暖通空調變風量空調系統(tǒng)的控制

　　變風量空調技術的發(fā)展與其控制技術的發(fā)展同步進行，自控技術的突破與發(fā)展引領了變風量空調技術的發(fā)展。自變風量空調系統(tǒng)在我國應用以來，暖通空調和樓宇控制方面許多專家對該系統(tǒng)的控制策略和控制方式進行了大量研究，得到了豐碩的成果，推進了變風量空調技術的發(fā)展?！蹲冿L量空調系統(tǒng)設計》全面介紹了變風量末端裝置及其系統(tǒng)的控制原理和要求。童錫東等人在分析變風量末端裝置和空調方式的基礎上總結了各種變風量系統(tǒng)的控制特點。陳武等人根據(jù)變風量空調系統(tǒng)的熱力模型，通過仿真研究建立變風量空調系統(tǒng)的動態(tài)模型和風機控制方法。劉濤及胡益雄等人根據(jù)變風量空調系統(tǒng)的基本特點，研究了該系統(tǒng)及末端的模糊控制策略。李超等人與錢以明等人結合全空氣系統(tǒng)特點研究了變風量空調系統(tǒng)新風控制要求的控制策略。

　　在工程實踐方面，我國基本建立起從末端裝置、控制系統(tǒng)到運行調試的整個變風量空調系統(tǒng)供應體系。數(shù)百棟辦公建筑采用了變風量空調系統(tǒng)。但是，就已建成的采用變風量空調系統(tǒng)的辦公建筑而言，運行和控制效果良好的建筑物不是很多，節(jié)能的建筑物很少。究其原因，主要可歸納為以下幾方面。

　　1)設計方面：空調系統(tǒng)設計不合理，不能滿足或難以滿足空調使用和運行要求;變風量末端裝置選型不合理，偏大或偏小;空氣處理機組的組合方式不合理，其功能不能滿足使用要求，機組的風量或機外余壓偏大或偏小;控制策略和控制要求不明確，沒有向自控承包商提供要求明確的控制需求信息。

　　2)業(yè)主方面：將變風量系統(tǒng)中的末端裝置采購與控制系統(tǒng)采購分開進行，沒有一個承包商對整個系統(tǒng)負責;重視末端裝置與控制器等硬件設備，輕視調試等軟件服務，采購合同中服務部分所占費用比例較低，難以保證系統(tǒng)調試質量。

　　3)承包商方面：控制技術人員對變風量系統(tǒng)控制要求和策略不清楚;系統(tǒng)調試工作不夠精細和完整，在系統(tǒng)完成完全調試之前就提交業(yè)主使用;控制程序調用失誤、冬夏季工況轉換失誤、傳感器設置失誤、傳感器和控制器連線失誤等均會影響變風量空調系統(tǒng)的使用效果。

　　4)物業(yè)方面：管理人員不專業(yè)，對系統(tǒng)不了解，不能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設備運行故障，難以對系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能運行。

　　就變風量空調系統(tǒng)設計而言，合理的系統(tǒng)設計方案、正確的變風量末端裝置選型和清晰明確的系統(tǒng)控制策略是實現(xiàn)控制良好、經(jīng)濟節(jié)能變風量系統(tǒng)的基礎。本文側重探討變風量空調系統(tǒng)的控制，以期明確變風量空調系統(tǒng)的控制要求。

　　1 變風量末端裝置控制要求簡述

　　1.1 變風量末端裝置控制

　　常用的變風量末端裝置有單風道節(jié)流型、串聯(lián)式和并聯(lián)式風機動力型末端裝置。變風量末端裝置及其控制系統(tǒng)是集多種傳感器、執(zhí)行器及控制器于一體的機電一體化設備。該一體化裝置可檢測一次風風量和空調區(qū)空氣溫度值，調節(jié)一次風調節(jié)風閥和熱水再熱盤管電動調節(jié)閥，設定空調區(qū)空氣溫度值等。圖1為配再熱盤管的串聯(lián)式風機動力型末端裝置控制原理。在各種變風量機電一體化裝置中，該裝置的控制點最多，控制功能最復雜。

　　變風量末端裝置主要完成以下控制功能。

　　1)一次風量控制。變風量末端裝置的DDC控制器根據(jù)風量設定值與實測值的偏差信號比例積分調節(jié)一次風送風量。

　　2)再熱控制。變風量末端裝置一般采用熱水再熱盤管或電加熱器進行再熱。對于熱水再熱盤管，DDC控制器根據(jù)室內(nèi)溫度設定值與實測值的偏差，比例積分或雙位調節(jié)熱水再熱盤管供熱量;對于電加熱器，DDC控制器則以單級或多級調節(jié)電加熱器的加熱量。

　　3)末端裝置內(nèi)置風機控制。對于串聯(lián)式或并聯(lián)式風機動力型末端裝置，DDC控制器根據(jù)末端類型及運行工況，聯(lián)鎖啟停末端裝置內(nèi)置風機。一般情況下，串聯(lián)式風機動力型末端裝置內(nèi)置風機連續(xù)運行;并聯(lián)式風機動力型末端裝置內(nèi)置風機可間歇運行，也可連續(xù)運行。若間歇運行，小風量供冷或供熱時風機運行，大風量供冷時風機不運行;若連續(xù)運行，小風量供冷或供熱時風機運行，大風量供冷時定速或變速運行。

　　4)與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊。末端裝置DDC控制器根據(jù)需要可與中央監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)以下通訊聯(lián)系：室內(nèi)空氣溫度檢測值與設定值輸出;風量檢測值與設定值輸出;末端裝置運行狀態(tài)輸出;末端裝置調節(jié)風閥閥位輸出;室內(nèi)溫度再設定輸入;末端裝置運行狀態(tài)變更輸入等。

　　1.2 變風量末端裝置室溫傳感器設置

　　變風量末端裝置室溫傳感器主要有墻置式溫感器和吊平頂式溫感器兩種類型。對于小空間辦公室與會議室一般采用墻置式室溫傳感器，而對于大空間辦公室，可采用吊平頂式溫感器。室溫傳感器必須設置在溫度控制區(qū)內(nèi)通風、背陽處，切忌為圖室內(nèi)裝修美觀隨意設置在不通風的角落或將多臺末端裝置的室溫傳感器設置在一起;防止內(nèi)區(qū)室溫傳感器設置在外區(qū)熱風侵入處，外區(qū)室溫傳感器設置在內(nèi)區(qū)冷風侵入處或窗邊冷氣流下降處;設計時應根據(jù)空調系統(tǒng)要求，將室溫傳感器位置標在施工圖上，以免被室內(nèi)裝修設計師隨意設置。

　　2 變風量空調系統(tǒng)風量控制

　　變風量空調系統(tǒng)主要由機電一體化的變風量末端裝置、可實現(xiàn)變風量運行的空氣處理機組及風道系統(tǒng)組成。

　　2.1 空氣處理機組基本要求及其控制

　　變風量空調系統(tǒng)的另外一個主要部件是空氣處理機組。該空調機組一般采用組合機組，它可以是四管制或兩管制機組，可以是單風機或雙風機機組，也可以設置或不設置熱回收裝置。該空調機組的循環(huán)風機采用變頻裝置驅動，具有寬廣的工作特性，在頻率變化范圍內(nèi)及空調系統(tǒng)循環(huán)風量變化范圍內(nèi)能穩(wěn)定、高效運行，遠離喘振線。 圖2-5分別為單風機兩管制空氣處理機組控制原理圖、單風機四管制空氣處理機組控制原理圖、雙風機兩管制空氣處理機組控制原理圖及雙風機四管制空氣處理機組控制原理圖。

　　單風機兩管制空氣處理機組主要設備是空氣過濾器、冷熱水盤管、加濕器與風機。該控制系統(tǒng)應檢測回風溫度、回風濕度、空氣過濾器壓差、Y型過濾器壓差、送風溫度、送風濕度、送風管靜壓等信號;反饋風機狀態(tài)與故障信號和變頻器頻率信號;控制風機啟停、變頻器、新風與回風調節(jié)風閥、電動調節(jié)水閥、加濕器控制閥。系統(tǒng)根據(jù)送風溫度檢測數(shù)據(jù)控制冷熱水盤管電動調節(jié)閥開度;供熱工況下，根據(jù)回風濕度控制加濕器調節(jié)閥;根據(jù)變風量系統(tǒng)風量控制方法(定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等)調節(jié)變頻器頻率，實現(xiàn)風機變風量運行。

　　對于單風機四管制空氣處理機組，冷熱水盤管分成冷水盤管與熱水盤管，系統(tǒng)增加冷水盤管與熱水盤管電動調節(jié)閥的控制。

　　雙風機兩管制空氣處理機組主要設備是空氣過濾器、冷熱水盤管、全熱或顯熱熱回收裝置、加濕器與風機。該控制系統(tǒng)應檢測回風溫度、回風濕度、空氣過濾器壓差、Y型過濾器壓差、送風溫度、送風濕度、送風管靜壓、混風箱壓力等信號;反饋風機狀態(tài)與故障信號和變頻器頻率信號;控制風機啟停、變頻器、熱回收裝置旁通調節(jié)風閥、電動調節(jié)水閥、加濕器控制閥。系統(tǒng)根據(jù)送風溫度檢測數(shù)據(jù)控制冷熱水盤管電動調節(jié)閥開度;供熱工況下，根據(jù)回風濕度控制加濕器調節(jié)閥;根據(jù)變風量系統(tǒng)風量控制方法(定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等)調節(jié)變頻器頻率，實現(xiàn)風機變風量運行。

　　2.2　變風量空調系統(tǒng)風量控制方法

　　末端裝置與空氣處理機組風量控制是變風量空調系統(tǒng)最主要的控制內(nèi)容之一。當空調區(qū)域負荷減小、變風量末端裝置一次風量減少時，控制器應依照某種系統(tǒng)風量控制方法減小系統(tǒng)循環(huán)風量;反之，當空調區(qū)域負荷增加、變風量末端裝置一次風量增加時，控制器應增大系統(tǒng)循環(huán)風量。這種變風量運行是依據(jù)某種系統(tǒng)風量控制方法對變風量末端裝置和可實現(xiàn)變風量運行的空氣處理機組的系統(tǒng)風量控制實現(xiàn)的。

　　目前成熟的變風量空調系統(tǒng)的風量控制方法主要有定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等。變風量空調系統(tǒng)風量控制方法根據(jù)各溫度控制區(qū)實測溫度值與設定溫度值的偏差，調節(jié)一次風調節(jié)風閥的開度，檢測并控制送入該溫度控制區(qū)的一次風風量，實現(xiàn)溫度控制區(qū)溫度控制要求;系統(tǒng)根據(jù)送風管內(nèi)靜壓檢測值與設定值之間的偏差，或末端裝置調節(jié)風閥的開度，或末端裝置檢測風量之和與設定風量之間的偏差，調節(jié)空氣處理機組風機變頻裝置的頻率，實現(xiàn)風量調節(jié)與冷熱水盤管送風溫度的調節(jié)。

　　定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等各系統(tǒng)風量控制法均有其時代特色，在此本文不展開敘述。一般說來，定靜壓法歷史最悠久，節(jié)能效果較差，適用于大型、末端裝置數(shù)量較多且負荷變化規(guī)律不一致或空氣處理機組就位，環(huán)狀送風主管安裝完畢，但變風量末端裝置未定的空調系統(tǒng);變靜壓法和變定靜壓法比較節(jié)能，該風量控制方法適用于系統(tǒng)較小、變風量末端裝置數(shù)量不多且負荷變化規(guī)律較一致的空調系統(tǒng);總風量法的節(jié)能效果界于上述兩者之間，適用于枝狀管道為主的變風量空調系統(tǒng)。設計人員應根據(jù)系統(tǒng)特點和控制原理合理確定系統(tǒng)風量控制方法。從近10年變風量系統(tǒng)風量控制方法的發(fā)展來看，定靜壓法的應用將逐漸減少，總風量法和變靜壓加總風量法的應用將越來越多。表1為上述幾種常用的變風量系統(tǒng)風量控制方法的基本原理和特點。

　　3 系統(tǒng)新風控制

　　3.1 新風系統(tǒng)控制要求

　　定風量空調系統(tǒng)新風量控制比較簡單，一般采用手動調節(jié)新風閥與回風閥的開度，使系統(tǒng)滿足新風量需求。變風量空調系統(tǒng)因系統(tǒng)送、回風量在變化，空氣處理機組新、回風混合處的靜壓值也隨著變化，從而引起系統(tǒng)新風量的變化。因此，變風量系統(tǒng)必須進行新風量自動控制。

　　圖6-9為變風量空調系統(tǒng)常用的新風控制原理圖。

　　圖6為單獨配置熱回收裝置控制的單風機空調系統(tǒng)新風控制原理圖。在供冷與供熱設計工況下，系統(tǒng)按最小新風量運行，新風通過熱回收裝置回收排風能量后進入空氣處理機組;在過渡季節(jié)，熱回收裝置電動調節(jié)閥關閉，開啟熱回收裝置旁通電動調節(jié)風閥，加大系統(tǒng)新風量和排風量，實現(xiàn)風側經(jīng)濟器節(jié)能運行。

　　圖7為內(nèi)置熱回收裝置的雙風機空調系統(tǒng)新風控制原理圖。在供冷與供熱設計工況下，系統(tǒng)以最小新風量運行，新風經(jīng)熱回收裝置回收排風能量后通過空氣處理機組內(nèi)的冷熱水盤管，經(jīng)處理后送入空調房間;在過渡季節(jié)，熱回收裝置上下的旁通風閥打開，加大系統(tǒng)新風量和排風量，實現(xiàn)風側經(jīng)濟器節(jié)能運行。

　　圖8為單獨配置排風機的單風機空調系統(tǒng)新

　　風控制原理圖。該系統(tǒng)由可變新風量攝入的單風機空調機組與可實現(xiàn)變排風量運行的排風機組成。

　　排風機可以是單臺變頻調速風機，也可以是多臺定速風機。變頻驅動風機必須保證風量變化范圍內(nèi)風機的安全運行。在供冷與供熱設計工況下，系統(tǒng)以最小新風量運行，變頻排風機以最小風量運行，多臺定速風機開啟1臺風機;在過渡季節(jié)，系統(tǒng)開大新風調節(jié)風閥開度，關小回風調節(jié)風閥的開度，變頻驅動風機提高風機轉速，多臺定速風機開啟2臺或全開，加大系統(tǒng)新風量和排風量，實現(xiàn)風側經(jīng)濟器節(jié)能運行。

　　圖9為新、排風管設置定風量末端裝置的單風機空調系統(tǒng)新風控制原理圖。該系統(tǒng)方式在高層或超高層辦公建筑的核心筒內(nèi)設置空調機房比較合適。一般來說，空調機房內(nèi)設置一大一小兩根新風管和排風管，較小的新風管與排風管上設置定風量末端裝置，較大的新風管與排風管上設置電動調節(jié)風閥。在供冷與供熱設計工況下，系統(tǒng)以最小新風量運行，打開新風與排風定風量末端裝置，關閉新風與排風管電動調節(jié)風閥;在過渡季節(jié)，系統(tǒng)打開新風與排風電動調節(jié)風閥，根據(jù)實際情況打開或關閉新風和排風定風量裝置，加大系統(tǒng)新風量和排風量，實現(xiàn)風側經(jīng)濟器節(jié)能運行。

　　3.2 最小新風量控制要求

　　1)定風量末端裝置控制

　　定風量裝置是一種壓力無關型單風道變風量末端裝置，其風量設定值固定(也可再設定)。當裝置前后因壓差變化而引起風量變化時，裝置便通過調節(jié)風閥的開度進行補償，使流經(jīng)裝置的風量保持恒定。變風量空調系統(tǒng)常利用定風量裝置的這種特性來控制并保證系統(tǒng)最小新風量。有時還將定風量裝置設置在排風系統(tǒng)上，以控制系統(tǒng)最小排風量。

　　定風量裝置的額定風量有限，因此它一般用于中、小型變風量空調系統(tǒng)，其作用也僅限于最小新風量控制，不適合用于全新風或風側經(jīng)濟器運行。

　　2)新回風混合箱壓差控制

　　在圖10中，當系統(tǒng)處于最小新風量運行時，新風調節(jié)風閥關閉，新、排風閥開啟并作適當調節(jié)。在新、回風混合靜壓箱內(nèi)設置靜壓差傳感器，傳感器以室外空氣的靜壓值為零點。系統(tǒng)變風量運行時，當風量增加或減少引起混合靜壓箱內(nèi)的負壓值減小(或增加)、系統(tǒng)新風量減小(或增加)時，系統(tǒng)控制器將自動關小回風閥，以維持混合靜壓箱內(nèi)一定的負壓值(如-75Pa)。反之，則開大回風閥。 新、回風混合箱壓差控制法比較適合大、中型變風量空調系統(tǒng)。

　　雙冷源風冷型恒溫恒濕機組與普通風冷型恒溫恒濕機組相比，初投資一定會增加的原因：其一是空調機組的初投資增加;其二是空調水系統(tǒng)的初投資也相應增加，由于工藝性空調負荷僅占空調總負荷的1/4，空調水系統(tǒng)總干管的管徑增大不多，增加的費用主要是空調支水管及附件費用;其三是冷源及水泵的初投資增加，空調冷源的總冷量為15000KW，工藝性空調冷量為500KW，僅占空調冷源冷量的3.3%，因此，冷源及水泵的初投資增加有限;其四是空調自動控制系統(tǒng)的費用增加，由于控制室內(nèi)溫度的要求，空調水系統(tǒng)的電動控制閥的自動控制費用增加。

　　3.2 空調機組運行費用比較

　　從表2，3可以看出，雙冷源比普通恒溫恒濕機組初投資增加19.3萬元，增加比例20%;運行年耗電費用減少了18.4萬元，減少比例37%;初投資增加額的回收期為12.6月，僅一年多的時間就能回收，節(jié)能效果非常顯著。

　　4 結語

　　工業(yè)廠房工藝性空調在有集中冷源可提供冷水的前提下，采用單元式恒溫恒濕機時，建議優(yōu)先選用雙冷源恒溫恒濕機，其節(jié)能優(yōu)勢顯著。當采用組合式空調機組時，建議采用雙表冷器的方式，冷水表面冷卻器采用集中冷源，作為第一冷源，風(水)冷直接蒸發(fā)式空氣冷卻器作為備用冷源。使用時優(yōu)先使用集中冷源，在集中冷源停止供應時，自控切換為自帶冷源。

　　另外，筆者還有一個設想，目前的單元式雙冷源恒溫恒濕機組的冷水表面冷卻器與直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的連接方式為串聯(lián)式，建議增加另一種形式—并聯(lián)式，或者在串聯(lián)式的形式上設置旁通閥，以減少機組運行內(nèi)部阻力，進一步節(jié)省電能。

　　但增加旁通閥會使空調機組的體積增大，機組設計制造方面的難度會加大，能否實現(xiàn)還有待于空調設備制造商和暖通設計師的共同努力。