針對VAV變風量系統(tǒng)控制的研究和探索

文｜朗德華信（北京）自控技術有限公司 姜永東

清華城市規(guī)劃設計研究院 張 野

1 引言

在VAV變風量系統(tǒng)中，特殊條件下的控制系統(tǒng)和控制模式非常重要，是保證VAV系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要手段，本文就高大空間場所VAV變風量系統(tǒng)中暖通設計方面幾個易于出現(xiàn)的難題進行交流和探索。

2 VAV變風量系統(tǒng)中高大空間場所的溫度均勻與局部溫度控制

辦公樓、酒店、展覽館、機場等建筑，經(jīng)常有高大空間場所，其溫度及局部溫度控制成為難題。

從原理上講，VAV變風量空調系統(tǒng)對室內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度的控制通過送回風系統(tǒng)實現(xiàn)，送回風系統(tǒng)能否營造良好的室內(nèi)氣流組織是決定室內(nèi)環(huán)境能否達到設計要求的關鍵，因為實現(xiàn)高大空間室內(nèi)溫度場均勻分布，要求空氣調節(jié)區(qū)的氣流組織良好。

空氣調節(jié)區(qū)的氣流組織，指的是通過合理地布置送風口和回風口，使空調機送出的空氣，由送風口不斷進入空調區(qū)，與室內(nèi)空氣混合、置換，能夠均勻地消除空調區(qū)的余熱余濕，并由回風口連續(xù)抽走室內(nèi)被置換的空氣，從而維持室內(nèi)空氣平衡，使空調區(qū)內(nèi)獲得符合設計要求的，比較均勻穩(wěn)定的溫濕度、氣流速度和潔凈度。

較為常見的高大空間氣流組織形式和送風方式如下：

◆ 頂部送風，頂部回風，送風方式有噴口送風、旋流送風；

◆ 側向送風，上送下回，送風方式有噴口送風、百葉送風；

◆ 下部送風，包括置換通風、地板送風、崗位送風等，風口型式有置換通風口、地板散流器。

2.1 高大空間場所送風系統(tǒng)通常需要解決的關鍵點問題

（1）采用頂送頂回氣流組織方式的高大空間，需注意上部回風口可能對附近送風口的送風氣流產(chǎn)生影響，造成局部短路。

（2）在演藝廳等遠離舞臺方向的觀眾席逐漸升高，隨著舞臺距離的增大，觀眾席（即工作區(qū)）與送風口的距離會逐漸減小。因此，應將遠離舞臺的送風口和舞臺附近的送風口區(qū)別對待，否則會造成距離風口近的觀眾席風速過高，局部過冷。應該調整此處的風口送風方向或另行選擇合適的風口尺寸及位置。

（3）均勻的送風分配是良好的氣流組織的重要保證，需在送風靜壓箱的主干管分支處設置調節(jié)閥，在線形風口送風軟管處設置蝶閥，對帶數(shù)個風口的中間支管同樣設置風量調節(jié)裝置，以保證實現(xiàn)各風口均勻送風。

（4）VAV變風量空調機均為變頻風機，在實際運行中，當負荷減小時，應保證氣流組織在不受明顯影響的前提下減小送風量（即采用風優(yōu)先控制策略），如無法保證，則應優(yōu)先減小送風溫差來適應負荷變化（即采用水優(yōu)先控制策略）。

（5）對于采用上送風方式的風口，應進行氣流射程和風速驗算，校核氣流射程是否能夠達到地面上空2m，以及工作區(qū)風速是否滿足舒適要求。

（6）在高大空間內(nèi)常選用串聯(lián)風機動力型末端，以便維持末端送風量的穩(wěn)定，保持設計狀態(tài)的氣流組織。

2.2 高大空間場所局部溫度控制采取的方法

高大空間的小范圍局部溫度控制調節(jié)難以通過上部送風的方式實現(xiàn)，這是因為上部送風并非直接送風至工作區(qū)，局部改變某個末端的送風狀態(tài)對此風口負責區(qū)域的空氣參數(shù)有一定影響，但此區(qū)域同時也受到大空間其他區(qū)域的影響，因此無法精確控制。

不過，對大空間內(nèi)一定區(qū)域的整體控制則能夠實現(xiàn)。首先，應在設計時明確哪些區(qū)域有獨立控制的要求，將整個大空間按照控制要求劃分區(qū)域，對不同區(qū)域分別布置送風主管、回風主管（只在不同區(qū)域可能有臨時隔斷時分設，如大空間始終是一個整體，則對大空間統(tǒng)一回風即可），并在送風主管、回風主管上設置電動風閥，根據(jù)區(qū)域使用情況確定電動風閥的啟閉，同時使空調機送、回風機根據(jù)電動風閥開啟狀況變頻運行。區(qū)域電動風閥的開度也可根據(jù)區(qū)域溫度傳感器測得的溫度進行調節(jié)，可在一定程度上實現(xiàn)區(qū)域的獨立溫度控制。

需要指出的是，當大空間所有區(qū)域中的空調機組DDC控制器均檢測到電動閥開度減小現(xiàn)象時，應通過空調機變頻統(tǒng)一減小送風量，以節(jié)約風機耗電；或通過空調機統(tǒng)一調整送風溫度，維持穩(wěn)定的送風量保證氣流組織。

3 VAV變風量回風系統(tǒng)的風量平衡問題的解決方法

（1）國內(nèi)常見的VAV變風量系統(tǒng)空調形式有：

◆ 單風機空調機+多層共用的總排風機和總新風機；

◆ 雙風機空調機+多層共用的總排風機和總新風機。

（2）為保持變風量系統(tǒng)風量平衡，可以采取如下措施：

①單風機空調機組：通過保持總新風管道正壓值、總排風管道負壓值（通過壓力測點測得的壓力值控制總送、排風機的變頻實現(xiàn)），以及設定新風管、排風管定風量閥設定值，控制系統(tǒng)新風量、排風量，保證回風量與送風機變速同步波動根據(jù)室內(nèi)外壓差傳感器測量值，調整排風管定風量閥設定值（須保證新風管定風量閥設定值大于排風管定風量閥設定值），維持室內(nèi)正壓。

②雙風機空調機組（如圖1所示）：通過總新、排風機的控制，保證總新、排風管道壓力的穩(wěn)定?？照{機送風機、回風機連鎖控制，同開同關，同步變頻變速控制；同時，根據(jù)室內(nèi)外壓差傳感器測量值，調整回風機頻率，當室內(nèi)外壓差大于10Pa時提高回風機頻率，當室內(nèi)外壓差小于5Pa時降低回風機頻率。

4 VAV變風量新風系統(tǒng)控制的基本原則

在空調季盡量減小新風處理負荷，措施是保持最小新風量運行，并通過轉輪回收裝置進行全熱回收。

在過渡季保持最大新風量運行，盡量利用天然冷源給室內(nèi)供冷。

在空調季中，以最小新風比運行時，因負荷減小，如果由于總送風量減少導致新風量偏低、CO2濃度超標，需調整新、排風比例，提高新風比，保證新風量。

下面以深圳市的一個建筑項目為例，通過氣象情況分析VAV變風量系統(tǒng)在過渡季的全新風運行狀況及控制策略。（分析采用的逐時氣象參數(shù)為深圳市標準典型氣象年參數(shù)，其數(shù)據(jù)來源為中國氣象局與清華大學聯(lián)合開發(fā)的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》。圖2、圖3為深圳市室外全年逐時干球溫度、含濕量曲線圖，圖4為根據(jù)逐時干球溫度、含濕量計算出的逐時室外空氣焓值曲線。）

圖2 深圳市室外空氣逐時干球溫度曲線圖

圖3 深圳市室外空氣逐時含濕量曲線圖

圖4 深圳市室外空氣逐時焓值曲線圖

由氣象數(shù)據(jù)可知，深圳市過渡季室外空氣最低溫度為5℃左右，焓值低達20kJ/kg.干，新風運行有三種情況：

（1）新風焓值較室內(nèi)焓值低很多，部分新風運行（新風機、送風機均變頻），新風即可完全消除室內(nèi)負荷，不開啟冷凍機制冷，無回風。

（2）新風焓值較室內(nèi)焓值低，最大新風運行，新風可完全消除室內(nèi)負荷，不開啟冷凍機制冷，無回風；

（3）新風焓值較室內(nèi)焓值低，最大新風運行也不能完全消除室內(nèi)負荷，開啟冷凍機輔助制冷，無回風。

需要指出的是，新風焓值較室內(nèi)焓值低時，全新風運行能節(jié)省部分制冷量，但是新風機耗電卻增加，因此需要確定一個合理的啟動全新風的新風焓值，使得節(jié)省的冷機電耗大于風機電耗。如果設定的新風焓值過低，全新風運行的時間過短，不能充分利用新風冷量；反之，設定焓值過高，節(jié)省的冷機電耗不能抵消風機電耗，反而費能。因此，由最小新風切換到最大新風的控制策略的關鍵是確定室內(nèi)設定焓值。對本項目全新風風機的配備進行初步計算，當回風焓值大于新風焓值5kJ/kg.干時，即可啟用全新風運行。表1給出了不同室內(nèi)設定焓值對應的全新風運行時間情況（計算時已經(jīng)將國家法定節(jié)假日從建筑使用時間中去除，上班時每天使用時間為7時至20時）。

表1 室內(nèi)設定焓值與全新風運行時間的對應關系表

此項目具體的全年新風系統(tǒng)控制策略如下：

（1）空調季節(jié)，當回風溫度低于室外新風溫度4℃且回風焓值低于新風焓值4kJ/kg.干時，啟動轉輪熱回收裝置，進入排風熱回收工況；當回風溫度低于室外新風溫度不足4℃的情況持續(xù)一段時間后，停止運行轉輪熱回收裝置，轉入旁通新風工況。

（2）空調季節(jié)，新風機、排風機維持最小新風比運行。當回風的CO2濃度高于設定值時，提高新、排風定風量閥風量（CAV）設定值，增加新風量；當回風CO2濃度低于設定值下限時，減小新、排風定風量閥（CAV）風量設定值，減小新風量。

（3）當室外空氣焓值低于啟動全新風的設定焓值（室內(nèi)設計焓值減5kJ/kg.干）時，進入全新風工況，開啟空調機過渡季新風閥，關閉回風閥，連鎖開啟全部總新風機、總排風機。

當全新風不能完全消除室內(nèi)余熱時，根據(jù)室內(nèi)溫度控制空調機水閥開度；當全新風可完全消除室內(nèi)余熱時，關閉空調機水閥。

當新風溫度過低時，根據(jù)室內(nèi)溫度值調節(jié)新風閥、回風閥，減少新風量，增加回風量，新風機、送風機變頻運行。

（4）在全新風工況運行時，若室外空氣焓值高于啟動全新風的設定焓值，則停止全新風運行，轉入最小新風量運行，進入空調季節(jié)工況。

對全新風、最小新風工況的轉換不宜過于頻繁，每天不應超過一次，系統(tǒng)切換策略需保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 對于VAV變風量系統(tǒng)中風量測量單元種類的建議

如果變風量系統(tǒng)采用定靜壓控制，靜壓傳感器的安裝位置（通常選在送風管路離風機2/3距離處）及其精度將直接影響系統(tǒng)的控制精度。

靜壓傳感器經(jīng)常因受到空氣臟堵或安裝偏差的影響，出現(xiàn)靜壓不準確的現(xiàn)象，而與此相比，風量測量單元裝置FMS（Air Flow Measuring Station）則較為理想。FMS的精度遠高于靜壓傳感器，并且直接輸出風量信號，消除了空調機組DDC在風量計算環(huán)節(jié)的誤差，可大大提高變風量控制的精度。

FMS設備可以按照相應位置的送風管路對其規(guī)格尺寸的要求進行匹配生產(chǎn)和安裝。其原理是通過在風管中安裝平均風速傳感器和靜壓傳感器，精準地算出相應的風量和靜壓，并且采取空氣過濾措施，保障傳感器的使用壽命和精度。

6 變風量系統(tǒng)控制策略的選擇和比較

目前，變風量系統(tǒng)風機常用的控制方法有定靜壓、變靜壓和總風量三種，以下對幾種方法進行介紹和對比。

6.1 定靜壓控制方法

定靜壓控制方法即在風道上合適位置選定一個測點，測量該點靜壓，調節(jié)風機轉速保證該點靜壓不變。該方法一直存在著一個難于解決的問題：靜壓測點的位置以及靜壓值的設定。可通過完善系統(tǒng)風道設計，盡量使主風道上靜壓一致，從而使靜壓測點的位置和靜壓值的設定變得相對簡單。具體做法通常是選擇主風道距風機出口2/3處（經(jīng)驗值）的靜壓為控制點，靜壓設定值取設計狀況下的壓力值并保持不變（這是為了保證每個末端在任何情況下都能調到最大設計風量）。這種控制方法最為簡單實用，基本能滿足變風量系統(tǒng)的控制要求。但是，設計系統(tǒng)和實際系統(tǒng)總是存在著一定的差異，實際運行效果很難真正做到同設計目標完全一致。此外，當整個系統(tǒng)都處于部分負荷工況時，高靜壓設定值會給風機增添不必要的能耗，而且末端的風閥開度過小會導致噪聲較大。

6.2 變靜壓控制方法

變靜壓控制方法即根據(jù)末端裝置VAV箱的風閥開度隨時調整靜壓設定值，使系統(tǒng)中至少有一個末端裝置風閥的開度接近全開。

以往的算法采用固定步長搜索法調整設定值，也就是說，如果風閥開度沒有達到設定值，就在壓力設定值上增減一個固定數(shù)值（步長），直到風閥開度達到令人滿意的程度為止。然而步長大小很難確定，選擇太大易產(chǎn)生振蕩，選擇過小又會導致調節(jié)過程太長。

為此，可允許一定量（Nmax）的末端風閥全開，使第Nmax+1個末端風閥的開度接近全開。當?shù)贜max+1個末端風閥的開度超過某一上限設定值時，PID控制器根據(jù)偏差輸出提高靜壓的命令。相反的，當其小于某一下限設定值時，PID控制器輸出降低靜壓的命令。

該算法的優(yōu)點是采用PID算法“搜索”合適的靜壓設定值，比固定步長法響應速度快，精度高。不過，算法中的Nmax很難確定，而且當?shù)贜max+1個末端風閥的開度接近全開時，前Nmax個末端的資用壓力可能已經(jīng)不足了。因此，將其改造為如下算法：

◆ 設定末端風閥最大開度Lmax.set；

◆ 協(xié)調及采集各末端風閥開度值；

◆ 從中選取開度最大的末端，以它的開度值Lmax與Lmax.set的差作偏差，采用PID算法計算送風壓力設定值。

經(jīng)過修改之后，最終送風壓力往往僅為初始設定值的一半左右，所以可以大大降低風機功耗。這種方法不僅能夠最大限度地降低風機能耗，而且不必考慮傳感器的安放位置。但是，變靜壓控制方法需要末端裝置VAV箱閥位信號輸出；此外，由于變靜壓控制方法存在強耦合性和非線性，變風量系統(tǒng)的調試對系統(tǒng)的成敗具有很大的影響，而調試工作復雜、繁重，具有調試能力的公司并不多。

6.3 總風量控制方法

總風量控制方法比靜壓控制簡單得多。它可以避免使用壓力測量裝置，減少風機的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)；此外，它也不需要變靜壓控制方法所需的末端閥位信號。

總風量控制點是直接根據(jù)設定風量計算出的風機轉速，具有某種程度上的前饋控制含義，而不同于靜壓控制的反饋控制。但設定風量并不是一個當房間負荷變化后立刻設定到未來能滿足該負荷的風量（即穩(wěn)定風量），而是一個由房間溫度偏差積分出的逐漸穩(wěn)定下來的中間控制量，因此在總風量控制方式下，風機轉速也不是在房間負荷變化后立刻調節(jié)到穩(wěn)定轉速就不動了。從實質上來講，總風量控制方法可以說是一種直接以房間溫度偏差為依據(jù)，由PID控制器來控制轉速的風機控制方法。

總風量控制在控制性能上具有快速、穩(wěn)定的特點，不像壓力控制那樣，總是會使系統(tǒng)出現(xiàn)一些高頻小幅振蕩。其主要原因是總風量控制方法取消了壓力控制環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)控制方式由于存在壓力測量壓差，導致風機做出一些無謂的微小調節(jié)，使系統(tǒng)總是不可避免地出現(xiàn)小幅波動現(xiàn)象。而且實際系統(tǒng)中壓力測量誤差更大，控制算法往往要對其進行簡單的濾波處理，再用來控制風機，否則系統(tǒng)穩(wěn)定不下來。正是由于總風量控制的這個優(yōu)點，使得控制系統(tǒng)不僅減少了初投資，而且還可以在初調試時大大減少工作量，并提高控制系統(tǒng)的可靠性。

總風量控制在風機節(jié)能上的效果介于變靜壓和定靜壓控制之間，并更接近于變靜壓控制。因為變靜壓控制算法較為復雜而且更容易引起系統(tǒng)壓力振蕩，所以從控制角度和節(jié)能角度上綜合考慮，總風量控制不失為一種替代傳統(tǒng)靜壓控制的有效方法。