淺析變風量空調(diào)系統(tǒng)末端控制策略

     智能建筑的發(fā)展，是建筑技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是電子技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)等一系列先進技術(shù)飛速發(fā)展的結(jié)果，它是隨著科學技術(shù)的進步而逐步發(fā)展和充實的。眾所周知，節(jié)能可以說是智能建筑樓宇自動控制系統(tǒng)的出發(fā)點和歸宿。在智能建筑中，HVAC(采暖、通風和空調(diào))系統(tǒng)所消耗的能量要占到大樓消耗的總能量的極大部分[1] ，而變風量系統(tǒng)由于其降低了設(shè)備和系統(tǒng)的能耗, 而被得以大量采用, 變風量系統(tǒng)運行工況是隨時間變化的, 它的運行工況是隨時間變化的,它的運行必須依靠自動控制給以保證. 變風量空調(diào)系統(tǒng)(VAV)及其計算機控制系統(tǒng)是緊密結(jié)合的.
1 變風量空調(diào)系統(tǒng)介紹
   變風量空調(diào)系統(tǒng)是以節(jié)能為目的發(fā)展起來的一種空調(diào)系統(tǒng)形式，它的設(shè)計是真正基于逐時負荷的設(shè)計，系統(tǒng)可根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)分配到各區(qū)域的送風量或供冷、供熱量，系統(tǒng)總送風量（冷、熱負荷）為各時段中所有區(qū)域要求的風量（冷、熱量） 這和的*大值，而不是通常定風量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中所有區(qū)域在各時段要求的風量（冷、熱量）的*大值之和。前者通常只占后者的70%-90%。因此，變風量空調(diào)系統(tǒng)可顯著減少系統(tǒng)總送風量和裝機容量，達到節(jié)能和減少投資的目的.
       變風量空調(diào)系統(tǒng)的特點如下:
      (a) 節(jié)能效果明顯
      與定風量空調(diào)系統(tǒng)相比較, 采用變風量的方法, 可以節(jié)約再熱量及與之相當?shù)睦淞?  由于各房間內(nèi)設(shè)置的VAVBOX 可以獨立控制房間風量, 計算空調(diào)系統(tǒng)總負荷時, 可以適當考慮各房間負荷發(fā)生的同時性, 而不是象定風量系統(tǒng)那樣, 總負荷是各房間*大冷量或熱量之和. 這可以適當減少風機裝機容量,降低能源耗量. 當各房間的負荷減少時, 響應末端的風量將自動減少, 系統(tǒng)對總風量的需求也就必然會下降, 通過適當?shù)目刂剖侄? 可以降低風機的轉(zhuǎn)速, 使其能耗得以降低.
      (b)  控制靈活
     通常, 全空氣定風量系統(tǒng)只能控制某一特定區(qū)域的溫度,對于一個帶有多個房間的風系統(tǒng), 由于送風溫度相同, 送入房間的風量也相同,當各房間負荷發(fā)生變化時是不可能對每個房間溫度都進行控制的, 而只能控制某個房間的溫度, 或者在大多數(shù)情況下, 控制一個綜合的回風溫度, 這樣勢必造成部分房間過冷或過熱, 也不利于節(jié)能.采用VAV系統(tǒng), 由于各個房間的VAVBOX可隨該區(qū)域溫度的變化自動控制送風量, 因此能保證各區(qū)域或房間溫度按使用要求進行溫度控制.基于此,這一特點, 有利于房間的靈活分隔, 對于目前大規(guī)模建造的**寫字樓來說是更為有益的.
     (c) 空調(diào)高品質(zhì) 
     VAV系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng), 在過渡季可以充分利用全新風送風, 所以空氣品 質(zhì)與新風加風機盤管系統(tǒng)相比要好, 還節(jié)省了能耗, 另外, 與風機盤管相比, 吊頂內(nèi)沒有冷凍水管和凝結(jié)水管, 可減少排除凝結(jié)水的困難, 特別是避免了凝結(jié)水盤中滋生的**帶入室內(nèi)風循環(huán)的弊病, 提高了室內(nèi)空氣的衛(wèi)生質(zhì)量.
     從以上幾點看,變風量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點突出, 因此取得了越來越廣泛的應用. 但在選擇變風量空調(diào)系統(tǒng)形式中, 應該同時注意到,變風量空調(diào)一次性投資有所增加, 控制相對復雜, 管理水平較高, 而且更需要對變風量空調(diào)系統(tǒng)精心設(shè)計, 精心選擇產(chǎn)品等, 否則有可能產(chǎn)生新風不足, 房間氣流組織不好, 房間正壓或負壓過大,室內(nèi)噪聲偏大等等問題[2]
2 變風量空調(diào)系統(tǒng)的分類如下
        2.1 根據(jù)變風量末端類型
        2.1.1單風道變風量末端
這是*簡單的變風是末端，僅有一條送風道通過末端設(shè)備和送風口向室內(nèi)送風。這種組合只能對各房間同時加熱工冷卻，無法實現(xiàn)在同一時期內(nèi)，對有的房間加熱，有的房間冷卻。當顯熱負荷減少時，室內(nèi)相對濕度也不易控制。因此，僅適用于室內(nèi)負荷比較穩(wěn)定。室內(nèi)相對濕度無嚴格要求的場合。
目前市場上,常用的單風道變風量末端類型為:
(a) 節(jié)流風閥型
采用節(jié)流機構(gòu)（如風閥）調(diào)節(jié)風量, 按照是否補償壓力變化，又分壓力有關(guān)型 和壓力無關(guān)型。
從控制角度看，前者由溫控器直接控制風閥；后者除了溫控器外，還有一個風量傳感器和一個風量控制器，溫控器為主控器，風量控制器為副控器，構(gòu)成串級控制環(huán)路，溫控器根據(jù)溫度偏差設(shè)定風量控制器風同歸于盡控制器根據(jù)風量偏差調(diào)節(jié)末端裝置內(nèi)風閥。當末端入口壓力變化時，通過末端的風量會發(fā)生變化，壓力無關(guān)型末端可以較快地補償這種壓力變化維持原有的風量；而壓力有關(guān)型末端則要等到風量變化改變了室內(nèi)溫度才動作，在時間上要滯后一些。價格上，壓力無關(guān)型要比壓力有關(guān)型高一些
(b) 風機動力型
    按照風機和一次風的關(guān)系，帶風機的末端又可分為帶并聯(lián)風機的末端裝置和帶串聯(lián)風機的末端裝置. 再根據(jù)末端是否有再加熱裝置分為再加熱型和非再加熱型.
     串聯(lián)型：由于進風口、風機、出風口直接連通，故稱為串聯(lián)型，又因其出風口 總風量是固定的，只能通過位于進風口處的風閥進行一次風量的變化調(diào)節(jié)，所以也被俗稱為固定風量的VAVBOX；
并聯(lián)型：由于進風口、出風口直接連通，風機和回風口并在VAVBOX的一側(cè)，故稱為并聯(lián)型。并聯(lián)型VAVBOX的風機在夏季不運行，冬季才運行，采用進風口處風閥進行一次風量變化調(diào)節(jié)，導致出風口風量的變化.
(c) 文丘里型
文丘里型VAVBOX由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，無需配置風量檢測機構(gòu)，此功能由其迎風面完成
2.1.2 雙風道變風量末端
機組具有冷熱兩個風道，當房間的送風量隨著冷負荷的減少而達到*小風量時，開啟熱風閥，向房間補充熱量，使系統(tǒng)的負荷得到有效的調(diào)節(jié)。這種組合，對房間的負荷適應性強，能滿足有的房間加熱，有的房間冷卻的要求。由于負荷得到補償，*小風量得到控制，室內(nèi)的相對濕度可保持在較好的水平上，但系統(tǒng)需增加一條風道，設(shè)備費和運行費將有所提高。
2.2 根據(jù)系統(tǒng)控制策略
2.2.1靜壓控制法
靜壓控制法分為定靜壓控制法和變靜壓控制法。在對現(xiàn)有的VAV系統(tǒng)中這二種控制法的研究和實例分析表明：二種方法均能完成VAV系統(tǒng)的控制要求，但同 時也存在不少問題：定靜壓方法控制簡單，但為保持空調(diào)送風管道中有較大的壓力，使得風機耗能偏高，同時由于末端閥位多處于偏小狀態(tài)，噪聲問題比較突出；變靜壓方法能節(jié)省風機能耗，但控制較為復雜，調(diào)試難度大，并需要專業(yè)技術(shù)人員進行多次換季調(diào)試等。
此外大量使用壓力控制，耦合現(xiàn)象很難避免，系統(tǒng)就會存在不穩(wěn)定的因素。加之風閥、執(zhí)行器價格較高，機械連接部位多，故障率較高。
采用變靜壓控制法的空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計人員要嚴格設(shè)計主風道、支風道的壓力分配，對管道的長度、尺寸、走向、分布等都有嚴格的要求。但建筑物的結(jié)構(gòu)、裝修等對風道的設(shè)計有一定的限制，導致風道不能完全按設(shè)計施工圖施工，增大了VAV系統(tǒng)的調(diào)節(jié)難度，影響了系統(tǒng)的正常運行。
2.2.2 總風量控制法
    總風量控制方式的變風量系統(tǒng)，不同于靜壓控制法，它是根據(jù)系統(tǒng)各末端風量之和與系統(tǒng)當前總風量相匹配的原理設(shè)計而成的。末端采用風機代替風閥的方式，不采用靜壓調(diào)節(jié)，而是由末端實時的風量需求，采用數(shù)字信號傳輸及先進的控制軟件，實施對風機的控制，避免使用壓力檢測裝置，也不需要變靜壓控制時的末端閥位信號，容易實現(xiàn)控制系統(tǒng)的解耦.
3 西門子變風量空調(diào)末端控制策略介紹
在實際的變風量末端控制系統(tǒng)中，我們通常采用三種VAV末端控制技術(shù)
1)壓力相關(guān)型變風量末端空調(diào)
2)壓力無關(guān)型變風量末端空調(diào)
3)并聯(lián)/串聯(lián)風機 (帶輔助加熱) 壓力無關(guān)型變風量末端控制
1)當控制系統(tǒng)為制冷模式時，風機一直保持開啟狀態(tài)，加熱裝置始終關(guān)閉。通 過室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的PID運算，調(diào)節(jié)VAVBOX內(nèi)的風閥來實現(xiàn)對房間溫度的控制。其中風閥在*小開度和*大開度之間調(diào)節(jié)，風閥開度大小設(shè)置來源于變風量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)和衛(wèi)生需求。
2)當控制系統(tǒng)為供熱模式時，風機一直保持開啟狀態(tài)，通過室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的PID運算，調(diào)節(jié)VAVBOX內(nèi)的風閥來實現(xiàn)對房間溫度的控制。此時對風閥和加熱裝置的控制策略有四種（圖3）。
(a)維持*小新風量即始終保持*小風閥開度，根據(jù)控制器輸出控制加熱裝置開啟大小。
(b)風閥和加熱裝置的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)順序控制。
(c)風閥和加熱裝置的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)并行控制。
(d)風閥和加熱裝置的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)跳躍控制。
3)當控制系統(tǒng)為制冷模式時，并聯(lián)風機關(guān)閉，加熱裝置始終關(guān)閉。通過室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的PID運算，調(diào)節(jié)VAVBOX內(nèi)的風閥來實現(xiàn)對房間溫度的控制。其中風閥在*小開度和*大開度之間調(diào)節(jié)，風閥開度大小設(shè)置來源于變風量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)和衛(wèi)生需求。
4)當控制系統(tǒng)為供熱模式時，通過室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的PID運算，調(diào)節(jié) VAVBOX內(nèi)的風閥來實現(xiàn)對房間溫度的控制。此時對風閥和加熱裝置的控制策略有四種(圖3)。
(a)維持*小新風量即始終保持*小風閥開度，根據(jù)控制器輸出控制加熱裝置開啟大小。
(b)風閥和加熱裝置的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)順序控制。
(c)風閥和加熱裝置的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)并行控制。
(d)風閥和加熱裝置的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)跳躍控制。
    供熱時，并聯(lián)風機的控制策略為：當加熱裝置（如熱水閥）的開度超過10%（默認值），同時管道內(nèi)送風流量小于20%*大風量（意味著沒有足夠的風量帶走加熱裝置產(chǎn)生的熱量）時，并聯(lián)風機將關(guān)閉。反之，并聯(lián)風機將開啟。
    以上是結(jié)合西門子變風量末端產(chǎn)品，對變風量系統(tǒng)控制邏輯進行分析及介紹。西門子變風量末端控制產(chǎn)品TEC和ATEC已經(jīng)很成熟的應用于諸多工程項目中, 諸如新建美國駐華大使館、廣州國際匯展中心、上?；ㄆ齑髲B等。

4．結(jié)論

本文通過對變風量系統(tǒng)的簡述,以西門子專用的變風量末端控制器產(chǎn)品為出發(fā)點, 闡述了其工作邏輯及原理, 這對今后的變風量系統(tǒng)工程實踐及調(diào)試有一定的借鑒及指導作用.
參考文獻：
[1] 變風量空調(diào)系統(tǒng)末端調(diào)節(jié)控制法, 宋靜 賈衡 李炎鋒智能建筑
[2] 基于BACnet技術(shù)的VAV空調(diào)系統(tǒng)末端控制, 陳志新李惠升.
[3] 西門子Apogee設(shè)計手冊