變風量空調系統全過程調適技術：聯合運行調適方法*

中國建筑科學研究院有限公司 廖 滟 陳昭文 魏 崢 牛利敏 吳凌宇 張世棟北京美瑞泰富置業有限公司 景雪梅

0 引言

由于變風量空調系統具有舒適性高、調節性能好等優點，因此廣泛應用于我國的高端辦公樓中。但是，筆者通過對多個項目的現場評估發現，我國的變風量空調系統實際運行效果欠佳，多數項目在運行過程中直接變成了“定風量”空調系統，即風機頻率維持在工頻，或由物業手動設定，不能根據實際負荷需求自動變頻。究其原因主要是施工過程中，空調專業與自控專業調適脫節、界限不清、管理混亂等。對于新建建筑或改造建筑，應從施工階段開始重視全過程調適，預防問題的產生。變風量空調系統較常規空調系統自動化需求高，僅開展空調專業的調適不能實現變風量空調系統的自動運行。因此，對于變風量空調系統而言，調適中的關鍵一環是開展空調專業、自控專業的聯合運行調適。

1 變風量空調系統的常見問題

基于筆者團隊的工程實踐，發現變風量空調系統中常見的與自控系統相關的問題包括：

1) 傳感器的準確性較差。變風量空調系統中，最常見的現象是變風量末端裝置(VAV box)的風量傳感器的準確性較差，普遍原因是未進行整定。由于風量傳感器與自控系統本身存在系統誤差，且廠家與自控供應商不同，導致設備的機械部分與自控部分不匹配，因此需要在現場重新進行整定[1]。其他傳感器出現準確性較差主要是由自控專業接線錯誤或傳感器量程輸入錯誤造成的。

2) 執行器控制效果較差。變風量空調系統的執行器包括組合式空調機組的電動風閥、水閥及VAV box的風閥等配件。由于接線錯誤或執行器卡死，開關控制的執行器經常會出現控制反向或不受控現象，具體原因需空調和自控專業同時調適發現。連續控制的執行器還經常出現無法完全關閉的情況，其主要原因為執行器未調零。

3) 控制功能錯誤。在空調設計時，僅僅記述了變風量控制需求，自控設計則根據需求設計控制點位，但兩者都未對具體的控制功能進行設計或說明。在很多項目中，自控廠家僅僅是使用一個常用程序導入自控系統，未針對具體系統、具體需求進行編程，導致變風量空調系統不能滿足用戶的實際需求。

4) 參數設置或個別問題影響整體運行。在實際運行中，變風量空調系統控制參數的設置、個別問題的發生都會影響整個系統的運行。例如，靜壓設定值偏高、個別VAV box的采樣管斷裂等，從而造成機組一直工頻運行。由于VAV box數量眾多，在調適過程中，很難做到對所有設備進行檢查和調適，一般都是按一定比例抽驗。因此，在自控系統調適完成后，還應該進行運行效果全面驗證，通過運行數據發現問題。

2 全過程調適技術體系

機電系統調適是通過對建筑機電系統的全過程檢查、測試、調整、驗證、優化等工作，使建筑機電系統性能、功能達到設計要求和使用要求，保證全工況高效運行、滿足舒適要求的程序和方法。全過程調適技術體系基于全過程質量控制理念，結合我國工程建設管理現狀，劃分了調適階段，制定了標準化的操作方法。全過程調適包含6個階段：調適預檢查、單機試運轉、設備性能調適、系統性能調適、聯合運行調適、季節性驗證，見圖1。以上工作跨越了建設施工階段和運行階段，其中聯合運行調適是在施工階段接近尾聲、運行階段即將開始時實施。全過程調適技術體系已在部分常規空調項目中采用，調適效果顯著[2]。變風量空調系統的控制較常規空調系統復雜，因此聯合運行調適方法不同于常規空調。變風量空調系統聯合運行調適主要對自控系統進行測試和驗證，確保變風量空調系統與自控系統的集成是可靠并優化的，因此需要跨專業來實施。

圖1 全過程調適技術體系

3 聯合運行調適方法

總的來說，聯合運行調適是基于自控系統，對變風量空調的聯合運行效果及性能進行動態驗證和優化。對于變風量空調系統，聯合運行調適主要在組合式空調機組、VAV box及相關自控系統同時作用時開展。筆者根據工程經驗，總結了變風量空調系統聯合運行調適方法，包括傳感器準確性驗證、執行器控制能力驗證、系統控制邏輯優化及驗證、運行效果驗證。傳感器和執行器驗證主要是針對單點進行驗證，確保單項功能正常。系統控制邏輯優化及驗證是針對復雜的控制需求制定詳細的邏輯，并驗證邏輯是否滿足運行要求。以上工作完成可實現當前工況下系統控制功能正常，但不能確保未來系統動態運行時所有設備正常運行、所有參數符合當前控制要求，因此需開展運行效果驗證。運行效果驗證是基于自控系統運行數據，及時甄別運行過程中的問題，提醒運維人員及時解決。具體如下：

1) 傳感器準確性驗證。① 檢查所有傳感器的型號、精度、量程與所配儀表是否相符，并進行刻度誤差校驗，檢查是否達到產品技術文件要求；② 檢查自控系統輸入的傳感器量程及電參數是否正確；③ 控制器讀取的傳感器數據與現場的測量值、狀態是否一致；④ 現場測試需使用經標定過的準確儀器；⑤ VAV box的風量傳感器讀數偏差較大時需開展現場整定。

2) 執行器控制能力驗證。① 對執行器進行動作特性校驗，驗證執行器的動作和動作順序是否與設計的工藝要求相符；② 自控系統讀取的執行器狀態是否與現場的狀態一致；③ 對調節閥和其他執行機構作調節性能模擬試驗，測定全行程距離與全行程時間，調整限位開關位置，標出滿行程的分度值，驗證是否達到產品技術文件要求。

3) 系統控制邏輯優化及驗證。① 基于設計原則及現有自控點位，對變風量空調系統的控制邏輯進行優化；② 自控廠家編程后，在系統運行時對控制邏輯進行驗證；③ 通過驗證發現的不合理問題及時調整相關參數或修改程序。

4) 運行效果驗證。① 基于自控系統記錄的運行數據及專家知識，建立變風量空調系統運行效果的貝葉斯模型；② 利用模型自動識別運行問題，提醒運維人員進行整改；③ 利用最新的自控數據不斷修正模型，使模型持續適應當前空調系統。

4 案例介紹

某高端辦公樓位于北京市朝陽區大望京2號地626地塊，為超高層辦公建筑。總建筑面積124 500 m2，其中地上建筑面積80 000 m2，地下建筑面積44 500 m2。其中4～40層為辦公樓層(避難/機房層位于13、27層)。

該項目冷源系統為冰蓄冷系統，熱源為市政供暖。辦公樓層采用變風量空調系統，分為內外2個區。內區采用單風道變風量末端送風裝置；電梯廳采用單風道變風量末端內置加熱盤管；外區采用內置加熱盤管的并聯風機動力型變風量末端送風裝置。新風由新風機組集中處理，在每層的入口設置定風量(CAV)閥。變風量機組的排風閥及過渡季新風閥均采用可測流量調節閥。

5 聯合運行調適過程

5.1 傳感器準確性驗證

傳感器準確性驗證時需使用測量精度高的儀器，建議使用標定儀器。例如，風速測量儀器在其量程范圍內的測量誤差應在±5%之內。驗證時需固定變風量空調機組和VAV box的各項執行器，防止驗證過程中數據波動。案例中抽驗的傳感器包括：VAV box風量、VAV box溫控器的溫度、機組送風溫濕度、回風CO2濃度、主管靜壓、送風風量傳感器。驗證結果如下。

1) VAV box風量。現場共抽驗了52臺VAV box，其中有7臺VAV box顯示風量與實測風量的偏差大于15%，其余45臺則小于15%。偏差較大的VAV box直徑均為203 mm(8英寸)。這說明廠家提供的風量計算系數與實際運行中的數值相差較大，因此現場對此型號VAV box的風量傳感器重新進行整定，整定后復驗結果顯示，其準確性符合使用要求。整定結果見圖2。

2) VAV box溫控器的溫度。在準確性驗證前，已對安裝位置進行了檢查，對于不在控制氣流中的傳感器進行了移位。對21臺VAV box溫控器的溫度傳感器進行驗證，結果見圖3。由結果可知，其中12臺的溫度差值小于0.5 ℃，其余均小于1.0 ℃，說明溫度傳感器準確性較好。

圖3 VAV box溫度傳感器驗證結果

3) 機組送風溫濕度。抽驗了10臺空調機組的送風溫濕度傳感器。從測試結果(見圖4)可知，傳感器準確性較好。

4) 其他傳感器驗證。在CO2體積分數、主管靜壓及機組送風量傳感器驗證時，筆者發現傳感器的反饋值與實測值存在較大偏差。經檢查，發現是自控系統輸入的傳感器量程范圍與傳感器的銘牌量程不符。以CO2體積分數為例，通過對25層和26層機組的抽驗可知，傳感器的反饋值遠小于實測值，且小于室外濃度，見表1。經查驗，CO2體積分數傳感器的實際量程為0～2 000×10-6，自控系統設置為0～1 000×10-6。后經過程序修改，傳感器可正常使用。

表1 空調機組回風CO2體積分數傳感器驗證結果

5.2 執行器控制能力驗證

執行器驗證前先將自控系統調整至手動狀態，不受控制邏輯影響，然后手動給出控制命令，現場觀察執行器動作。案例中抽驗的組合式空調機組的執行器包括：電動水閥、CAV閥、過渡季新風閥、排風閥、回風閥、靜電除塵器、變頻器。驗證數量為11臺組合式空調機組及其負責的547臺VAV box。

1) 組合式空調機組的執行器。

經驗證可知，執行器出現各種問題的比例較高，產生的原因不僅有空調專業原因，還有自控專業原因，見表2和圖5。例如，在驗證的11臺機組中，有10臺變頻器由于未進行參數復位而導致無法遠程控制，比例高達91%。

電動水閥驗證時發現水閥不受控，經現場確認，控制器反饋信號與輸入控制信號相反。輸入信號為10 V時，閥門全開，此時反饋信號為0 V，顯示為關。經檢查，發現是現場接線錯誤，除此之外，水閥接線還存在跳線問題，見圖6。

表2 空調機組執行器問題表現及原因

圖6 電動水閥接線

CAV閥的主要問題是中控顯示無風量或無法控制風量問題，原因包括：采樣管折斷、程序錯誤。過渡季新風閥和排風閥均為可測流量調節閥，但安裝后經常出現風閥關不嚴或無法控制風量問題，原因是閥門未調零、閥桿卡死。回風閥控制反向則是現場設置錯誤，重新調整圖7中的設置旋鈕后控制正常。靜電除塵器經常出現故障報警，部分由于安裝時擠壓電極板造成變形從而短路，另一部分是自控專業接線錯誤或設定錯誤。變頻器無法遠程控制是因為設置時未進行參數復位。

圖7 回風閥正反轉設置

2) VAV box。

VAV box主要問題是閥門不可控或風量不可控，原因包括：執行器脫扣、程序錯誤、VAV box掉線、采樣管脫落等，分布情況見圖8。采樣管容易脫落的位置有兩處——傳感器接口和執行器接口，見圖9。

圖8 VAV box各類問題分布

圖9 采樣管脫落位置

5.3 系統控制邏輯優化及驗證

筆者基于設計原則及現有自控點位，對變風量系統的控制邏輯進行優化。自控廠家編程后，在系統運行時對控制邏輯進行驗證。優化后，變風量空調機組的控制原理圖見圖10～12。

圖10 變風量空調系統控制原理圖

圖11 變風機頻率控制原理圖

本案例的風量控制方法為變靜壓控制法。首先根據VAV box需求風量計算風機的初始頻率，統計高負荷工況(風閥開度大于90%)的VAV box數量，當大于死區數量時，提高風機頻率，反之統計低負荷工況(風閥開度小于70%)的VAV box數量。當低負荷數量大于死區數量時降低風機頻率。死區是指不作用區。設置死區數量主要是因為本案例的VAV box數量較多，為防止個別VAV box存在故障而引起風機頻率大幅波動，造成風管嘯叫，以及為方便后續精細化調適，各項自控參數均可調，如步長、上下限、死區數量等。

自控編程后，筆者基于自控系統的監控數據對變風量空調系統的控制功能進行了驗證，發現了以下問題。

1) 風機的變頻控制不穩定。這主要是因為變頻步長設置過大而死區設置數量較少。前文已描述系統的VAV box數量較多，個別VAV box的問題未整改或無條件整改，頻率步長過大則容易造成頻率變化過大。因此，通過降低變頻步長和調整死區設置數量來克服此問題。優化前后頻率逐時變化見圖13。

圖12 送風溫度控制原理圖

圖13 空調機組優化前后頻率逐時變化情況

2) 送風溫度設定值變化較慢。空調機組冬夏季均供冷，控制邏輯相同。精細化調適前，冬夏季的送風溫度初始設定值為15 ℃，調節范圍為12～22 ℃，造成冬季送風溫度變化較慢。調適后，夏季的送風溫度初始設定值為14 ℃，調節范圍為12～18 ℃；冬季的送風溫度初始設定值為20 ℃，調節范圍為16～22 ℃。送風溫度變化較為明顯。優化前后送風溫度逐時變化見圖14。

圖14 空調機組優化前后送風溫度逐時變化情況

3) 過渡季新風量、排風量很難達到設定值。經檢查發現，這主要是因為新、排風機組人為手動控制運行臺數和變頻，造成實際送風量滿足不了各樓層風量需求。參考變風量系統的風量控制原理，對新、排風系統進行控制優化，實現新風量和排風量變靜壓控制。優化前后見圖15。

聯合運行調適時僅驗證了控制功能的正確性不能滿足要求，還需對各項自控參數進行精細化調適，設定符合本系統的自控參數才能實現變風量系統的精準調節。

5.4 運行效果驗證

筆者梳理了案例運行過程中的VAV box典型問題及表征，結合貝葉斯原理建立驗證模型。整理與VAV box設備關聯性強的12個常見運行問題，作為效果驗證的目標，同時選取室內溫度為關鍵指標，以“室內溫度偏高/偏低”作為2個問題表征，典型問題和問題表征分別如表3、4所示。

表3 VAV box典型問題

表4 VAV box問題表征

構建貝葉斯網絡圖如圖16所示，其中1～12號分別對應典型問題F1～F12，13、14號分別對應問題表征E1、E2。選取300臺相同型號VAV box為樣本，其負責區域人員、設備、面積等運行工況相似。

圖16 VAV box效果驗證貝葉斯網絡

依據建筑實際情況和工程經驗對貝葉斯網絡模型中存在的條件概率進行賦值，確定先驗概率，并結合貝葉斯網絡迭代尋優，直到精度滿足要求，得到所有問題表征與典型問題對應的后驗概率。在模型應用時，輸入實際運行數據，基于后驗概率計算當前工況下故障問題的實際發生概率。通過貝葉斯網絡模型計算得到F1～F12與E1、E2對應的后驗概率，以F1～F3為例，如表5所示，其中L1表示滿足判定條件，即發生該故障問題；L2表示不滿足判定條件，即未發生該故障問題。

表5 問題表征-典型問題對應后驗概率

選取2019年3月逐時運行參數作為效果驗證樣本，使用貝葉斯模型進行計算，得到各類問題逐時實際發生的概率，每小時問題發生概率大于0.6則認為該小時內發生此問題。統計建筑3月內此300臺VAV box各問題出現的累計時長。如圖17所示，該建筑VAV box運行效果存在一定問題，其中F4、F6問題發生時間最長，即該建筑主要運行問題為最高風量設定值偏小和閥門強制控制。可見，該效果驗證工作能夠為后續調適、檢修等工作提供有效的指導意見。

圖17 VAV box運行效果驗證結果(2019年3月)

6 結語

以實際項目為例，介紹了變風量空調系統聯合運行調適方法，包括傳感器準確性驗證、執行器控制能力驗證、系統控制邏輯優化及驗證、運行效果驗證。在系統控制邏輯優化過程中，不僅要驗證自控系統是否實現控制邏輯的要求，還需特別關注自控參數的精細化調適，參數設定準確方能實現精細化控制的要求。另外，利用自控系統對運行效果進行驗證，及時準確判斷運行中的問題將是未來變風量空調系統控制需求的新方向。