樓宇控制系統(tǒng)精細化調(diào)節(jié)——變風(fēng)量控制

陳曉軍 北京首都機場動力能源有限公司

樓宇智能化是信息化的重要組成部分，其提供的應(yīng)該是一種優(yōu)越的生活、高效率的工作環(huán)境：舒適性、高效性、方便性、適應(yīng)性、可靠性、安全性。 空調(diào)系統(tǒng)的控制對樓宇環(huán)境起關(guān)鍵作用。

1 樓宇智能化的作用

（1）具有良好的信息接收和反應(yīng)能力，提高工作效率。提高建筑物的安全、舒適和高效便捷性。

（2）具有良好的節(jié)能效果。

（3）有效節(jié)省設(shè)備運行維護費用。

2 樓宇控制系統(tǒng)精細化調(diào)節(jié)——變風(fēng)量控制系統(tǒng)

2.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）的組成

空調(diào)控制系統(tǒng)的精細化調(diào)節(jié)——變風(fēng)量控制，是節(jié)能降耗的根本。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由空氣處理機組、新風(fēng)/排風(fēng)/送風(fēng)/回風(fēng)管道、變風(fēng)量空調(diào)箱、房間溫控器等組成，其中變風(fēng)量空調(diào)箱是該系統(tǒng)的最重要部分。由于空調(diào)系統(tǒng)在全年大部分時間里是在部分負荷下運行，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送風(fēng)量來調(diào)節(jié)室溫的，因此可以大幅度減少送風(fēng)風(fēng)機的動力耗能。據(jù)模擬測算，當風(fēng)量減少到80 %時，風(fēng)機耗能將減少到51%；當風(fēng)量減少到50%時，風(fēng)機耗能將減少到15%。全年空調(diào)負荷率為60%時，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（變靜壓控制）可節(jié)約風(fēng)機動力耗能78%。

2.2 變風(fēng)量精細化調(diào)節(jié)的作用

（1）由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送入房間的風(fēng)量來適應(yīng)負荷的變化，所以風(fēng)量的減少帶來了風(fēng)機能耗的降低。

（2）區(qū)別于常規(guī)的定風(fēng)量或風(fēng)機盤管系統(tǒng)，在每一個系統(tǒng)中的不同朝向房間，它的空調(diào)負荷的峰值出現(xiàn)在一天的不同時間，因此變風(fēng)量空調(diào)器的容量不必按全部負荷峰值疊加來確定，而只要按某一時間各朝向負荷之各的最大值來確定。這樣，變風(fēng)量空調(diào)器的工作能力及風(fēng)量比定風(fēng)量、風(fēng)機盤管系統(tǒng)減少10%～20%。

圖1

2.3 變風(fēng)量精細化調(diào)節(jié)的方法

（1）21世紀以來系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和故障監(jiān)測與診斷，從變風(fēng)量控制系統(tǒng)的主從變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)的特點、實施條件、可行性等幾個方面都可解決?？照{(diào)末端方式變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)的時機已較成熟。其基本控制方法有：定靜壓方法控制、變靜壓方法、總風(fēng)量控制等。

首先對VAV的變風(fēng)量末端控制環(huán)節(jié)進行了分析。

（2）末端控制環(huán)路分析。以一個典型的變風(fēng)量控制系統(tǒng)為例，末端控制環(huán)節(jié)的控制線路如圖1所示。

從圖1中可以看出，末端控制實際上使用了一個串級控制。使用這種串級控制的基本原因是末端流量控制和房間溫度控制兩個環(huán)節(jié)的時間常數(shù)差別太大。整個串級控制環(huán)路中共有兩個是測量量，即溫度、流量測量信號；直接設(shè)定參數(shù)一個，即設(shè)定溫度Tset；中間變量一個，即設(shè)定風(fēng)量Gset；及輸出給末端的閥位控制信號C。

（3）通常情況下變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送入房間的風(fēng)量來適應(yīng)負荷的變化，而大型樓宇建筑則不同。例如機場航站樓、火車站等其立體空間較大，每層溫濕度控制要求較高，避免出現(xiàn)層差，且因為樓宇結(jié)構(gòu)設(shè)計基本要求空調(diào)設(shè)備應(yīng)在地下設(shè)備層，所以變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制有一定的難度。

如圖2所示空調(diào)機組在地下二層送風(fēng)高至四層，每層根據(jù)要求約五六個出風(fēng)口(VAV末端控制器控制封口風(fēng)量)。為了保證每層溫度相同，那么每層VAV控制器的設(shè)定溫度則不同?？紤]空氣流動性根據(jù)季節(jié)不同控制理念也不同，冬季熱空氣上升若控制指標為20℃，高層VAV應(yīng)設(shè)定為18℃或關(guān)閉，次層為19℃，最底層VAV控制器設(shè)定22℃或全開狀態(tài)。夏季冷空氣下降若控制指標為24℃，高層VAV應(yīng)設(shè)定為18℃或全開，次層為19℃，最底層VAV控制器設(shè)定24℃或關(guān)閉狀態(tài)。這樣才能保證樓內(nèi)溫濕度均衡溫差達到最小化。

此外，空調(diào)機組的變頻控制是節(jié)能的主要環(huán)節(jié)。以靜壓控制為例，空調(diào)機組或新風(fēng)機組常將風(fēng)機裝在最后，風(fēng)機出口風(fēng)速高，動壓高，靜壓小，工程中常在出口處加裝消聲靜壓箱，降低動壓，增加靜壓，同時起均流、消聲作用。

變頻器控制一般采用靜壓控制，靜壓監(jiān)測點一般安裝在送風(fēng)道上，大空間樓宇建筑建議安裝在主送風(fēng)道上，不應(yīng)裝在分支。以圖2為例：空調(diào)機組額定送風(fēng)量68000m2/h、電機功率37kW、余壓600pa,回風(fēng)機額定功率18.5kW、風(fēng)量57000m2/h、余壓500pa，機組在滿頻50Hz運行，現(xiàn)場VAV風(fēng)閥全部打開。實測靜壓值130pa（量程250pa）該值設(shè)定為靜壓Pset。每個VAV根據(jù)安裝位置風(fēng)道不同，風(fēng)量修正系數(shù)不同，實際運行開度也不同，風(fēng)量均勻分配。運行時每個VAV控制器根據(jù)其所在區(qū)域溫度調(diào)節(jié)控制風(fēng)閥開度。有VAV風(fēng)閥關(guān)閉時，機組動壓不變，靜壓值升高，變頻器控制根據(jù)靜壓設(shè)定值調(diào)節(jié)使送回風(fēng)機控制頻率降低，動壓減小靜壓值穩(wěn)定在設(shè)定值。保證機組運行平穩(wěn)，現(xiàn)場溫度得以控制。

圖2

3 變風(fēng)量精細化調(diào)節(jié)——總風(fēng)量控制方法的原理

3.1 總風(fēng)量控制方法基本原理

通過對末端控制環(huán)路的仔細分析，發(fā)現(xiàn)了各個末端的設(shè)定風(fēng)量Gset是一個很有價值的量，它反映了該末端所帶房間目前要求的送風(fēng)量，那么所有末端設(shè)定風(fēng)量之和則顯然是系統(tǒng)當前要求的總風(fēng)量，并且體現(xiàn)了系統(tǒng)希望達到的流量狀態(tài)。根據(jù)風(fēng)機相似律，在空調(diào)系統(tǒng)阻力系數(shù)不發(fā)生變化時，總風(fēng)量和風(fēng)機轉(zhuǎn)速是一個正比的關(guān)系：

根據(jù)這一正比關(guān)系，可以想到在設(shè)計工況下有一個設(shè)計風(fēng)量和設(shè)計風(fēng)機轉(zhuǎn)速，那么在運行過程中有一要求的運行風(fēng)量自然可能對應(yīng)一要求的風(fēng)機轉(zhuǎn)速。雖然設(shè)計工況和實際運行工況下系統(tǒng)阻力有所變化，但可將其近似表示為：

如果說所有末端帶的區(qū)域要求的風(fēng)量都是按同比例變化的，顯然這一關(guān)系式就足以用來控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速了。

式中Ns為運行工況下風(fēng)機設(shè)定轉(zhuǎn)速；Nd為設(shè)計工況下的設(shè)計轉(zhuǎn)速；Gs,i為運行工況下的第i個末端的設(shè)計風(fēng)量；σ為所有末端相對設(shè)定風(fēng)量的均方差；K為自適應(yīng)的整定參數(shù)，缺省值為1.0；n為末端個數(shù)。

參數(shù)K是一個保留數(shù)，可在系統(tǒng)初調(diào)時確定，也可能通過優(yōu)化某一項性能指標，如最大閥位偏差進行自適應(yīng)整定，目的是使各個末端在達到設(shè)定流量的情況下，彼此的閥位偏差最小。

有了這個轉(zhuǎn)速關(guān)系式后，就可實時根據(jù)末端設(shè)定風(fēng)量的變化對風(fēng)機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3.2 總風(fēng)量控制方法作用

總風(fēng)量控制方法和靜壓控制方法一樣能很好地完成變風(fēng)量系統(tǒng)中的風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)；系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，總風(fēng)量控制下的系統(tǒng)壓力最為穩(wěn)定，表明總風(fēng)量控制時出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩的可能性最小；.總風(fēng)量控制在耗能上介于定靜壓和變靜壓控制之間。

4 結(jié)語

(1) 變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)的發(fā)明源于能源危機時期。中央空調(diào)是建筑物的耗能大戶，變風(fēng)量技術(shù)在不同程度上起到了一定的節(jié)能效果。

(2) 變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)調(diào)節(jié)在大型樓宇建筑溫濕度控制中起關(guān)鍵作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同每個樓宇控制運行方案都不一樣。環(huán)境溫度的設(shè)定必須通過專業(yè)技術(shù)人員實際測試試驗，才能根據(jù)不同區(qū)域設(shè)定相應(yīng)VAV控制溫度值，使樓內(nèi)層溫差降至最低。此外在變風(fēng)量控制系統(tǒng)中風(fēng)道的風(fēng)平衡是很重要的，它直接影響現(xiàn)場的控制質(zhì)量。

(3) 變風(fēng)量控制在控制性能上具有快速、穩(wěn)定的特點。它有多種控制方法如靜壓調(diào)節(jié)、總風(fēng)量調(diào)節(jié)等?？傦L(fēng)量調(diào)節(jié)增加了末端之間的耦合程度，現(xiàn)場VAV控制器工況情況，風(fēng)量測量準確性，這種末端之間的耦合主要是通過風(fēng)機的調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。

在大型樓宇建筑中現(xiàn)場VAV控制器多達二三十臺且風(fēng)道分支較多，總風(fēng)量調(diào)節(jié)不可能滿足各個區(qū)域，VAV是串級調(diào)節(jié)，風(fēng)量的改變直接影響總風(fēng)量，對系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動很大，末端VAV調(diào)節(jié)波動，一般不采用。靜壓調(diào)節(jié)通過壓力反饋調(diào)節(jié)變頻，調(diào)節(jié)有些滯后，但對現(xiàn)場影響不大，能保證公共區(qū)域送風(fēng)平穩(wěn)、舒適。所以，在大型樓宇建筑中公共區(qū)域控制一般采用這種方法。