楼宇控制系统精细化调节——变风量控制

陈晓军 北京首都机场动力能源有限公司

楼宇智能化是信息化的重要组成部分，其提供的应该是一种优越的生活、高效率的工作环境：舒适性、高效性、方便性、适应性、可靠性、安全性。 空调系统的控制对楼宇环境起关键作用。

1 楼宇智能化的作用

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

（2）具有良好的节能效果。

（3）有效节省设备运行维护费用。

2 楼宇控制系统精细化调节——变风量控制系统

2.1 变风量空调系统（VAV）的组成

空调控制系统的精细化调节——变风量控制，是节能降耗的根本。变风量空调系统由空气处理机组、新风/排风/送风/回风管道、变风量空调箱、房间温控器等组成，其中变风量空调箱是该系统的最重要部分。由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的，因此可以大幅度减少送风风机的动力耗能。据模拟测算，当风量减少到80 %时，风机耗能将减少到51%；当风量减少到50%时，风机耗能将减少到15%。全年空调负荷率为60%时，变风量空调系统（变静压控制）可节约风机动力耗能78%。

2.2 变风量精细化调节的作用

（1）由于变风量空调系统是通过改变送入房间的风量来适应负荷的变化，所以风量的减少带来了风机能耗的降低。

（2）区别于常规的定风量或风机盘管系统，在每一个系统中的不同朝向房间，它的空调负荷的峰值出现在一天的不同时间，因此变风量空调器的容量不必按全部负荷峰值叠加来确定，而只要按某一时间各朝向负荷之各的最大值来确定。这样，变风量空调器的工作能力及风量比定风量、风机盘管系统减少10%～20%。

图1

2.3 变风量精细化调节的方法

（1）21世纪以来系统控制的稳定性和故障监测与诊断，从变风量控制系统的主从变风量(VAV)系统的特点、实施条件、可行性等几个方面都可解决。空调末端方式变风量(VAV)系统的时机已较成熟。其基本控制方法有：定静压方法控制、变静压方法、总风量控制等。

首先对VAV的变风量末端控制环节进行了分析。

（2）末端控制环路分析。以一个典型的变风量控制系统为例，末端控制环节的控制线路如图1所示。

从图1中可以看出，末端控制实际上使用了一个串级控制。使用这种串级控制的基本原因是末端流量控制和房间温度控制两个环节的时间常数差别太大。整个串级控制环路中共有两个是测量量，即温度、流量测量信号；直接设定参数一个，即设定温度Tset；中间变量一个，即设定风量Gset；及输出给末端的阀位控制信号C。

（3）通常情况下变风量空调系统是通过改变送入房间的风量来适应负荷的变化，而大型楼宇建筑则不同。例如机场航站楼、火车站等其立体空间较大，每层温湿度控制要求较高，避免出现层差，且因为楼宇结构设计基本要求空调设备应在地下设备层，所以变风量空调系统控制有一定的难度。

如图2所示空调机组在地下二层送风高至四层，每层根据要求约五六个出风口(VAV末端控制器控制封口风量)。为了保证每层温度相同，那么每层VAV控制器的设定温度则不同。考虑空气流动性根据季节不同控制理念也不同，冬季热空气上升若控制指标为20℃，高层VAV应设定为18℃或关闭，次层为19℃，最底层VAV控制器设定22℃或全开状态。夏季冷空气下降若控制指标为24℃，高层VAV应设定为18℃或全开，次层为19℃，最底层VAV控制器设定24℃或关闭状态。这样才能保证楼内温湿度均衡温差达到最小化。

此外，空调机组的变频控制是节能的主要环节。以静压控制为例，空调机组或新风机组常将风机装在最后，风机出口风速高，动压高，静压小，工程中常在出口处加装消声静压箱，降低动压，增加静压，同时起均流、消声作用。

变频器控制一般采用静压控制，静压监测点一般安装在送风道上，大空间楼宇建筑建议安装在主送风道上，不应装在分支。以图2为例：空调机组额定送风量68000m2/h、电机功率37kW、余压600pa,回风机额定功率18.5kW、风量57000m2/h、余压500pa，机组在满频50Hz运行，现场VAV风阀全部打开。实测静压值130pa（量程250pa）该值设定为静压Pset。每个VAV根据安装位置风道不同，风量修正系数不同，实际运行开度也不同，风量均匀分配。运行时每个VAV控制器根据其所在区域温度调节控制风阀开度。有VAV风阀关闭时，机组动压不变，静压值升高，变频器控制根据静压设定值调节使送回风机控制频率降低，动压减小静压值稳定在设定值。保证机组运行平稳，现场温度得以控制。

图2

3 变风量精细化调节——总风量控制方法的原理

3.1 总风量控制方法基本原理

通过对末端控制环路的仔细分析，发现了各个末端的设定风量Gset是一个很有价值的量，它反映了该末端所带房间目前要求的送风量，那么所有末端设定风量之和则显然是系统当前要求的总风量，并且体现了系统希望达到的流量状态。根据风机相似律，在空调系统阻力系数不发生变化时，总风量和风机转速是一个正比的关系：

根据这一正比关系，可以想到在设计工况下有一个设计风量和设计风机转速，那么在运行过程中有一要求的运行风量自然可能对应一要求的风机转速。虽然设计工况和实际运行工况下系统阻力有所变化，但可将其近似表示为：

如果说所有末端带的区域要求的风量都是按同比例变化的，显然这一关系式就足以用来控制风机转速了。

式中Ns为运行工况下风机设定转速；Nd为设计工况下的设计转速；Gs,i为运行工况下的第i个末端的设计风量；σ为所有末端相对设定风量的均方差；K为自适应的整定参数，缺省值为1.0；n为末端个数。

参数K是一个保留数，可在系统初调时确定，也可能通过优化某一项性能指标，如最大阀位偏差进行自适应整定，目的是使各个末端在达到设定流量的情况下，彼此的阀位偏差最小。

有了这个转速关系式后，就可实时根据末端设定风量的变化对风机进行转速调节。

3.2 总风量控制方法作用

总风量控制方法和静压控制方法一样能很好地完成变风量系统中的风机变频调节；系统运行稳定后，总风量控制下的系统压力最为稳定，表明总风量控制时出现系统振荡的可能性最小；.总风量控制在耗能上介于定静压和变静压控制之间。

4 结语

(1) 变风量空调技术的发明源于能源危机时期。中央空调是建筑物的耗能大户，变风量技术在不同程度上起到了一定的节能效果。

(2) 变风量空调技术调节在大型楼宇建筑温湿度控制中起关键作用。根据结构不同每个楼宇控制运行方案都不一样。环境温度的设定必须通过专业技术人员实际测试试验，才能根据不同区域设定相应VAV控制温度值，使楼内层温差降至最低。此外在变风量控制系统中风道的风平衡是很重要的，它直接影响现场的控制质量。

(3) 变风量控制在控制性能上具有快速、稳定的特点。它有多种控制方法如静压调节、总风量调节等。总风量调节增加了末端之间的耦合程度，现场VAV控制器工况情况，风量测量准确性，这种末端之间的耦合主要是通过风机的调节实现的。

在大型楼宇建筑中现场VAV控制器多达二三十台且风道分支较多，总风量调节不可能满足各个区域，VAV是串级调节，风量的改变直接影响总风量，对系统调节波动很大，末端VAV调节波动，一般不采用。静压调节通过压力反馈调节变频，调节有些滞后，但对现场影响不大，能保证公共区域送风平稳、舒适。所以，在大型楼宇建筑中公共区域控制一般采用这种方法。