用于优化调节多个风扇排列的系统和方法与流程

1.本发明涉及一种用于优化调节多个风扇的布置(风扇阵列)的系统和方法。


背景技术：

2.风扇定期安装在建筑物，设备和洁净室实验室中。
3.在现有技术中，迄今为止仅存在不足的系统和调节方法来调节这种风扇排列，并且针对特定通风任务以最佳整体效率操作它们。
4.这特别涉及不同类型风扇的联合操作，即对通风任务有影响的不同参数、类型和/或其他风扇属性。
5.ep 1604116 b1公开了一种空气处理系统中的具有至少三个风扇单元的风扇排列，所述至少三个风扇单元被布置在风扇排列中，并且设置了一种控制系统，所述控制系统通过战略性地打开和关闭选定的风扇单元能够实现基本上最高的效率。但是，所述申请仅描述了要达到的结果，并未描述可以实现这种最佳效率的技术手段。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是克服现有技术中已知的缺点，以及提供一种优化和改进的用于控制风扇排列的系统和方法。
7.所述目的通过根据权利要求1的特征组合来实现。
8.为此根据本发明提出一种具有由k
max
风扇组成的风扇排列的空气处理系统，所述风扇可以以其各自的转速ni调节，并且具有控制和调节系统，所述控制和调系统设计成调节来自所述k
max
风扇中的k个风扇的转速ni，i∈[1,2,3,4,5,...,k]，其中根据各自的设定转速ni，可以通过所述空气处理系统的特定总功率p
ges
设置所述空气处理系统的特定操作点，所述控制和调节系统还具有用于确定所述k个风扇的转速ni的转速组合的装置，在所述转速组合中所述空气处理系统的总功率p
ges
相对于转速ni的其他转速组合减小或最小化。
[0009]
在一个有利的变体中，k
max
个风扇并联接通。
[0010]
根据本发明进一步规定，k个风扇是具有不同功率、类型和/或尺寸的风扇，它们以特定的网格排列方式互相排列成行和/或列和/或矩阵。在示例性的行/列排列中，在本发明的范围内也使用术语“风扇阵列”。然而，风扇的确切排列是无关紧要的，特别是因为可以将不同形状和尺寸的风扇组合成一种排列。
[0011]
此外，有利地规定，用于调节k
max
个风扇的性能优化转速ni的方法包括特征曲线组，所述特征曲线组具有所述空气处理系统的操作点，并且还包括选择装置，所述选择装置为所述特征曲线组中的操作点选择相应转速ni，以在相关操作点执行操作。
[0012]
空气处理系统的操作点优选由待由k个风扇实现的升压δp和总体积流量q
ges
限定。
[0013]
为了优化系统，需要来自k
max
风扇中的k个单独风扇n1,n2,...,nk的适当转速，为此风扇排列或阵列的总功率在给定的操作点是最小的。在本发明的范围内，“最小”是具有相
对局部最小值的总功率的范围。
[0014]
如果根据本发明，风扇并联接通，则总体积流量由k个风扇的单个体积流量的总和得出，并且总功率由单个功率的总和得出，如下：
[0015][0016]
以及
[0017]
其中
[0018]
因此，根据本发明的问题的子任务之一是具有限定总体积流量的次要条件的优化问题(优化条件＝风扇排列的总功率的最小化)。
[0019]
本说明中使用的参数定义如下：
[0020]kmax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇总数
[0021]kꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
启动的风扇数
[0022]
ψiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇i的压力系数，其中i＝1,...,k
[0023]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇i的流量系数，其中i＝1,...,k
[0024]
η
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
效率
[0025]
δpmin
ꢀꢀꢀꢀ
最小升压
[0026]
δpmax
ꢀꢀꢀꢀ
最大升压
[0027]
qmin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
最小体积流量
[0028]
qmax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
最大体积流量
[0029]
dp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
预设压力变化
[0030]
dq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
预设体积流量变化
[0031]
niꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇i的转速，其中i＝1,..,k
[0032]
ni,max
ꢀꢀꢀꢀ
风扇最高转速i
[0033]
piꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇i的风扇功率
[0034]
p
opt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
最佳风扇功率
[0035]
p
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
最大风扇功率
[0036]di
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇i的直径
[0037]
各个风扇的无量纲功率p*由下式给出：
[0038][0039]
其中以下关系式适用于风扇i的功率：
[0040][0041]
计算功率和体积流量使其转变为转速的纯函数。为此需要所用风扇的无量纲压力和效率特性。相应的无量纲压力特性用二阶多项式近似。此处优选地使用二次方法逼近，因为所考虑区域中的逼近函数是严格单调的：
[0042]
[0043]
通过压力系数的这种数学描述，流量系数可以根据多项式逼近、直径、密度、转速和升压的常数系数表示。
[0044]
因此，在预设的操作点处转速是唯一可以受调节影响的变量。
[0045][0046]
然后根据转速得出流量系数的偏导数的以下等式：
[0047][0048]
如果现在考虑系统的效率，还可以通过四阶多项式方程来近似，即如下：
[0049][0050]
a、b、c和d代表所述多项式方程相应阶数中的系数。因此，这取决于流量系数而具有最大值。然后根据转速得出效率的偏导数的以下微分方程：
[0051][0052]
目的是优化性能。借助根据速度的流量系数的偏导数和效率的偏导数，可以确定无量纲功率p*的偏导数，优选系数b＝0的值。
[0053][0054]
因此，功率p的偏导数和体积流量q的偏导数可以如下确定：
[0055][0056]
[0057]
上面导出的关系式现在进一步使用如下。优化问题的解导出具有k+1个未知数(具有k个速度和拉格朗日乘数λ)的方程组。
[0058][0059][0060][0061][0062]
如上面已经进一步解释的，方程组(风扇的转速ni)的解使风扇排列在预定操作点δp和q
ges
处所需的功率最小化。
[0063]
通过改变预设操作点并重新求解方程组，对于具有δpmin≤δp≤δp
max
且q
min
≤q≤q
max
的风扇特征曲线组中的每个操作点，可以获得k个风扇的最佳转速组合和k种不同的风扇类型的最佳组合。在纯实践中，这种变化可以通过考虑每个风扇的转速而改变转速ni来实现。最后，上文解释的偏导数代表了示出所考虑的根据转速的函数变量变化的那些曲线。
[0064]
根据本发明规定，在系统中存储分配矩阵，所述分配矩阵将特征曲线组中的操作点与为此确定的优化转速ni优选地通过双射的无歧义映射函数相关联。
[0065]
如上所述，本发明规定，由均具有转速ni作为变量参数的功率pi和/或体积流量qi及其偏导数的微分方程的解来确定用于确定操作点的转速。
[0066]
本发明的另一方面涉及一种用于设置根据前述权利要求中任一项所述的空气处理系统的操作点的方法，其具有以下步骤：
[0067]
a.从k
max
风扇中确定风扇数k；
[0068]
b.求解以下微分方程以确定转速ni：
[0069][0070][0071][0072]
考虑所需的最小总功率，其中
[0073][0074]
其中qi表示k个风扇中的风扇i对总体积流量q
ges
的体积流量贡献。
[0075]
所述方法还特别可以通过以下步骤进行：
[0076]
c.选择操作点；
[0077]
d.从特征曲线组中选择风扇的转速ni；
[0078]
e.调节k个风扇的转速ni。
附图说明
[0079]
本发明的其它有利改进方案在从属权利要求中表征或在下面连同本发明优选实施例的描述一起参照附图更详细地示出。在附图中示出：
[0080]
图1 k
max
＝4的风扇排列的示意图，因此由4个风扇组成，
[0081]
图2风扇排列的尺寸相关的示例性特征曲线组，例如k＝4个相同的风扇，以及
[0082]
图3a、图3b在图3a和图3b之间划分的用于操作风扇排列的流程图。
具体实施方式
[0083]
下面参照图1至图3更详细地解释本发明。图1显示具有k
max
＝4个并联风扇v的风扇排列。这代表了风扇阵列fa，每个风扇阵列由2种不同功率和尺寸的不同风扇类型v1、v2组成。
[0084]
进一步有利的是，如果替代地已知最佳转速，则确定来自k个风扇的那些风扇的数量和/或组合，以便在优化的操作点执行操作。例如根据图1，如果在两种情况下均已知最佳转速，则可以打开两个大风扇v1而小风扇v2保持关闭，或者所述方法可以确定更有利的解决方案以同时启动两个小风扇v2和风扇v1其中的一个，而第二个较大的风扇v1保持关闭。图2示出了关于风扇排列尺寸的示例性特征曲线组。在所述示例性特征曲线组中示出了每个操作点的启动的风扇的最佳数量。因此，在程序流程(根据图3)之后，在每个操作点都可利用具有这些风扇的相应最佳转速的最佳风扇配置。
[0085]
图3a和图3b相关联地进行考虑并且示出了解释本发明的控制和调节概念的流程图。
[0086]
本发明的实施不限于上述的优选实施例。相反，即使在根本不同设计的情况下，也可以想到使用所示解决方案的多种变体。