变静压控制在VAV变风量系统中的节能应用

变静压控制在V A V变风量系统中的节能应用引言
可变风量V A V系统是大型中央空调系统常用的配风设计，在V A V变风量系统中，特殊条件下的控制系统和控制模式非常必要，是保证V A V系统稳定工作和节约能源的重要手段。

特别在目前社会节能是追求低碳生活的一个主要考核指标，能源效益已成为设计空调系统时须考虑的一个重要因素。

控制系统的详细设计亦是对设计工作者的严峻考验。

变风量系统能实现局部区域的灵活控制。

可根据负荷的变化或个人的舒适性要求自动调节自己的工作环境。

送风风机是可变风量空调系统其中一个主要元件，占空调系统全年总耗电量的30%左右，因此改善送风风机的操作方式可起到节省能源及降低成本的效果。

传统的定静压控制方法
此方法为在风道上合适位置选定一个测量点，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。

变静压控制设计原理
变静压控制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。

即如果风阀没有达到开度设定值，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个末端的启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。

变静压控制操作原理
在采用变静压控制后，风机的静压不再固定，而是按冷量需求的变化不断调整，使关键区的可变风量空调箱风闸的开启幅度保持在预设范围内。

这种安排可以令由变速驱动器驱动的风机充分发挥其节能潜力。

简单地说，如关键区的可变风量空调箱的风闸开启幅度在预设下限以下（即节流幅度太大），控制器会慢慢降低静压设定点，令该区的送风风量下降，室内气温略为上升。

可变风量空调箱随后会调校风闸开启幅度，减少节流幅度，让更多冷风送到该区，令室温保持在设定温度。

另一方面，如可变风量空调箱的风闸开启幅度过大（例如超过90%），并持续一段时间，则该区的送风量可能不足以应付冷量需求。

控制器会提高静压设定点，让送风风机加速，供应更多冷风，以免该区送风不足。

若可变风量空调箱的大小设计正确，送风量增加会降低室温，而可变风量空调箱会因此情况而局部关闭风闸。

变静压控制节能原理
可变风量空调送风风机的耗电量与送风量及风机的静压升幅成正比。

送风量下降或静压升幅减少都会减少风机耗电量。

变静压控制有助节省能源，方法是减少送风风机的静压升幅，但却能把同等风量送到关键区域。

通过适当减少在关键区域可变风量空调箱的节流幅度，便可做到这点。

打开可变风量空调箱的风
闸多一点，风机便可以在较低静压下传送同等风量，并可以节能。

静压调整幅度随冷量需求及系统变化而改变。

实施变静压控制系统
变静压控制系统可由模拟电路或直接数码控制电路操作。

实施控制系统的先决条件是可变风量空调箱具备风闸位置回传讯号。

在这方面最大的困难是如何辨别出关键区。

具备分区直接数码控制的可变风量空调系统可以监控区内所有可变风量空调箱，无须辨别哪个受控制的可变风量空调箱为关键区，因此这种系统效果较佳。

下面图1为控制布置简图。

就直接数码控制而言，控制目标是至少保持其中一个可变风量空调箱风闸按预设幅度开启。

当所有可变风量空调箱风闸的位置都受到监控，开启幅度最大即会视为关键区。

有关系统会利用其可变风量空调箱风闸位置来决定送风风机的静压设定点，然后把设定点输入闭环路控制电路，以改变风机速度，从而达到控制目标。

虽然控制目标似乎很简单，但是必须小心校验系统，才能达到此目标。

根据经验，有两个难题需要解决：
1）稳定性
系统不稳定，可导致可变风量空调箱控制器及变静压控制器之间互相影响，在两个状态之间摆动。

控制系统应用于采用压力无关型可变风量空调箱的系统（这是可变风量空调系统现在常用的设计）就更容易出现不稳定情况。

压力无关型可变风量空调箱采用级联控制器，这种控制器根据房间恒温的温度读数，为可变风量空调箱设定流量。

可变风量空调箱会利用流量计回传的讯号控制风闸开启幅度，以符合有关设定点的规定。

较旧式的依压力调整可变风量空调箱的送风量可能会受上游静压影响，而压力无关型控制则可更准确地根据冷量需求来调整可变风量空调箱。

不过，该控制系统一旦与调校得不好（就回应时间和速度而言）的变静压控制系统结合，就会互相干扰，并有可能出现以图2所示的极不稳定方式摆动。

2）可变风量空调箱冷量不足的区域
如可变风量箱的冷量不足，将不能为该区供应足够冷风。

这种区域在需要冷量季节的大部分时间都达不到温度设定点，通常称为“失常区”。

可变风量空调箱冷量不足的原因，可能是选用了不合适的可变风量空调箱或该区热负荷较预
期大，令可变风量空调箱的风闸长期开启，几乎没有机会处于负荷未满的状态，亦即失去回应冷量负荷变化的能力。

变静压控制器会把这样情况视为需要增加静压的讯号，于是令风机加速，以满足需求，结果是变静压控制器表现欠佳而系统的静压徘徊在高压范围内。

解决有关变静压控制的问题
为了解决这些问题，制定良好的控制程序，在实施控制的程序过程中必须要有精确的校验过程。

要解决稳定性问题，可通过调整设定点降低的速度，把摆动减慢至可接受水平。

操作程序应容许静压设定点慢慢降低，以免出现不稳定情况。

不过，也许大家亦希望设定点的上调速度不要太慢，以免一旦冷量负荷急增，室内环境就变得不舒适。

因此，可容许设定点的下降及上调速度有所不同。

至于失常区，应在校验期间找出冷量不足的可变风量空调箱，方法是记录静压设定点及在管道内测到的实际静压。

如静压设定点是在静压带的中或低范围内，变静压控制器应操作正常，并且没有明显的可变风量空调箱冷量不足的区域，而有关系统应可节省一定能源。

不过，如数据显示设定点大部分时间都徘徊在高范围内，则可能有些区域的可变风量空调箱冷量不足。

在这种情况下，如经过检查后，发现向这些区域送风并非必要，则或可不理会这些区域。

结论：通过变静压控制达到节能效果
通过传统的定静压与变静压比较：
定静压控制是在送风系统管网的适当位置（常在离风机2/3处）设置静压传感器，在保持该点静压一定值的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。

定静压与变静压如下图
当空调负荷减小，相应地空调系统风量需要减小时，部分区域的变风量末端装置开度关小，此时系统末端避部阻力增加，管路综合阻力系数增加，管路特性曲线变陡，工况点由A→B，风量由QA→QB。

根据理论分析。

对于定静压变风量系统，风机功率的减小率基本上等于风机风量的减小率。

当风机风量全年
平均在60%的负荷下运行时，此时风机功率节约不到40%。

变风量控制是在保持每个V A V末端的阀门开满在85-100%之间，即使阀门尽可能全开和使风管中静压尽可能减小的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量
在这种控制方式下，由于阀门始终于85-100%之间，V A V末端装置局部阻力系统变化很小（可能增加，也可能减小），相应地，管路综合阻力系统S变化也很小，综合阻力曲线上升或下降幅度微小，当空调系统风量减小时，工况点A基本上沿管路综合阻力曲线变化到B点，此时QA→QB，HA→HB（由于管路综合阻力系数S的微小变化，系统实际运行工况点B点位置可能发生微小的振荡）。

对于变静压变风量系统，风机功率的减小率基本上等于风机风量减小率的三次方。

当风机功率全年平均在60%的负荷下运行时，此时风机功率节约能源率为（1-0.63）*100%=78.4%。

从而达到了节能的效果。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。