻水循环系统的控制
冷冻水温度的确定
基于规则的冷冻水温度确定
主要考虑室内除湿要求来确定：室内设计状态， 25℃，60%，露点温度为16℃
室外空气干燥，露点低于14℃时，可通过新风除湿， 除湿对冷冻水温度没有要求，可取能使总能耗最小 的水温
当室外空气露点温度为14~17℃时，冷冻水温度取 7~9℃
X. Jin et al, Energy evaluation of optimal control strategies for central VWV chiller systems, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 934–941
Yongjun Sun et al, Chiller sequencing control with enhanced robustness for energy efficient operation, Applied Energy 86 (2009) 2249–2256
当室外空气露点温度高于17℃时，冷冻水温度取 5~7℃
17
4.冷冻水循环系统的控制
通过改变冷冻水温度改善末端的运行
对于有连续调节水阀的末端系统 二级泵水量大于一级泵水量，出现逆向混水、供回水 温差过小时，可通过降低供水温度，降低二级泵水量， 提高供回水温差
对于有通断水阀的末端系统 供回水温差小是由于部分阀门关闭、造成开启阀门的 流量过大，不能靠改变冷冻水温度解决，只能降低水 流量来解决
冷冻水系统的控制目标 冷机制冷量及其输配满足末端冷用户的需求 降低冷机、冷冻水泵、末端空调设备的能耗
冷冻水系统的控制目标的 实现 使供冷量与末端需冷量匹配 确定最优的冷机运行台数、冷冻水量、冷冻 水供水温度
4
4.冷冻水循环系统的控制
冷机制冷量-水流量特性
Q 制冷量
3Q
冷冻水流量不可变时： 2Q
Q. Li et al, Applying support vector machine to predict hourly cooling load in the building, Applied Energy 86 (2009) 2249–2256
元
昨日总冷量
网
上一时刻冷量
络
上两时刻冷量
待测时间冷量
注：如果上一时刻和上 两时刻冷量无实测值， 可用预测值代替
23
5.蓄冷系统控制的扩展阅读
Z. Zhang et al, Methodology for determining the optimal operating strategies for a chilled-water-storage system, HVAC&R Research, 17(5):737–770, 2011
5.蓄冷系统的优化控制
蓄冷方式
冰蓄冷 冰盘管式 冰球式 动态冰（dynamic ice） ➢ 过冷水制冰 ➢ 刨冰型
22
5.蓄冷系统的优化控制
蓄冷系统的运行调节
负荷预测：预测第二天的冷负荷，确定当晚的蓄冷量
神经网络的方法
基于历史数据方法
星期几
待测时间
神
当日最高外温
经
当日最低外温
G. P. Henze, Evaluation of Reinforcement Learning Control for Thermal Energy Storage Systems, HVAC&R Research, 9:3, 259-275
M. M. Khushairia, A Study on the Optimization of Control Strategy of a Thermal Energy Storage System for Building Air-Conditioning, Procedia Engineering 20 ( 2011 ) 118 – 124