变风量空调系统全过程调适技术：联合运行调适方法*

中国建筑科学研究院有限公司 廖 滟 陈昭文 魏 峥 牛利敏 吴凌宇 张世栋北京美瑞泰富置业有限公司 景雪梅

0 引言

由于变风量空调系统具有舒适性高、调节性能好等优点，因此广泛应用于我国的高端办公楼中。但是，笔者通过对多个项目的现场评估发现，我国的变风量空调系统实际运行效果欠佳，多数项目在运行过程中直接变成了“定风量”空调系统，即风机频率维持在工频，或由物业手动设定，不能根据实际负荷需求自动变频。究其原因主要是施工过程中，空调专业与自控专业调适脱节、界限不清、管理混乱等。对于新建建筑或改造建筑，应从施工阶段开始重视全过程调适，预防问题的产生。变风量空调系统较常规空调系统自动化需求高，仅开展空调专业的调适不能实现变风量空调系统的自动运行。因此，对于变风量空调系统而言，调适中的关键一环是开展空调专业、自控专业的联合运行调适。

1 变风量空调系统的常见问题

基于笔者团队的工程实践，发现变风量空调系统中常见的与自控系统相关的问题包括：

1) 传感器的准确性较差。变风量空调系统中，最常见的现象是变风量末端装置(VAV box)的风量传感器的准确性较差，普遍原因是未进行整定。由于风量传感器与自控系统本身存在系统误差，且厂家与自控供应商不同，导致设备的机械部分与自控部分不匹配，因此需要在现场重新进行整定[1]。其他传感器出现准确性较差主要是由自控专业接线错误或传感器量程输入错误造成的。

2) 执行器控制效果较差。变风量空调系统的执行器包括组合式空调机组的电动风阀、水阀及VAV box的风阀等配件。由于接线错误或执行器卡死，开关控制的执行器经常会出现控制反向或不受控现象，具体原因需空调和自控专业同时调适发现。连续控制的执行器还经常出现无法完全关闭的情况，其主要原因为执行器未调零。

3) 控制功能错误。在空调设计时，仅仅记述了变风量控制需求，自控设计则根据需求设计控制点位，但两者都未对具体的控制功能进行设计或说明。在很多项目中，自控厂家仅仅是使用一个常用程序导入自控系统，未针对具体系统、具体需求进行编程，导致变风量空调系统不能满足用户的实际需求。

4) 参数设置或个别问题影响整体运行。在实际运行中，变风量空调系统控制参数的设置、个别问题的发生都会影响整个系统的运行。例如，静压设定值偏高、个别VAV box的采样管断裂等，从而造成机组一直工频运行。由于VAV box数量众多，在调适过程中，很难做到对所有设备进行检查和调适，一般都是按一定比例抽验。因此，在自控系统调适完成后，还应该进行运行效果全面验证，通过运行数据发现问题。

2 全过程调适技术体系

机电系统调适是通过对建筑机电系统的全过程检查、测试、调整、验证、优化等工作，使建筑机电系统性能、功能达到设计要求和使用要求，保证全工况高效运行、满足舒适要求的程序和方法。全过程调适技术体系基于全过程质量控制理念，结合我国工程建设管理现状，划分了调适阶段，制定了标准化的操作方法。全过程调适包含6个阶段：调适预检查、单机试运转、设备性能调适、系统性能调适、联合运行调适、季节性验证，见图1。以上工作跨越了建设施工阶段和运行阶段，其中联合运行调适是在施工阶段接近尾声、运行阶段即将开始时实施。全过程调适技术体系已在部分常规空调项目中采用，调适效果显著[2]。变风量空调系统的控制较常规空调系统复杂，因此联合运行调适方法不同于常规空调。变风量空调系统联合运行调适主要对自控系统进行测试和验证，确保变风量空调系统与自控系统的集成是可靠并优化的，因此需要跨专业来实施。

图1 全过程调适技术体系

3 联合运行调适方法

总的来说，联合运行调适是基于自控系统，对变风量空调的联合运行效果及性能进行动态验证和优化。对于变风量空调系统，联合运行调适主要在组合式空调机组、VAV box及相关自控系统同时作用时开展。笔者根据工程经验，总结了变风量空调系统联合运行调适方法，包括传感器准确性验证、执行器控制能力验证、系统控制逻辑优化及验证、运行效果验证。传感器和执行器验证主要是针对单点进行验证，确保单项功能正常。系统控制逻辑优化及验证是针对复杂的控制需求制定详细的逻辑，并验证逻辑是否满足运行要求。以上工作完成可实现当前工况下系统控制功能正常，但不能确保未来系统动态运行时所有设备正常运行、所有参数符合当前控制要求，因此需开展运行效果验证。运行效果验证是基于自控系统运行数据，及时甄别运行过程中的问题，提醒运维人员及时解决。具体如下：

1) 传感器准确性验证。① 检查所有传感器的型号、精度、量程与所配仪表是否相符，并进行刻度误差校验，检查是否达到产品技术文件要求；② 检查自控系统输入的传感器量程及电参数是否正确；③ 控制器读取的传感器数据与现场的测量值、状态是否一致；④ 现场测试需使用经标定过的准确仪器；⑤ VAV box的风量传感器读数偏差较大时需开展现场整定。

2) 执行器控制能力验证。① 对执行器进行动作特性校验，验证执行器的动作和动作顺序是否与设计的工艺要求相符；② 自控系统读取的执行器状态是否与现场的状态一致；③ 对调节阀和其他执行机构作调节性能模拟试验，测定全行程距离与全行程时间，调整限位开关位置，标出满行程的分度值，验证是否达到产品技术文件要求。

3) 系统控制逻辑优化及验证。① 基于设计原则及现有自控点位，对变风量空调系统的控制逻辑进行优化；② 自控厂家编程后，在系统运行时对控制逻辑进行验证；③ 通过验证发现的不合理问题及时调整相关参数或修改程序。

4) 运行效果验证。① 基于自控系统记录的运行数据及专家知识，建立变风量空调系统运行效果的贝叶斯模型；② 利用模型自动识别运行问题，提醒运维人员进行整改；③ 利用最新的自控数据不断修正模型，使模型持续适应当前空调系统。

4 案例介绍

某高端办公楼位于北京市朝阳区大望京2号地626地块，为超高层办公建筑。总建筑面积124 500 m2，其中地上建筑面积80 000 m2，地下建筑面积44 500 m2。其中4～40层为办公楼层(避难/机房层位于13、27层)。

该项目冷源系统为冰蓄冷系统，热源为市政供暖。办公楼层采用变风量空调系统，分为内外2个区。内区采用单风道变风量末端送风装置；电梯厅采用单风道变风量末端内置加热盘管；外区采用内置加热盘管的并联风机动力型变风量末端送风装置。新风由新风机组集中处理，在每层的入口设置定风量(CAV)阀。变风量机组的排风阀及过渡季新风阀均采用可测流量调节阀。

5 联合运行调适过程

5.1 传感器准确性验证

传感器准确性验证时需使用测量精度高的仪器，建议使用标定仪器。例如，风速测量仪器在其量程范围内的测量误差应在±5%之内。验证时需固定变风量空调机组和VAV box的各项执行器，防止验证过程中数据波动。案例中抽验的传感器包括：VAV box风量、VAV box温控器的温度、机组送风温湿度、回风CO2浓度、主管静压、送风风量传感器。验证结果如下。

1) VAV box风量。现场共抽验了52台VAV box，其中有7台VAV box显示风量与实测风量的偏差大于15%，其余45台则小于15%。偏差较大的VAV box直径均为203 mm(8英寸)。这说明厂家提供的风量计算系数与实际运行中的数值相差较大，因此现场对此型号VAV box的风量传感器重新进行整定，整定后复验结果显示，其准确性符合使用要求。整定结果见图2。

2) VAV box温控器的温度。在准确性验证前，已对安装位置进行了检查，对于不在控制气流中的传感器进行了移位。对21台VAV box温控器的温度传感器进行验证，结果见图3。由结果可知，其中12台的温度差值小于0.5 ℃，其余均小于1.0 ℃，说明温度传感器准确性较好。

图3 VAV box温度传感器验证结果

3) 机组送风温湿度。抽验了10台空调机组的送风温湿度传感器。从测试结果(见图4)可知，传感器准确性较好。

4) 其他传感器验证。在CO2体积分数、主管静压及机组送风量传感器验证时，笔者发现传感器的反馈值与实测值存在较大偏差。经检查，发现是自控系统输入的传感器量程范围与传感器的铭牌量程不符。以CO2体积分数为例，通过对25层和26层机组的抽验可知，传感器的反馈值远小于实测值，且小于室外浓度，见表1。经查验，CO2体积分数传感器的实际量程为0～2 000×10-6，自控系统设置为0～1 000×10-6。后经过程序修改，传感器可正常使用。

表1 空调机组回风CO2体积分数传感器验证结果

5.2 执行器控制能力验证

执行器验证前先将自控系统调整至手动状态，不受控制逻辑影响，然后手动给出控制命令，现场观察执行器动作。案例中抽验的组合式空调机组的执行器包括：电动水阀、CAV阀、过渡季新风阀、排风阀、回风阀、静电除尘器、变频器。验证数量为11台组合式空调机组及其负责的547台VAV box。

1) 组合式空调机组的执行器。

经验证可知，执行器出现各种问题的比例较高，产生的原因不仅有空调专业原因，还有自控专业原因，见表2和图5。例如，在验证的11台机组中，有10台变频器由于未进行参数复位而导致无法远程控制，比例高达91%。

电动水阀验证时发现水阀不受控，经现场确认，控制器反馈信号与输入控制信号相反。输入信号为10 V时，阀门全开，此时反馈信号为0 V，显示为关。经检查，发现是现场接线错误，除此之外，水阀接线还存在跳线问题，见图6。

表2 空调机组执行器问题表现及原因

图6 电动水阀接线

CAV阀的主要问题是中控显示无风量或无法控制风量问题，原因包括：采样管折断、程序错误。过渡季新风阀和排风阀均为可测流量调节阀，但安装后经常出现风阀关不严或无法控制风量问题，原因是阀门未调零、阀杆卡死。回风阀控制反向则是现场设置错误，重新调整图7中的设置旋钮后控制正常。静电除尘器经常出现故障报警，部分由于安装时挤压电极板造成变形从而短路，另一部分是自控专业接线错误或设定错误。变频器无法远程控制是因为设置时未进行参数复位。

图7 回风阀正反转设置

2) VAV box。

VAV box主要问题是阀门不可控或风量不可控，原因包括：执行器脱扣、程序错误、VAV box掉线、采样管脱落等，分布情况见图8。采样管容易脱落的位置有两处——传感器接口和执行器接口，见图9。

图8 VAV box各类问题分布

图9 采样管脱落位置

5.3 系统控制逻辑优化及验证

笔者基于设计原则及现有自控点位，对变风量系统的控制逻辑进行优化。自控厂家编程后，在系统运行时对控制逻辑进行验证。优化后，变风量空调机组的控制原理图见图10～12。

图10 变风量空调系统控制原理图

图11 变风机频率控制原理图

本案例的风量控制方法为变静压控制法。首先根据VAV box需求风量计算风机的初始频率，统计高负荷工况(风阀开度大于90%)的VAV box数量，当大于死区数量时，提高风机频率，反之统计低负荷工况(风阀开度小于70%)的VAV box数量。当低负荷数量大于死区数量时降低风机频率。死区是指不作用区。设置死区数量主要是因为本案例的VAV box数量较多，为防止个别VAV box存在故障而引起风机频率大幅波动，造成风管啸叫，以及为方便后续精细化调适，各项自控参数均可调，如步长、上下限、死区数量等。

自控编程后，笔者基于自控系统的监控数据对变风量空调系统的控制功能进行了验证，发现了以下问题。

1) 风机的变频控制不稳定。这主要是因为变频步长设置过大而死区设置数量较少。前文已描述系统的VAV box数量较多，个别VAV box的问题未整改或无条件整改，频率步长过大则容易造成频率变化过大。因此，通过降低变频步长和调整死区设置数量来克服此问题。优化前后频率逐时变化见图13。

图12 送风温度控制原理图

图13 空调机组优化前后频率逐时变化情况

2) 送风温度设定值变化较慢。空调机组冬夏季均供冷，控制逻辑相同。精细化调适前，冬夏季的送风温度初始设定值为15 ℃，调节范围为12～22 ℃，造成冬季送风温度变化较慢。调适后，夏季的送风温度初始设定值为14 ℃，调节范围为12～18 ℃；冬季的送风温度初始设定值为20 ℃，调节范围为16～22 ℃。送风温度变化较为明显。优化前后送风温度逐时变化见图14。

图14 空调机组优化前后送风温度逐时变化情况

3) 过渡季新风量、排风量很难达到设定值。经检查发现，这主要是因为新、排风机组人为手动控制运行台数和变频，造成实际送风量满足不了各楼层风量需求。参考变风量系统的风量控制原理，对新、排风系统进行控制优化，实现新风量和排风量变静压控制。优化前后见图15。

联合运行调适时仅验证了控制功能的正确性不能满足要求，还需对各项自控参数进行精细化调适，设定符合本系统的自控参数才能实现变风量系统的精准调节。

5.4 运行效果验证

笔者梳理了案例运行过程中的VAV box典型问题及表征，结合贝叶斯原理建立验证模型。整理与VAV box设备关联性强的12个常见运行问题，作为效果验证的目标，同时选取室内温度为关键指标，以“室内温度偏高/偏低”作为2个问题表征，典型问题和问题表征分别如表3、4所示。

表3 VAV box典型问题

表4 VAV box问题表征

构建贝叶斯网络图如图16所示，其中1～12号分别对应典型问题F1～F12，13、14号分别对应问题表征E1、E2。选取300台相同型号VAV box为样本，其负责区域人员、设备、面积等运行工况相似。

图16 VAV box效果验证贝叶斯网络

依据建筑实际情况和工程经验对贝叶斯网络模型中存在的条件概率进行赋值，确定先验概率，并结合贝叶斯网络迭代寻优，直到精度满足要求，得到所有问题表征与典型问题对应的后验概率。在模型应用时，输入实际运行数据，基于后验概率计算当前工况下故障问题的实际发生概率。通过贝叶斯网络模型计算得到F1～F12与E1、E2对应的后验概率，以F1～F3为例，如表5所示，其中L1表示满足判定条件，即发生该故障问题；L2表示不满足判定条件，即未发生该故障问题。

表5 问题表征-典型问题对应后验概率

选取2019年3月逐时运行参数作为效果验证样本，使用贝叶斯模型进行计算，得到各类问题逐时实际发生的概率，每小时问题发生概率大于0.6则认为该小时内发生此问题。统计建筑3月内此300台VAV box各问题出现的累计时长。如图17所示，该建筑VAV box运行效果存在一定问题，其中F4、F6问题发生时间最长，即该建筑主要运行问题为最高风量设定值偏小和阀门强制控制。可见，该效果验证工作能够为后续调适、检修等工作提供有效的指导意见。

图17 VAV box运行效果验证结果(2019年3月)

6 结语

以实际项目为例，介绍了变风量空调系统联合运行调适方法，包括传感器准确性验证、执行器控制能力验证、系统控制逻辑优化及验证、运行效果验证。在系统控制逻辑优化过程中，不仅要验证自控系统是否实现控制逻辑的要求，还需特别关注自控参数的精细化调适，参数设定准确方能实现精细化控制的要求。另外，利用自控系统对运行效果进行验证，及时准确判断运行中的问题将是未来变风量空调系统控制需求的新方向。