变风量空调系统的优缺点

在各种空调方式中,VAV 空调系统有其自身的优点:
1、由于空调系统大部分时间在部分负荷下运行,所以风量的减少带来了风机能耗的降低和末端设备里的再加热器能耗的降低;
2、能实现局部区域的灵活控制;
3、利用系统多样性,可使中央系统的初始成本低;
4、同样,由于可利用系统的多样性,今后扩展的成本大大降低;
5、系统是自平衡的(Self2balancing) ,等等。

因此,国外智能大厦的空调系统多采用VAV 空调系统, 或与CAV 空调系统、FCU 空调系统相结合的方式。

虽然VAV 空调系统具有上述优点,但是它的控制却最复杂。

目前,VAV 空调系统的控制方式基本上采用多个回路的PID控制。

在系统模型参数变化不大的情况下,PID 控制效果良好。

但是,VAV 空调系统是一个干扰大的、高度非线性的、不确定性系统,这是由于:
1、外界气候和空调区域里的人员活动的变化很大,对系统形成很大的干扰;
2、空气调节过程是高度非线性的;各执行器的运行特性也是非线性的;
3、各个控制回路之间耦合强烈,完全解耦是不可能的;
4、随着时间的推移,设备会老化和更换,从而造成系统参数的变化。

5、在许多系统里,系统的数学模型很难建立。

所以, PID 控制的效果很糟糕。

在HVAC 控制领域,许多新的控制方法不断出现,如MacArthur 和Grald采用自适应控制方法,Dexter 和Haves运用自调节预测控制器。

但是,在将现代控制理论和大系统理论,运用到VAV 空调系统中时,由于它们的分析、综合和设计都是建立在严格和精确的数字模型之上的,所以同样遇到这样的问题。

而智能控制理论正是针对被控对象及其环境和任务的不确定性提出来的,在VAV 空调系统的控制领域应当具有广阔的前景。

目前,智能控制理论主要有三大方向,即,神经网络控制,模糊控制和专家系统。

它们在VAV 空调系统中主要用于诊断异常、预测能耗。

对于VAV 空调系统的控制,神经网络控制和模糊控制的研究都已经开始,而专家系统由于其知识库庞大,设计十分困难,目前尚难以应用过来。

下面,针对模糊控制、神经网络控制在VAV 空调系统中的应用作一点探讨。

二、模糊控制
模糊控制是基于规则的智能控制,以模糊数学为基础。

系统的基本结构如图1所示。

控制器由四个基本部件组成,即模糊化接口、知识库、决策逻辑单元、去模糊接口。

图1 模糊控制系统的基本结构
在过去的几年里,有一些应用于暖通空调系统的模糊逻辑控制,S. Huang 和R. M. Nelson〔7〕将PFC ( PID 和模糊控制相结合) 介绍进HVAC 控制领域并针对单元的二阶传函进行了仿真。

这两位作者又在〔8〕中介绍了一种模糊控制规则的调整方法,在〔9〕中应用于HVAC 系统的控制,用来控制一个热交换器的气动阀,将回风温度作为输入,实验结果显示该控制方案大大优于PID 控制。

这些控制思想同样可用于VAV 空调系统的控制。

Robert N.Lea 和Edgar Dohmann〔10〕应用模糊控制器控制压缩机、风机,输入是温度相对湿度和设定点,对 6 个区域进行调节。

So et al . 在〔11〕中推出了一种基于模糊逻辑的控制器,四个单元状态参数(供风风门后的压力,室内温度,室内相对湿度和供风温度) 靠调节五个执行命令(供风风机速度,供风风门角度,制冷水流速,再加热器的功率和加湿器的湿度比) 来控制。

模糊控制器的控制思路是将VAV 空调系统的状态参数作为输入,输出是VAV空调系统的执行命令。

一个简单的VAV空调系统的FLCD的方框图如图2 所示状态参数需要根据不同的控制方案来选取。

常规的模糊控制器,有许多不足之处,比如系统的上升特性不理想,超调大,调节时间长,甚至产生振荡,抗干扰能力差,稳态误差大,产生这些缺点的主要原因是常规的模糊控制器在结构上过于简单,在设计过程中也有许多主观因素,而且一旦模糊规则确定就不再变化等。

我们希望模糊控制器能够动态地调整自身,具有自学习能力,以达到预定的控制品质,现在模糊控制的一个重要研究方向是自适应模糊控制,主要有两种,模型参考自适应模糊控制(图 3 a) 和自校正模糊控制(图3 b) 。

模糊控制器可调整部分主要有:控制规则、隶属函数和规范化因子。

图2 模糊控制系统方框图
图3 a 模型参考自适应模糊控制
图3 b 自校正模糊控制器
各种智能控制方法之间的结合可以取长补短,如模糊神经网络控制,就是利用神经网络的自学习能力,还有与专家系统的结合,或者与经典控制方法、现代控制方法的相互结合,这些都是控制领域研究的前沿课题,需要控制人员深入研究,并尽快应用到VAV 空调系统中来。

三、神经网络控制
神经网络在HVAC 控制领域里的研究和应用更多。

Curtiss et al .〔12〕首先将其应用于热水盘管的热水阀的预测控制,该工作为以后的进一步研究提供了一个很好的基础。

它是以阀位、制冷负载、空气温度、空气流速、热水温度、热水流速以及它们的历史数据作为输入来预测制冷负载。

这几位作者在〔13〕中又推出了用神经网络对HVAC 中央单元AHU 进行能源管理,完成对各局部环的优化运行控制,这些神经网络控制的应用同样为VAV 空调系统的控制提供了许多思路。

神经网络控制一般是先辩识系统,辩识的过程就是对神经网络的训练过程对神经元之间的连接权值的修改过程,然后可用于优化控制。

由于神经网络的训练需要大量的时间,实时辩识很难做到,所以一般是在线辩识,实时控制。

如果在算法上可解决神经网络的训练时间问题,就可以做到实时辩识,实时控制。

一个VAV 空调系统中央单元的ANN 控制系统的简单方框图如图5 所示:
图5 VAV空调系统的ANN控制系统方框图
ANN 辩识器由三层神经元组成输入层、隐藏层和输出层, 训练样本的输入应
为系统在时刻t21 的执行动作(再加热器功率输出, 加湿器的输出, 供风风机速度, 制冷水水阀控制, 供风风门角度等)和表征系统特性的状态参数(室内温度,室内相对湿度, 供风风门后的压力, 供风温度, 供风风速, 回风风速, 供风含湿量等) , 输出应为系统在时刻t 的状态参数。

由于VAV 空调系统惯性很大, 同ANN 的训练速度相比, 单元特征变化很慢, 所以不会出现真正的控制问题, 一旦辩识结束, 控制过程就开始。

控制器调节时刻t的执行命令, 从而在下一时刻到达一个希望的控制。

控制的目的是用最小的时延和能耗来获得期望的室内温度和湿度等, 使系统的静、动特性能够满足性能要求。

所以, 控制器的目标函数应包括两个部分,一部分是有关设定点(如室内温度, 室内相对湿度, 供风机后压力, 或者PMV 指标等) , 一部分是系统总能耗(如风机功耗, 加湿器功耗等) , 具体参数的选取要根据所设计的空调系统和控制方案确定,并且可以调节它们之间的比例因子从而将侧重点放在任何一项上。

目前, 神经网络的训练主要采用BP算法, 但是BP 算法有两个突出的缺点: 收敛速度慢, 容易陷入局部最优。

而模拟退火算法、单纯形法和遗传算法( GA) 可用来解决这些问题, 尤其是遗传算法近年来的研究与应用日益受到重视。

但是GA 往往只能在短时间内寻找到接近全局最优解的近优解, 原因在于GA 的寻优过程是随机的, 带有一定程度的盲目性和概率性, 即使已经到达最优解的附近, 也很可能“视而不见”, 与其“擦肩而过”, 将BP 算法和遗传算法相结合就能
克服这些问题。

VAV空调系统及国内外发展状况
VAV 空调系统通过调节送风量(送风参数不变)的方法来保持室内温度不变,它可以节省为了减小送风温差所需的热量,而且还由于处理风量的减少,降低了风机电耗及制冷机的制冷量,该系统在综合节能上优于其他系统,全年节能20 %左右,系统运行费用相当经济,对于大容量的空调机组尤其显著。

该系统可以分别调节不同房间的室内温度,通过各个房间内的恒温器调节进入房间的风量,可以进行较好的空气过滤、消声等,便于集中管理,并且始终能保持室内的换气次数、气流分布和新风量。

目前我国正在运行的空调机组大部分是定风量运行的,由于过去人们对节能认识不足和变风量系统控制、运行较复杂及该系统的初投资较大,这些都限制了变风量系统的应用。

随着能源危机,节能已成为各行各业都在关注的问题,计算机的广泛应用,使控制系统的功能愈来愈完善,而且变风量空调系统的价格下调,已经可以与风机盘管加新风系统竞争。

在我国新设计的空调系统中有些已采用了VAV 空调系统,如东北电力集团总公司办公大楼等. 另外还有一些旧的空调系统如中国地震局减灾大楼等也改造成了VAV 空调系统. 国外对VAV 空调系统做了很多的研究和推广工作,他们已改造了许多旧的空调系统,在新的建筑中更
是广泛应用VAV 空调系统.
工作原理
变风量空调系统的基本原理是通过改变送风量以适应空调负荷的变化,维持空调房间的空气参数。

在空调系统运行过程中,出现最大负荷的时间不到总运行时间的10 % , 全年平均负荷率仅为50 % ,在绝大部分时间内,空调系统处于部分负荷运行状态。

变风量系统通过减少送风量,从而降低风机输送功耗,起到了明显的节能效果;而且,楼宇自控系统可根据当前的制冷(制热) 需要,调节冷水机组(热泵机组) 的制冷(制热) 能力及投入运行的台数。

根据工况需求,自动组合启动冷水泵、冷却水泵及冷却塔的投运台数,以达到最佳的环境控制和节能效果。

积极合理的自控系统有助于延长机组寿命,提高设备利用效率,使系统提供更舒适的环境,避免过冷,更容易达到设计要求。

变风量空调系统由空气处理机组、送风系统、末端装置及自控装置等组成,其中末端装置及自控装置是变风量系统的关键设备,它们可以接受室温调节器的指令,根据室温的高低自动调节送风量,以满足室内负荷的需求。

其他组成部分与定风量空调系统的作用基本相同。

图1 是一个单风道变风量空调系统的结构原理图。

以下通过回风循环来描述变风量系统的工作过程:房间内的排风一部分被排掉,一部分与新风混合,经过AHU 处理后
送入房间。

图1 单风道变风量空调系统结构原理图
全空气空调系统设计的基本要求是向空调房间送足够量的、经过一定处理的空气,用以吸收室内的余热和余湿,从而维持室内所需要的温度和湿度。

其基本计算公式为
L =3. 6Qqρ( hn - hs )=3. 6Qxρc ( tn - ts )
(1)式中L 为送风量,m3 / h ; Qq ,Qx 分别为空调送风所需要吸收的全热余热和显热余热,W;ρ为空气密度, kg/ m3 ; c 为空气的比定压热容, kJ /(kg ·℃) ; hn , hs 分别为室内空气比焓和送风状态空气比焓, kJ / kg ; tn , ts 分别为室内空气温度和送风温度, ℃。

定风量系统的送风量是按空调房间的最大负荷设计的,实际上房间负荷不可能总是最大值。

因此,当热负荷减小时就要提高送风温度,当湿负荷减小时就要提高送风含湿量来满足室内温、湿度的要求。

显然,热负荷减小时,需要增加再热量以提高送风温度,其结果是既浪费了热量又浪费了冷量。

变风量系统是根据瞬态负荷来确定送风量,送风量随负荷而变化,系统具有较大的节能潜力。

室温控制
变风量空调室温控制框图如图 2 所示,从图中可以看出,在该控制回路中使用了一个串级控制回路。

该控制回路主回路为一定值控制系统(将室内温度控制在一定值) ,副回路为一随动系统。

主调节器的输出能按负荷和操作条件的变化而变化,从而不断改变副调节器的给定值,使副调节器适应给定值并随条件而变化,即串级控制系统依靠其副回路,并有一定的自适应能力。

其中主控制器控制室内温度,副控制器控制风量。

温控器为主控制器,风量控制器(即VAV 控制器) 为副控制器,构成串级控制回路。

VAV 控制器将房间温控器检测到的实际温度和设定温度进行比较,根据比较的差值输出信号作为所需风量的设定值。

VAV 控制器根据设定值调节风阀,改变总风量,使室内温度保持在设定范围内。

图2 变风量空调室温控制框图
在系统模型参数变化不大的情况下,PID 控制效果良好,但变风量空调系统是一个干扰大、高度非线性化、不确定的系统,所以单纯的PID 控制效果并不好。

因此,本设计中将模糊(f uzzy) 控制与PID 控制相结合应用于变风量空调控制系统中[2 ] ,通过模糊控制在线调整PID 控制的参数,可以适应系统参数的变化,使变风量空调系统体现出节能与舒适的两大优势。

模糊控制与PID 控制相结合的基本思想是以偏差的大小来决定模糊控制和PID 控制的使用情况,在大偏差时采用模糊控制,在小偏差时采用PID 控制,完全适应于对动态特性要求不高而对稳态特性要求高的空调房间。

其控制系统流程如图3 所示,图中e( k) 为k 时刻的采样偏差值, e0 为允许偏差, y ( k) 为k 时刻的采样值, r ( k) 为k 时刻的输入值, c ( k) 为k 时刻的输出值。

f uzzy2PID 复合控制器按误差来决定采用的控制器种类: 当误差在大范围内时( 如为10 %～100 %给定量) ,则采用f uzzy 控制器来提高系统的响应速度等;当误差在小范围内时(对应0～10 %给定量) ,则采用PID 控制器来消除系统的稳态误差;两者的切换量(如10 %给定量) 起一开关作用,由软件来实现。

启动阶段,系统在f uzzy 控制器的
图3 控制系统流程
作用下快速启动;进入微调阶段,系统在PID 控制器的作用下消除误差。

这种 f uzzy2PID 复合型控制器综合了模糊控制和PID 控制的优点,方法简单,有效地提高了复杂控制系统的控制效果,具有较好的实用性。

变风量系统的末端装置
变风量空调系统主要是通过末端装置以室内温度的波动为控制信号来控制房间送风量,满足房间热湿负荷的变化和新风量要求,它的好坏直接影响房间的空气品质。

在国外变风量末端装置已经发展了20 多年,拥有不同的类型和规格。

其中变风量末端的种类可分为:单管型变风量末端、双管型变风量末端、风机动
力型末端、诱导型末端、压力相关型末端。

在实际工程中多采用单管型和风机动
力型末端(串联型和并联型) 。

变风量末端的控制方式有气动式控制、模糊
控制、DDC 控制。

近年DDC 控制通过精确的数字控制技术使得末端设备具有较好的节能性。

变风量末端装置的主要控制部分包括:
(1) 测量控制区域温度,通过末端控制器设定送风温度值。

(2) 测量送风量,通过末端控制器设定送风量值。

(3) 控制末端送风阀门开度。

(4) 控制加热装置的三通阀或控制加热器的加热量。

(5) 控制末端风机启停(并联型末端) 。

(6) 上传数据到中央控制管理计算机系统或从中央控制管理计算机系统下载控制设定参数。

2. 1 单管型末端
图1 单管型末端装置
2. 1. 1 单管型末端结构
单管型是结构相对比较简单的末端装置,基本结构如图1。

单管型末端是压力无关型末端,内部不设动力装置无能耗。

在入口管内装有测量流量和传递信号的压差流量传感器。

末端空气调节阀的选择很多,可采用单叶式调节阀、对开多叶式调节阀或蝶阀等。

为降低因节流产生的噪声,在箱体内衬吸声材料。

末端在出口段设有多出口箱,与多个送风软管相连接。

有些末端出口可达到6～7 个。

2. 1. 2 控制和运行
单管型末端主要是通过控制末端阀门的开度来调节末端送风量,即根据室温设定值与室温实测值的偏差计算设定风量值,再根据风量设定值与风量实测值的偏差来控制风阀开度。

随着房间冷负荷的增加,阀门开大增加送风量,反之相同。

若末端带有加热装置,单管型变风量末端可用于供暖。

但对空调机处理的冷空气进行加热会产生冷热抵消,浪费能量。

所以单管型变风量末端更适用在全年只有冷负荷的空调房间。

单管型变风量末端是结构最简单无能耗的末端装置,而且它的价格较低,对于国内的大型建筑,单管型变风量空调系统是降低建筑能耗和成本的较好选择。

2. 2 串联型末端
2. 2. 1 串联型末端结构
图2 串联型末端装置
基本结构如图2。

与单管型相比主要是在末端箱体出口处增加了一个末端风机,并且经过空调处理的一次空气和诱导的二次空气(室内回风) 混合后经过末端风机送入室内。

末端风机连续运转来克服末端阻力,满足室内送风量和气流组织要求。

一般末端风机为前倾式离心风机,电机效率较低,这必然导致系统总能耗的增加。

末端风机送风量满足房间最大负荷送风量,避免当房间达到最大负荷时一次风倒流入吊顶空间。

在诱导二次风入口处有过滤网。

在出口段与单管型类似可设加热器和多出口箱。

2. 2. 2 控制与运行
基本控制运行如图 3 所示。

设有最小、最大流量控制和启停加热器控制设定值。

温度控制器分别输出信号给末端控制器和加热器三通阀。

由于风机流量不变,当房间冷负荷增加一次风控制阀开大时,二次风将减少,使送风温度降低来达到房间要求,反之亦然。

当一次风降低到最小风量时,送风温度不再变化,室内温度开始下降,当降低到设定温度点时为最节能运行工况。

若温度继续降低直到加热器启动点时加热器启动,提高送风温度,房间开始供暖。

串联型末端的风机为定风量送风,通过改变送风温度来调节室内温度,并且通过直接数字控制技术同时控制风量和加热设备加热量,以保证控制达到整体最优操作。

2. 3 并联型末端
2. 3. 1 并联型末端结构
基本结构如图 4 所示。

并联型与串联型的根本区别就在风机位置和能耗问题上:并联型是来自于吊顶诱导的二次空气(室内回风) 先经过风机后再与经空调机处理的一次空气相混合,然后送入空调房间,仅有二次空气经过风机;而串联型则是先混合再进入风机。

在风机出口处设有止回阀,以免空气倒流。

其它部分结构均和串联型末端相似。

在运行中,并联型与串联型有较大区别。

并联型末端风机为间断式运行方式,随着房间负荷的变化来启停风机。

由于只有二次风经过风机,风机处
理风量小、噪音小、能耗低。

2. 3. 2 控制与运行
基本控制运行如图5 所示。

当房间需要热负荷时,一次风为最小设定送风量,送入房间的总风量为最大送风量的50 %～67 %。

当房间需要冷负荷时,增加一次风量降低送风温度来满足房间要求。

当冷量达到某一定值时,控制器输出信号停止末端风机运行即用一次风来满足房间冷量。

为防止一次风倒流到吊顶空间应设防倒流装置。

而且还要注意的是风机的启停控制是至关重要的。

系统应尽量避免风机频繁启停,保证系统稳定和减少室内噪声。

图5 并联型末端控制图
2. 4 两种末端型式的比较
单管型末端结构最为简单,末端不需动力装置、耗能小、价格相对较低。

这些优点使国内VAV 系统初投资高、运行复杂等问题得到解决。

但是对于内外分区的系统来说,单管型末端不能同时实现外区供暖内区供冷的情况,且送风量减小也可能影响室内气流组织。

串联型和并联型末端则能有效地解决这一问题。

串联型末端带有风机,使得出风口气流具有一定的速度,保证气流组织。

末端风机连续运转定风量运行,只是靠改变一次空气和回风混合比来满足室内要求。

当一次风处于最小送风量时,室内仍具有很好的气流组织形式。

所以串联型末端常与传统散流器风口配合,用于低温送风系统。

与低温相结合的VAV 系统可降低送风量、设备容量和管道尺寸等,从而得到进一步节电降耗[5 ] 。

但在低温送风系统中应注意在末端箱体内加绝热内衬,以防当低温空气流过时使金属外表面出现结露现象。

并联型末端虽然也带有风机,但风机动力小而且风机间断运行。

在风机不运行期间,可能不会保证良好的室内气流组织,且有可能会出现冷气流直接下沉现象。

所以与串联型相比,间断式运行的并联末端不宜用于低温送风系统。

总体来说,单管型末端适用内区常年供冷的系统,而外区则可用动力型末端来解决室内空气品质问题。

对于国内来说,这两种类型的末端仍是国内
VAV 系统主要使用的末端装置。

通过不断研究它们的性能特点,使不同类型的末端有机结合,最终能使整个系统运行达到最佳节能效果。

3 对变风量末端能耗的探讨
风机动力型末端因能保证良好的室内气流组织,在VAV 系统中得到广泛的应用。

其中以低温VAV 空调系统最为典型。

但动力型末端的优点是通过耗能实现的。

由于变风量末端风机和电机小,导致它的效率很低,因此末端的能耗问题就必须得到重视。

国外有研究表明[6] ,在低温VAV 送风系统中末端的能耗将有可能大于送风机的节能,这一结论使得设计者对动力型末端的使用甚至VAV 系统的应用都产生顾虑。

但是,随着技术的进步,目前各生产厂商都在不断提高末端产品的性能,较为显著的电机和风机效率低的问题已经得到很大的改善。

提高小风机效率,使用高效电机等使得末端的能耗明显降低。

所以对末端装置的能耗重新评估,准确定位动力型末端装置在系统中的使用就显得十分重要了。

此外,优化控制系统末端控制器、提高机电一体化技术和设备性能,尽快研究开发适合我国建筑环境的变风量末端,并使之应用于VAV 系统中以求达到降低初投资、节能降耗的目的,适应国内建筑需求。

VAV 空调系统的基本原理
全空气空调系统设计的基本要求, 是要决定向空调房间输送足够数量的、经过一定处理的空气, 用以吸收室内的余热和余湿, 从而维持室内所需要的温度和湿度。

送入房间的风量按下
式确定:
3.6 3.6()()
q
x n s n s Q Q L I I c t t ρρ==-- (1) 式中,L 为送风量,3/m h ;q Q 、x Q 为空调送风所要吸收的全热余热和显热余热,W; Q 为空气密度,3/kg m , 可取Q=1.2; c 为空气定压比热, kJ/ (kg ·℃) , 可取c=1.01;n I 、s I 为室内空气焓值和送风状态空气焓值, kJ/k g;n t 、s t 为室内空气温度和送风温度, ℃。

从(1) 式可知, 当室内余热x Q 值发生变化而又需要使室内温度n t 保持不变时, 可将送风量L 固定, 而改变送风温度s t , 这种空调系统称为定风量CAV (Constant Air Volume) 系统; 也可将送风温度s t 固定, 而改变送风量L , 这种空调系统则称为变风量VAV 系统。

VAV 空调系统是一种新型的空调方式, 在智能化大楼的空调系统中被越来越多地采用。

图1 是典型的VAV 空调系统示意图, 其主要特点就是在每个房间的送风入口处装一个VAV。