一种中央空调冷量的分户计量系统的制作方法

专利名称：一种中央空调冷量的分户计量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量热量的技术领域，具体涉及中央空调冷量的分户计量系统。
背景技术：
我国是建筑中央空调使用大户，建筑能耗约占全国总能耗的18% 25%，在华南地区这 一比例已高达30%，根据发达国家经验，随着城市发展，建筑能源消耗将超越工业、交通等 其它行业而最终居于社会能源消耗的首位。中央空调的能耗是建筑终端能耗的主要部分，而 且使用中央空调系统的建筑数量多，能耗大，有效降低建筑暖通空调系统的能耗，对节约能 源，提高能源利用率，实施绿色建筑战略具有重要意义。
在满足舒适度要求的前提下，理性使用和控制中央空调是降低中央空调能耗最有效的措 施，例如合理设置室内温度、通过分户计费方式以经济杠杆促使消费者建立节能意识、末端 设备各节能运行控制等都是降低中央空调能耗的有效方式，但这些方式需要有科学合理的运 行管理与技术手段支持，如果完全靠中央空调用户自觉实施，难以达到较好的效果。目前， 我国大多数公共建筑、办公建筑等的中央空调系统主要依靠用户直接控制、管理人员手动控 制的方式管理，运行费用由单位承担，普遍存在不合理的中央空调能源浪费现象。因此，为 中央空调系统提供有效的运行管理与技术手段是建筑节能领域发展趋势，具有巨大的经济、 社会和环保效益。
在实现中央空调冷量的分户计费时，采用冷量积算仪表的方法虽然具有直接、准确的优 点，但该方法不仅投资大，而且还存在安装维护困难的不足，在实际应用中通常不采用这种 方式；特别是对于空调系统中使用较多的风机盘管，由于设备数量较多，普遍采用其他方式 计算其冷量。在现有技术中，风机盘管的冷耗计算主要有两大类， 一类是时间型计费方式， 认为风机盘管的冷耗己知，根据风机盘管供水阀门的开启时间和风机盘管的高、中、低三档 风速的使用时间来进行的计费，实现简单，但误差较大另一类是根据风机盘管的功耗与分 量成正比例关系建立一拟合方程，再算得流经风机盘管的风量与盘管风机进口和出口焓差的 乘积，即得风机盘管的冷耗，如公开号为CN 1664524A发明专利申请所公开的技术方案。这 种方法存在下述不足1、要通过实验来建立风量与风机盘管功率的拟合方程，而所得到得拟 合方程又无法适用于不同型号甚至同一型号不同厂家的风机盘管，这对于一般的设计者来说 是十分困难的；2、必须要给每一用户配备功率积算装置来采集风机盘管功耗的数据才能进行 冷量分户计费，这对于具有末端设备的调速控制的集中控制、管理的中央空调系统来说显然 是多余的，因为任何风机盘管上都清楚地标明了额定转速和风量，而额定风量与额定转速又是成正比的。
目前，中央空调管理与控制虽然一般已纳入BAS (Building Automation System)，但
是通常只对新风机组、空调机等主要设备进行集中管理与控制，对风机盘管等末端设备仍然 采用独立控制方式，无法实现分户计费，因此目前的中央空调管理与控制系统通常不包含冷 量计费功能，需要另外设置一套独立的冷量计费系统(包括软件和硬件)，既增加了系统的 复杂性，也不利于集中管理。授权公告号为CN 1063263C公开了一种"公共式中央空调分户 计费控制方法和装置"，其中，所述的方法虽然巧妙地将用户的空调风扇(相当于盘管风机) 采用两路供电，即当电动水阀开启时由用于计费的电力转换器(功率积算装置)供电，当电 动水阀关闭时由非计费的控制器供电，从而获得了相对准确的换热器(相当于风机盘管)能 耗数据，但仍然是采用上述盘管风机功耗的方法，除存在上述两点不足外，还存在两路供电 的布线麻烦。

发明内容
鉴于所存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种中央空调冷量的分户计量系统。
一种中央空调冷量的分户计量系统，该系统包括提供管理与控制平台的计算机主机、中 央空调末端控制器和中央空调机组的数字式冷量计，其中所述的计算机主机与数字式冷量计 和每一中央空调末端控制器通过LonWorks接口连接构成控制网络，其特征是所述系统的分 户冷量计量方法主要由以下步骤组成
(1) 由计算机主机的输入终端设定系统每一末端设备的出口空气温度和每一用户室内的 C02浓度并下传至每一中央空调末端控制器；
(2) 中央空调末端控制器中的多路分时采样处理单元采集空调系统的用户室内C02浓度 以及末端设备的入口和出口处空气的温度和湿度，然后进行如下运算
a.按以下公式I和II算出空调系统末端设备入口处空气的焓值和出口处空气的焓值
/ , =1.0^ +0.001x622^^1(2500 + 1.84/,) I
/ 2 =1.0,2 + 0.001x622 ^^(2500 +1.8勾 II
公式I和II中，/^当地大气压；^ 、 t!分别为末端设备入口处空气的相对湿度和温度；
%、 /2分别为末端设备出口处空气的相对湿度和温度，PqW和Pqb2分别为末端设备入口和出口
6处空气的饱和水蒸气分压力，可分别由公式(3)和(4)计算 1n(尸—)=* + C9 + C" + C' A2 + C12;3 + C,3 In f
in(;) = , + c9 + c,。r2 + c, ,r22 + c,2r23+c,3 in r2
in
IV
公式III和IV中的n-A + 273， r2 = f2 + 273， C8 = -5800.2206， C9=1.3914993, C10 = -0.04860239， Cu = 0.41764768X l(T4， C 12 =-0.14452093 X l(T7， C13 = 6.5459673 (这些常数所 表示的物理含义见《实用供热空调设计手册》第二板，P135 P138，陆耀庆主编，中国建筑 工业出版社，2008年5月)；
其中，所述的末端设备是由表面换热器与风机等设备组成的风机盘管、新风机组或组合 式空气处理机组；
b.由中央空调末端控制器按以下公式计算每一末端设备的空气质量流量附
附=p x ATV x
3600
V
公式V中，p为空气密度，取1.2kg/m3，尺r为风机的调速比，」~为末端设备的风机的 额定风量；
(3) 中央空调末端控制器按步骤(2)所得到的焓值/^和、以及空气质量流量w按并按以 下公式进行单位时间冷量消耗的计算
g:附X(/z, -/22) VI
公式VI中，g为中央空调末端设备单位时间的冷量;
(4) 中央空调末端控制器按以下公式计算每一末端设备在积算时间内的冷量消耗量并逐 一发送至计算机主机
公式VD中f^,为末端设备在积算时间内的冷量消耗量，Ar为积算时间；
(5) 计算机主机从所述数字式冷量计中读入的中央空调机组在计费时间内的制冷量，用 以下公式计算每一末端设备在计费时间内的计费冷量并存储
(1 + ~~-)K
厶7'
2X"公式V1D中，W为末端设备的计费冷量w为计费时间内中央空调末端控制器向计算机主
机发送的末端设备在积算时间(AD内冷量消耗量数据的次数；t『A,,为中央空调系统中
所有末端设备的冷量消耗量之和，其中X为所有末端设备的数量；环^为中央空调机组在计费
时间内的制冷量；其中，
当所述的末端设备为风机盘管时，『'记为『；；当所述的末端设备为新风机组时，『记
为『V;当所述的末端设备为组合式空气处理机组时，『记为『'^。
本发明系统的上述步骤(2)公式V中所述的风机的调速比i^的计算为公知技术，它是
根据用户系统类型和和要求来进行计算的，本发明推荐的计算方法是
当用户为新风+盘管系统用户，即使用一台新风机组和多台风机盘管组成的新风+盘管系 统用户时，每一个用户所使用的风机盘管的风机的调速比i^.是由与风机盘管连接的中央空
调末端控制器先计算风机盘管出口处空气温度与系统设定的出口温度之差，再采用PI调节算 法算得；为所有用户提供新风的新风机组的风机的调速比/^,是先由与风机盘管连接的中央
空调末端控制器采集每一用户室内C02浓度，再通过控制网络传送到和新风机组连接的中央 空调末端控制器中求得所有用户室内C02浓度的加权平均值，然后将所求得的加权平均值与 系统设定的用户室内C02浓度进行减法运算，得到二者的差值后采用PI调节算法算得；在不
需要调节新风机组的送风机转速时，取新风机组的送风机的调速比^^.=1，并可省去用户室内
C02浓度传感器。
当用户为全空气系统用户，即每一用户一台组合式空气处理机组时，每一个用户所使用 的组合式空气处理机组的风机可不进行调速，即取i^-l，用户室内的温度和C02浓度通过
调节新风阀与回风阀开度的比例进行适当地调节，以避免计算过于复杂。
本发明所述系统所述的中央空调末端设备控制器为国知局2008年10月22日授权的实用
新型专利(公告号为CN201138437)产品。
由于空气通过末端设备中的表面换热器后通常接近机器露点，因此本发明所述的系统在
计算末端设备空气出口处空气的焓值&的公式中取化=95%，以便于简化系统，省去末端设
备出口处的空气湿度传感器。又因为在空调系统的设计中，用户室内空气的相对湿度的设计 参数通常为60%,因此当所述的末端设备为风机盘管时，空气焓值^的计算公式中取
8仍=60%，以进一步简化系统，省去风机盘管空气入口处的湿度传感器。
本发明所述的系统适用于各种中央空调用户，这些用户可以是使用一台新风机组和多台 风机盘管组成的新风+盘管系统用户，也可以是由一台或多台组合式空气处理机组组成的全 空气系统的用户。当所述用户采用全空气系统时，用户的计费冷量为每一台组合式空气处理 机组计费冷量。当所述用户采用新风+盘管系统时，计算用户的计费冷量时，应将新风机组 计费冷量分摊到每个用户，具体计算方法为计算机主机从存储器中调出按本发明方法所述 步骤(5)算得的新风+盘管系统中新风机组的计费冷量W^和每一台风机盘管的计费冷量
『TO ，然后按以下公式计算分摊新风机组冷量后一个用户的计费冷量 广
<formula>formula see original document page 9</formula>
公式ix中，『"为分摊新风机组冷量消耗后一个用户的计费冷量，2『；，,为所有风机
7=1
盘管的计费冷量之和，z为风机盘管的数量(亦即新风+盘管系统中用户的数量)。
根据需要，在给定冷量的市价的条件下，本发明系统还可进一步简单地计算出系统中各 用户的实际费用。
本发明系统利用中央空调末端设备的风机已标明的额定风量和额定转速以及风机的风量 与叶轮转速成正比的关系，方便地计算出系统中每个用户的冷耗，巧妙地克服了现有技术需 要建立风量与风机盘管功率的拟合方程和增设功率积算装置的不足，既简化了系统，也提高 了实用性，具有广泛推广应用的价值。


图1为本发明系统的一个具体实施例的总体拓朴结构框图； 图2为中央空调末端控制器的结构框图3为末端设备是风机盘管的一个具体实施例的冷量计量原理图； 图4为末端设备是新风机组的一个具体实施例的冷量计量原理图； 图5为本发明系统的冷量分户计量程序的主流程图。
具体实施例方式
参见图l,本系统为一种现场总线式中央空调运行管理与控制系统，该系统由计算机主机、 中央空调末端控制器(如图2所示)、中央空调机组的数字式冷量计和系统管理、控制软件等组成，其中所述的计算机主机与中央空调机组的数字式冷量计和每一中央空调末端控制器 均通过LonWorks接口与计算机主机连接。本例中，所述的中央空调末端控制器如图2所示； 风机盘管的冷量计量原理如图3所示，新风机组或组合式空气处理机组的冷量计量原理如图 4所示。参见图3，虚线框内所示的风机盘管的空气入口和出门处均设有温度传感器，用户的 室内设有C02浓度传感器；参见图4，虚线框内所示的新风机组的空气入口处设有温度传感 器和湿度传感器，出口设有温度传感器。本例中，组合式空气处理机组的冷量计量原理与图 4所示的新风机组的冷量计量原理基本相同，只是组合式空气处理机组处理的空气是室内回 风和室外新风的混合空气，因此可参照图4实施。
参见图l，本例中整个系统共有135台末端设备，125个用户，125个用户分为两类，第 一类为虛线框内所示的新风+盘管系统用户，共有100户，每一户使用一台风机盘管，10户 公用一台新风机组集中供给新风；第二类是由25台组合式空气处理机组组成的全空气系统用 户，每一户使用一台组合式空气处理机组。
参见图1和图5，启动计算机主机和中央空调末端控制器等系统设备，运行管理软件，先 设置每一末端设备的运行控制参数，即每一末端设备的出口空气温度和新风+盘管系统的每 一用户室内的C02浓度，再将所设置的参数下传至每一中央空调末端控制器使之按设定的参 数运行，然后按下述方法计算空调系统中每一个具体用户的冷量消耗量。
一、每一个末端设备的冷量消耗量计算
由图1可见，本例共有3种末端设备，即风机盘管、新风机组和组合式空气处理机组， 以下分别描述它们的冷量消耗量的计量过程。 (一)风机盘管的冷量消耗量的计量
1、参见图3，由图2所示的中央空调末端控制器中的多路分时采样处理单元分时采集设 在每一台风机盘管空气入口和出口处温度传感器的温度信号，并分别取入口处空气的相对湿
度为60%，即^=60%，出口处空气的相对龜度为95%,即^=95°/。；然后由与风机盘管连
接的木端控制器分别算出风机盘管入口处空气的焓值^和出口处空气的焓值、以及流经风
机盘管的空气质量流量w :再进一步算出每一风机盘管在单位时间内冷量消耗量Q和每一积
算时间内的冷量消耗量『M.，最后将每一积算时间内的冷量消耗量H^逐一发送至上位于计 算机主机。其中，空气质量流量w的计算过程是先根据风机盘管的入口温度与系统设定的 用户室内温度之差，按PI调节算法经运算所得到的末端空气处理装置的风机的调速比^.，
再公式w = p x & x i算出流经空气处理器的空气质量流量；风机盘管入口的焓值A,和出口的焓值、是分别按发明内容中所述公式I及III和II及IV计算；风机盘管在单位时间内冷量
消耗量2是按公式g =附x (《-A)计算；每一积算时间内风机盘管的冷量消耗量『A,是按公
式『^-A7^2计算。
2、计算机主机接收到每一风机盘管在积算时间内的冷量消耗量^V后，再读入数字式冷 量计中中央空调机组当月的制冷量『cx ，然后按发明内容中所述的公式W分别计算每一台风
机盘管当月的计费冷量『V;并存储。本例中，上一步骤所述的积算时间假设为IO分钟，交
费时间段假设为一个月(30天) 一次，那么与风机盘管连接的中央空调末端控制器向上位计 算机主机发送冷量消耗量数据的次数即为6X24X30=4320,每一风机盘管当月所消耗的计费 冷量为
<formula>formula see original document page 11</formula>
(二)新风机组的冷量消耗量的计量
1、由图2所示的中央空调末端控制器中的多路分时采样处理单元分时采集设在每一台新 风机组空气入口、出口的温度和湿度以及每一新风+风机盘管系统用户的室内C02浓度，所述 温度、湿度和C02浓度的获得方法如下所述的温度、湿度数据由设在新风机组空气入口处
温度传感器、湿度传感器以及设在新风机组空气出口处温度传感器(见图4)获得，所述的 C02浓度由与盘管风机连接的中央空调末端控制器采集用户室内的C02浓度传感器(见图3) 感知的C02浓度，再经网络发送到与新风机组连接的中央空调末端控制器获得。同时，取新 风机组出口处空气的相对湿度为95。/。，即化=95%。然后由与新风机组连接的末端控制器分
别算出新风机组入口处空气的焓值&和出口处空气的焓值A2以及流经新风机组的空气质量
流量w ;再进一步算出每一新风机组在单位时间内冷量消耗量g和每一积算时间内的冷量消
耗量『m，最后将每一积算时间内的冷量消耗量『^逐一发送至上位于计算机主机。其中， 空气质量流量m的计算过程是先计算当前新风+盘管系统中10个用户(见图1)的室内C02
浓度的加权平均值，再计算该加权平均值与系统设定的用户室内C02浓度值之差，然后采用
PI调节算法算得到新风机组的风机的调速比i^ ，并用公式m = /9><《v x^算出流经新风机 组的空气质量流量；新风机组入口的焓值/z,和出口的焓值/z,是分别按发明内容中所述公式I2009 及ni和ii及iv计算；新风机组在单位时间内冷量消耗量2是按公式G二附x(/2, -/g计算；每 一积算时间内新风机组的冷量消耗量是按公式『A, = Ar ^计算。
2、计算机主机接收到每一新风机组在积算时间内的冷量消耗量J^,后，再读入数字式冷 量计中中央空调机组当月的制冷量『a，然后按发明内容中所述的公式Wl分别计算每一台新
风机组当月的计费冷量W'，并存储。本例中，上一步骤所述的积算时间假设为10分钟，交
费时间段为一个月(30天) 一次，那么与新风机组连接的中央空调末端控制器向上位计算机 主机发送冷量消耗量数据的次数即为6X24X30=4320，每一新风机组当月所消耗的计费冷量 为
一 "" — 135
^C丄—S ^A7)
135
，
2X
4320
(三)组合式空气处理机组的冷量消耗量的计量
组合式空气处理机组的冷量消耗量的计量和控制过程与上述新风机组完全相同，也是在 算得每一组合式空气处理机组在积算时间内的冷量消耗量^V后，再读入数字式冷量计中中
央空调机组当月的制冷量『d，然后按发明内容中所述的公式Vffl分别计算每一台组合式空气
处理机组当月的计费冷量『；e并存储，艮口
『CX - Z『A7V
(1+~~~,"
135
与新风机组的冷量消耗量的计量和控制过程不同的是，在计算空气质量流量附时取&.=1。
二、 全空气系统用户中每一用户的冷量消耗量的计算
参见图i，本例是由组合式空气处理机组构成的全空气系统，每一台组合式空气处理机组 对应一个用户，因此上述组合式空气处理机组的冷量消耗量的计量中计算得出的组合式空气 处理机组当月所消耗的计费冷量『'w即是用户当月的计费冷量。
三、 新风+盘管系统中每一用户的冷量消耗量的计算
参见图l，对于采用新风+盘管系统的用户，由于是由一台新风机组为io户提供新风，
因此应将一台新风机组消耗的冷量分摊到10个用户。由图1可见，10个新风+盘管系统完全
12相同，每个系统均由1台新风机组和10台盘管风机组成，以下以一个新风十盘管系统为例分 别说明每一用户的冷量消耗量的计算方法
计算机主机从存储器中调出上述步骤一中算得的新风+盘管系统中新风机组的当月计费
冷量『^和每一台风机盘管的当月计费冷量『《;，然后按发明内容中所述的公式IX计算分摊
新风机组冷量后一个用户的当月计费冷量PT'，艮P:
<formula>formula see original document page 13</formula>
权利要求
1、一种中央空调冷量的分户计量系统，该系统包括提供管理与控制平台的计算机主机、中央空调末端控制器和中央空调机组的数字式冷量计，其中所述的计算机主机与数字式冷量计和每一中央空调末端控制器通过LonWorks接口连接构成控制网络，其特征是所述系统的分户冷量计量方法主要由以下步骤组成(1)由计算机主机的输入终端设定系统每一末端设备的出口空气温度和每一用户室内的CO2浓度并下传至每一中央空调末端控制器；(2)中央空调末端控制器中的多路分时采样处理单元采集空调系统的用户室内CO2浓度以及末端设备的入口和出口处空气温度和湿度，然后进行如下运算a. 按以下公式I和II算出空调系统末端设备入口处空气的焓值h1和出口处空气的焓值h2公式I和II中，P为当地大气压；t1分别为末端设备入口处空气的相对湿度和温度；t2分别为末端设备出口处空气的相对湿度和温度，Pqb1和Pqb2分别为末端设备入口和出口处空气的饱和水蒸气分压力，可分别由公式(3)和(4)计算公式III和IV中的T1＝t1+273，T2＝t2+273，C8＝-5800.2206，C9＝1.3914993，C10＝-0.04860239，C11＝0.41764768×10-4，C12＝-0.14452093×10-7，C13＝6.5459673；其中，所述的末端设备是由表面换热器与风机等设备组成的风机盘管、新风机组或组合式空气处理机组；b. 由中央空调末端控制器按以下公式计算每一末端设备的空气质量流量m公式V中，ρ为空气密度，取1.2kg/m3，KV为风机的调速比，LM为末端设备的风机的额定风量；(3)中央空调末端控制器按步骤(2)所得到的焓值h1和h2以及空气质量流量m按并按以下公式进行单位时间冷量消耗的计算Q＝m×(h1-h2) VI公式VI中，Q为中央空调末端设备单位时间的冷量；(4)中央空调末端控制器按以下公式计算每一末端设备在积算时间内的冷量消耗量并逐一发送至计算机主机WΔT＝ΔT·Q VII公式VII中WΔT为末端设备在积算时间内的冷量消耗量，ΔT为积算时间；(5)计算机主机从所述数字式冷量计中读入的中央空调机组在计费时间内的制冷量，用以下公式计算每一末端设备在计费时间内的计费冷量并存储公式VIII中，W′为末端设备的计费冷量；n为计费时间内中央空调末端控制器向计算机主机发送末端设备在积算时间(ΔT)内冷量消耗量数据的次数；为中央空调系统中所有末端设备的冷量消耗量之和，其中x为所有末端设备的数量；WCL为中央空调机组在计费时间内的制冷量；其中，当所述的末端设备为风机盘管时，W′记为W′PG；当所述的末端设备为新风机组时，W′记为W′XF；当所述的末端设备为组合式空气处理机组时，W′记为W′KQ。
2、如权利要求l所述的系统，其特征是，当所述的用户是由一台新风机组和多台盘管风 机和组成的新风+盘管系统用户时，该用户的冷量计量方法还包括以下步骤计算机主机从存储器中调出按权利要求1所述步骤(5)算得的新风机组的计费冷量『^和每一台风机盘管的计费冷量『^ ，然后按以下公式计算分摊新风机组冷量后用户的计费冷<formula>formula see original document page 4</formula>
3、 如权利要求1或2所述的系统，其特征是公式(2)中末端设备出口处的空气相对湿度『950/0。
4、 如权利要求1或2所述的系统，其特征是当所述的末端设备为风机盘管时，其入口处的空气相对湿度A =60%，出口处的空气相对湿度伊2 =95%。
全文摘要
本发明涉及测量热量的技术领域，具体涉及中央空调的分户计量系统，该系统包括提供管理与控制平台的计算机主机、中央空调末端控制器和中央空调机组的数字式冷量计，所述的计算机主机与数字式冷量计和每一中央空调末端控制器通过LonWorks接口连接构成控制网络，其特征是所述系统的控制方法的主要步骤为由中央空调末端设备控制器分时采集空调系统的用户室内CO₂浓度及末端设备入口和出口的空气温度和湿度，采用公式(1)和(2)分别算出空调系统末端设备的空气进口的焓值h₁和出口的焓值h₂，同时，采用公式(5)算出流过末端设备的空气质量流量m，然后依次采用公式(6)、(7)算出末端设备在积算时间内的冷量消耗量W_ΔT并发送至计算机主机，由计算机主机按公式(8)计算出每一末端设备的计费冷量W′并存储。
文档编号F24F11/00GK101476764SQ20091003680
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者丁云飞, 徐晓宁, 朱赤晖 申请人:广州大学