针对VAV变风量系统控制的研究和探索（二）
作者：姜永东 朗德华信（北京）自控技术有限公司
张 野 清华城市规划设计研究院
概要：本文主要对VAV变风量系统中出现的高大空间场所控制问题、回风系统风量平衡问题、系统噪声问题、新风量控制问题、风量测量单元（FMS）的优势、控制策略选择和比较进行了分析、探讨，并提出了相应的解决方法。
关键词： 高大空间场所、风量平衡、噪声、新风量控制、风量测量单元（FMS）、总风量
引言：
在VAV变风量系统中，特殊条件下的控制系统和控制模式非常重要，是保证VAV系统稳定工作的重要手段，本篇文章专门就VAV变风量系统中暖通设计方面几个相对易出现的难题进行初步交流和探索。
一、如何解决VAV变风量系统中高大空间场所的温度均匀与局部温度控制：
在办公楼、酒店等建筑的大厅，以及展览馆、机场等特殊场合，经常会出现高大空间场所，其温度及局部温度控制成为难题。
从原理上讲：VAV变风量空调系统对室内空气温湿度、CO2浓度的控制通过送回风系统实现，送回风系统能否营造良好的室内气流组织是室内环境达到设计要求的关键，因此实现高大空间室内温度均匀分布，即是要求空气调节区的气流组织良好。
空气调节区的气流组织，指的是通过合理地布置送风口和回风口，使得经过处理的空气，由送风口进入空调区与室内空气混合、置换，均匀的消除空调区的余热余湿，并由回风口抽走室内空气，维持室内空气平衡，从而使空调区内形成比较均匀稳定的温湿度、气流速度和洁净度。
综上，为了实现高大空间的温度均匀，即应根据建筑情况，选择合理的送回风风口形式、气流组织方式，并通过设计、计算确定适合的气流组织设计，同时在运行过程中保持良好的气流组织。较为常见的高大空间气流组织形式和送风口形式如下：
A、顶部送风，顶部回风；风口型式常见喷口送风、旋流送风；
B、侧向送风，上送下回，喷口送风、百叶送风；
C、下部送风：包括置换通风、地板送风、岗位送风等，置换通风口、地板散流器。
1、对于高大空间场所送风系统常需要解决的关键点问题：
A、对于采用顶送顶回气流组织的高大空间，通过合适送风口均匀送风，相对集中布置回风。这种方式需注意上部回风口可能对附近送风口的送风气流产生影响，形成局部短路。回风口应尽量集中布置于大空间侧墙边，且回风口选择倾斜叶片线形风口（或可调百叶风口），风口叶片向侧墙倾斜。紧邻回风口的送风口也可选用倾斜叶片线形风口，风口叶片向远离回风口方向倾斜。
B、当出现类似演艺厅等观众席远离舞台方向逐渐升高的高大空间时，观众席（即工作区）距离送风口距离逐渐减小，其送风口应与舞台附近观众席区别对待，否则如统一按照最大高度计算送风气流射程，距离风口近的观众席处送风射流不能充分衰减，风速过高，局部过冷。可通过调整此处的风口送风方向或另行选择适合的风口尺寸及布置改善。
C、均匀的送风分配是良好的气流组织重要保证，需不仅仅在送风静压箱的主干管分支处设置调节阀、在线形风口送风软管处设置蝶阀，对带数个风口的中间支管同样设置风量调节措施，保证实现各风口均匀送风。
D、VAV变风量空调箱均为变频风机，但在实际运行时，当负荷减小时，应在保证气流组织不受明显影响的前提下减小送风量，否则应优先减小送风温差来适应负荷变化。
E、对于采用上送风的风口，应进行气流验算，校核送风气流射程是否达到地面上2m及工作区风速，确保其满足舒适要求。
F、在高大空间内常选用串联风机动力型末端，便于维持末端的送风量稳定，保持设计状态的气流组织。
2、对于高大空间场所局部温度控制采取的方法：
对于高大空间的小范围局部温度控制调节，上部送风方式很难实现，因为上部送风并非直接送风至工作区，局部改变某个末端的送风状态对此风口负责区域的空气参数有一定影响，但此区域同时也受到大空间其他区域的影响，因此无法精确控制。
不过，对于大空间内一定区域的整体控制则能够实现。首先在设计时明确哪些区域有独立控制的要求，将整个大空间按照控制要求划分区域，对不同区域分别布置送风主管、回风主管（只在不同区域可能有临时隔断时分设，如大空间始终是一整体，则对大空间统一回风即可），并在送风主管、回风主管上设置电动风阀，根据区域使用情况确定电动风阀启闭，同时空调箱送、回风机根据电动风阀开启状况变频运行。区域电动风阀开度也可根据区域温度传感器测温进行调节，可在一定程度内实现区域的独立温度控制。
需要指出，当大空间所有区域均有电动阀开度减小现象时，应通过空调箱变频统一减小送风量，以节约风机耗电；或通过空调箱统一调整送风温度，维持稳定的送风量保证气流组织。
二、对于VAV变风量回风系统的风量平衡解决方法：
1、国内常见的VAV变风量系统空调形式常有：
A、单风机空调箱+多层共用的总排风机和总新风机；
B、双风机空调箱+多层共用的总排风机和总新风机。
2、对于保持变风量系统风量平衡的可以采取如下措施：
A、单风机空调箱：保持总新风管道正压值、总排风管道负压值（通过压力测点压力值控制总新、排风的变频实现），并通过设定新风管、排风管定风量阀（CAV）设定值，控制系统新风量、排风量；则回风量根据送风机频率同步波动。通过室内外压差传感器测量值，调整排风管定风量阀设定值，维持室内正压。新风管定风量阀设定值大于排风管定风量阀设定值，保证室内微正压。
B、双风机空调箱：通过总新、排风机的控制，保证总新、排风管道的压力稳定；空调箱送风机、回风机连锁控制，同开同关，同步变频控制。同时根据室内外压差传感器测量值，调整回风机频率，当室内外压差大于10Pa时，提高回风机频率，当室内外压差小于5Pa时，降低回风机频率。
三、对于VAV变风量系统的噪声问题解决措施：
空调风系统的噪声包括风机噪声和气流噪声。对于变风量系统，其风机噪声又包含了空调机房内的空调箱总风机和风机动力型末端的风机。气流噪声指气流经过管道、管件、阀门、风口时产生的噪声。那么控制变风量系统的噪声需解决以下问题：控制机房风机噪声、控制气流噪声（包括送、回风系统）、控制VAV末端噪声。
1、易实现的空调机房风机噪声控制方法：
A、优先选用低噪声风机，必要时可调整系统规模，减小风机型号；
B、机房墙体要隔声，墙面、屋顶设吸声材料；
C、风机设减振，风机与管道软连接；
D、进出机房的风管设置消声器，消声器宜设置于机房外，且应紧邻机房隔墙安装。
2、在送、回风系统均有可能产生气流噪声，对其可采取以下控制方法：
A、管道布置合理（避免出现阻力损失很大的接管箱、弯头、小开度阀门）；
B、控制合理的管道风速、过阀风速；
C、控制合理的送风口、回风口风速
3、对于VAVBOX末端噪声控制方法：
由于VAV末端箱体直接放置于空调区域，其噪声控制尤为重要。VAV末端产生的噪音可通过送风和外壳传入室内，包括VAV末端的调节风阀在高速气流作用下产生的气流噪声和风机动力型末端本体的风机噪声。末端噪声可经风管、风口传播到室内，也会透过末端箱体，经房间吊顶辐射到室内。对VAV末端噪声，应根据末端样本的噪声数据认真分析计算和处理。
解决末端噪声有如下措施：
A、选用低噪音的VAV末端，从源头上降低辐射噪音。低噪音末端包含隔声吸声的箱体设计和设置减振的低噪音风机；
B、设计时合理选择VAV末端的最小、最大风量，减小阀门的气流噪声；合理布置末端与风口位置，减小风阻噪声；
C、优先选用型号较小的末端，如入口直径不大于300mm的VAV末端；
D、末端安装采用隔震吊架，VAV末端优先安装在非工作区（如走廊）;
E、VAV末端进出口加装消声器或使用消声软管；消音器尽量选择阻力损失小，且对低、中、高频噪音均有良好吸音作用的广谱消音器，如阻抗复合式消音器。
F、采用吸音效果好的吊顶材料。
四、对于VAV变风量新风系统控制的基本原则：
在空调季尽量减小新风处理负荷，措施是保持最小新风量运行、并通过转轮回收装置进行全热回收。
在过渡季保持最大新风量运行，尽量利用天然冷源给室内供冷。
在空调季最小新风比运行时，因负荷减小，总送风量减少导致新风量偏低、导致CO2浓度超标时，调整新排风比例，增加新风比，保证新风量。
下面以所在地为深圳市的一个建筑项目示例，通过气象情况分析VAV变风量系统过渡季全新风运行状况及控制策略。（分析采用的逐时气象参数为深圳市标准典型气象年参数，其数据来源为中国气象局与清华大学联合开发的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。图4.1、图4.2为深圳市室外全年逐时干球温度、含湿量曲线图，图4.3为根据逐时干球温度、含湿量计算的逐时室外空气焓值曲线。）
由深圳市气象数据可知，在过渡季室外空气最低温度达5℃左右，焓值低达20 KJ/Kg.干，分析可知，其过渡季的新风运行有三种情况：
1、新风焓值较室内焓值低很多，部分新风运行（新风机、送风机均变频），新风即可完全消除室内负荷，不开启冷冻机制冷，无回风；
2、新风焓值较室内焓值低，最大新风运行，新风可完全消除室内负荷，不开启冷冻机制冷，无回风；
3、新风焓值较室内焓值低，最大新风运行也不能完全消除室内负荷，此时开启冷冻机辅助制冷，无回风。
需要指出，新风焓值较室内焓值低时，全新风运行能节省部分制冷量，但是新风机耗电却增加了，因此需要确定一个合理的启动全新风的新风焓值，使得节省的冷机电耗大于风机电耗。如果设定的新风焓值过低，全新风运行的时间过短，不能充分利用新风冷量；反之，设定焓值过高，节省的冷机电耗不能抵消风机耗电，反而费能。因此由最小新风切换到最大新风的控制策略关键是确定室内设定焓值。对本项目全新风风机的配备进行初步计算，当回风焓值大于新风焓值5 KJ/Kg.干时，即可启用全新风运行。下表给出了不同室内设定焓值对应的全新风运行时间情况。
|
可全新风运行小时数 | ||||
|
室内参数 |
25℃，50% |
26℃，50% |
26℃，55% |
26℃，60% |
|
室内焓值KJ/Kg.干 |
50 |
53 |
56 |
58 |
|
启用全新风的新风焓值KJ/Kg.干 |
45 |
48 |
51 |
53 |
|
全年使用总小时数 |
3302 |
3302 |
3302 |
3302 |
|
全新风运行小时数 |
1002 |
1096 |
1199 |
1274 |
|
全新风运行比例 |
30% |
33% |
36% |
39% |
*注：上表计算时建筑使用时间已经去除国家法定节假日，上班时每天使用时间为7时~20时。
对于此项目全年具体的新风系统控制策略如下：
1、在空调季节，当回风温度低于室外新风温度4℃且回风焓值低于新风焓值4KJ/Kg.干时，启动转轮热回收装置，进入排风热回收工况；当回风温度低于室外新风温度不足4℃持续一段时间，停止运行转轮热回收装置，转入旁通新风工况。
2、空调季节，新风机排风机维持最小新风比运行。当回风的CO2浓度高于设定值时，提高新排风定风量阀风量（CAV）设定值，增加新风量；当回风CO2浓度低于设定值下限，减小新排风定风量阀（CAV）风量设定值，减小新风量。
3、当室外空气焓值低于启动全新风的设定焓值（室内设计焓值减5KJ/Kg.干）时，进入全新风工况，开启空调箱过渡季新风阀、关闭回风阀，连锁开启全部总新风机、总排风机。
当新风不能完全消除室内余热时，根据室内温度控制空调箱水阀开度；
当全新风可完全消除室内余热时，关闭空调箱水阀；
当新风温度过低，根据室内温度值调节新风阀、回风阀，减少新风量，增加回风量，新风机、送风机变频运行。
4、在全新风工况运行时，当室外空气焓值高于启动全新风的设定焓值，停止全新风运行，进入空调季工况。
对全新风、最小新风工况的转换不宜过于频繁，每天不应超过一次，系统切换策略需保证系统的稳定性。
五、对于VAV变风量系统中风量测量单元（FMS）种类建议：
由于变风量系统控制常采用静压控制，所以静压传感器的安装位置以及其精度直接影响系统的控制精度和准确度，常见的为在送风管路离风机2/3处安装静压传感器。
但是由于静压传感器经常受到空气脏堵，安装偏差等影响，常常出现不准确现象，建议将其更换为风量测量单元装置（FMS）最为理想，因为风量测量单元装置精度远高于静压传感器，并且直接输出风量信号，省却DDC风量计算环节的误差，会大大提高变风量控制的精度，从而使风量平衡成为必然。
六、变风量系统控制策略选择和比较：
目前变风量系统风机常用的控制方法有定静压、变静压和总风量三种，以下对几种方法做一介绍和对比：
1、定静压控制方法
此方法为在风道上合适位置选定一个测点，测量该点静压，调节风机转速保证该点静压不变。该方法一直存在着一些难于解决的问题：静压测点的位置，以及静压值的设定。可通过完善系统风道设计、尽量使主风道上静压一致改善上述问题，这样静压测点的放置和静压设定值的问题都相对简单。但是，设计系统和实际系统总是存在着一定的差异，实际运行和想象的很难真正做到一致。
具体做法通常是选主风道距风机出口2/3处(经验值)的静压为控制点，静压设定值取设计状况下的压力值并保持不变，这是为了保证每个末端在任何情况下都能调到最大设计风量。这种控制方法最为简单实用，基本能满足变风量系统的控制要求。但是，如果整个系统都处于部分负荷工况时，高静压设定值给风机增添了不必要的能耗，而且末端的风阀开度过小导致噪声很大。
2、变静压控制方法
变静压控制通行的思路是根据末端装置风阀开度随时调整静压设定值，使系统中至少有一个末端装置风阀的开度接近全开位置。以往的算法采用固定步长搜索法调整设定值。顾名思义，如果风阀没有达到开度设定值，就在压力设定值上增减一个固定数值，直到满意为止。然而步长大小难确定，选择太大易产生大的振荡，选择过小又导致调节过程太长。
为此，可允许一定量（Nmax）的末端风阀全开，使第Nmax+1个末端风阀的开度接近全开。当Nmax+1个末端风阀的开度超过某一上限设定值时，PID控制器根据偏差产生长高静压的输出。相反，当其小于某一下限设定值时，PID控制器输出降低静压的命令。
该算法的优点是采用PID算法“搜索”合适的静压设定值，比固定步长法响应速度快，精度高。不过，算法中的Nmax很难确定，而且当第Nmax+1个末端风阀的开度接近全开时，前N个末端的资用压力可能已经不足了。因此，将其改造为如下算法：
设定末端风阀最大开度Lmax.set；
协调级采集各末端风阀开度值；
从中选取开度最大的末端，以它的开度值Lmax与Lmax.set的差作偏差，采用PID算法计算送风压力设定值。
其最终送风压力仅为初始设定值的一半左右，所以可以大大节省风机功耗。这种方法不仅能够最大限度地节约风机能耗，而且不必考虑传感器的安放位置。变静压设定方法要求末端装置阀位信号输出。
由于变静压控制方法存在强耦合性和非线性，变风量系统的调试对系统的成败起了很大的作用。调试工作复杂、繁重，具有调试能力的公司并不多。
3、总风量控制方法
总风量控制方法在控制系统形式上，具有比静压控制简单得多的结构形式。它可以避免使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节；此外也不需要变静压控制时的末端阀位信号。这种控制系统形式上的简化，同时也带来了控制系统可靠性的提高。
总风量控制方式在控制点上是直接根据设定风量计算出要求的风机转速，具有某中程度上的前馈控制含义，而不同于静压控制中典型的反馈控制。但设定风量并不是一个房间符合变化后立刻设定到未来能满足该符合的风量（即稳定风量），而是一个由房间温度偏差积分出的逐渐稳定下来的中间控制量。因此总风量控制方式下风机转速也不是在房间负荷变化后立刻调节到稳定转速就不动了，它可以说是一种直接根据房间温度偏差由PID控制器来控制转速的风机控制方法，这是总风量控制方法的实质。
总风量控制在控制性能上具有快速、稳定的特点，不象压力控制下系统压力总是有一些高频小幅振荡，其主要原因是因为总风量控制方法取消了压力控制环节，而传统控制方式下由压力测量压差的存在，导致风机做出一些无谓的微小调节，使系统总不可避免地出现小幅波动现象。而且实际系统中压力测量误差更大，控制算法往往要对其进行简单的滤波处理，再用来控制风机，否则系统稳定不下来，正因为为总风量控制的这个优点，使得控制系统不仅减少了初投资，而且在初调试时还可以大大减少工作量，并提高控制系统的可靠性。
总风量控制在风机节能上介于变静压和定静压控制之间，并更接近于变静压控制。因为变静压控制算法较为复杂而且更容易引起系统压力振荡，所以总风量控制综合从控制角度和节能角度上考虑，不失为一种替代传统静压控制的有效方法。
参考文献：
1、《朗德华（LONGDHUA）自控产品手册》朗德华信北京自控技术有限公司
2、《采暖通风与空气调节设计规范》
3、<<Variable Air Volume Manual>> Herb Wendes, P.E，
4、《变风量空调设计》蔡敬琅
5、《暖通空调系统的计算机控制原理》 江亿
6、《山武公司楼宇自动化&暖通空调控制产品手册 2008版》
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来源：《智能建筑》第112期
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