樓宇控制系統精細化調節——變風量控制

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，其提供的應該是一種優越的生活、高效率的工作環境：舒適性、高效性、方便性、適應性、可靠性、安全性。 空調系統的控制對樓宇環境起關鍵作用。

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）具有良好的節能效果。

（3）有效節省設備運行維護費用。

2 樓宇控制系統精細化調節——變風量控制系統

2.1 變風量空調系統（VAV）的組成

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

2.2 變風量精細化調節的作用

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

（2）區別于常規的定風量或風機盤管系統，在每一個系統中的不同朝向房間，它的空調負荷的峰值出現在一天的不同時間，因此變風量空調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，變風量空調器的工作能力及風量比定風量、風機盤管系統減少10%～20%。

圖1

2.3 變風量精細化調節的方法

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

首先對VAV的變風量末端控制環節進行了分析。

（2）末端控制環路分析。以一個典型的變風量控制系統為例，末端控制環節的控制線路如圖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節的時間常數差別太大。整個串級控制環路中共有兩個是測量量，即溫度、流量測量信號；直接設定參數一個，即設定溫度Tset；中間變量一個，即設定風量Gset；及輸出給末端的閥位控制信號C。

（3）通常情況下變風量空調系統是通過改變送入房間的風量來適應負荷的變化，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，避免出現層差，且因為樓宇結構設計基本要求空調設備應在地下設備層，所以變風量空調系統控制有一定的難度。

如圖2所示空調機組在地下二層送風高至四層，每層根據要求約五六個出風口(VAV末端控制器控制封口風量)。為了保證每層溫度相同，那么每層VAV控制器的設定溫度則不同。考慮空氣流動性根據季節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應設定為18℃或關閉，次層為19℃，最底層VAV控制器設定22℃或全開狀態。夏季冷空氣下降若控制指標為24℃，高層VAV應設定為18℃或全開，次層為19℃，最底層VAV控制器設定24℃或關閉狀態。這樣才能保證樓內溫濕度均衡溫差達到最小化。

此外，空調機組的變頻控制是節能的主要環節。以靜壓控制為例，空調機組或新風機組常將風機裝在最后，風機出口風速高，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，靜壓監測點一般安裝在送風道上，大空間樓宇建筑建議安裝在主送風道上，不應裝在分支。以圖2為例：空調機組額定送風量68000m2/h、電機功率37kW、余壓600pa,回風機額定功率18.5kW、風量57000m2/h、余壓500pa，機組在滿頻50Hz運行，現場VAV風閥全部打開。實測靜壓值130pa（量程250pa）該值設定為靜壓Pset。每個VAV根據安裝位置風道不同，風量修正系數不同，實際運行開度也不同，風量均勻分配。運行時每個VAV控制器根據其所在區域溫度調節控制風閥開度。有VAV風閥關閉時，機組動壓不變，靜壓值升高，變頻器控制根據靜壓設定值調節使送回風機控制頻率降低，動壓減小靜壓值穩定在設定值。保證機組運行平穩，現場溫度得以控制。

圖2

3 變風量精細化調節——總風量控制方法的原理

3.1 總風量控制方法基本原理

通過對末端控制環路的仔細分析，發現了各個末端的設定風量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量，那么所有末端設定風量之和則顯然是系統當前要求的總風量，并且體現了系統希望達到的流量狀態。根據風機相似律，在空調系統阻力系數不發生變化時，總風量和風機轉速是一個正比的關系：

根據這一正比關系，可以想到在設計工況下有一個設計風量和設計風機轉速，那么在運行過程中有一要求的運行風量自然可能對應一要求的風機轉速。雖然設計工況和實際運行工況下系統阻力有所變化，但可將其近似表示為：

如果說所有末端帶的區域要求的風量都是按同比例變化的，顯然這一關系式就足以用來控制風機轉速了。

式中Ns為運行工況下風機設定轉速；Nd為設計工況下的設計轉速；Gs,i為運行工況下的第i個末端的設計風量；σ為所有末端相對設定風量的均方差；K為自適應的整定參數，缺省值為1.0；n為末端個數。

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

有了這個轉速關系式后，就可實時根據末端設定風量的變化對風機進行轉速調節。

3.2 總風量控制方法作用

總風量控制方法和靜壓控制方法一樣能很好地完成變風量系統中的風機變頻調節；系統運行穩定后，總風量控制下的系統壓力最為穩定，表明總風量控制時出現系統振蕩的可能性最小；.總風量控制在耗能上介于定靜壓和變靜壓控制之間。

4 結語

(1) 變風量空調技術的發明源于能源危機時期。中央空調是建筑物的耗能大戶，變風量技術在不同程度上起到了一定的節能效果。

(2) 變風量空調技術調節在大型樓宇建筑溫濕度控制中起關鍵作用。根據結構不同每個樓宇控制運行方案都不一樣。環境溫度的設定必須通過專業技術人員實際測試試驗，才能根據不同區域設定相應VAV控制溫度值，使樓內層溫差降至最低。此外在變風量控制系統中風道的風平衡是很重要的，它直接影響現場的控制質量。

(3) 變風量控制在控制性能上具有快速、穩定的特點。它有多種控制方法如靜壓調節、總風量調節等。總風量調節增加了末端之間的耦合程度，現場VAV控制器工況情況，風量測量準確性，這種末端之間的耦合主要是通過風機的調節實現的。

在大型樓宇建筑中現場VAV控制器多達二三十臺且風道分支較多，總風量調節不可能滿足各個區域，VAV是串級調節，風量的改變直接影響總風量，對系統調節波動很大，末端VAV調節波動，一般不采用。靜壓調節通過壓力反饋調節變頻，調節有些滯后，但對現場影響不大，能保證公共區域送風平穩、舒適。所以，在大型樓宇建筑中公共區域控制一般采用這種方法。