关于变风量系统的案例

技术瞭望—大系统多区域变风量空调系统（VAV）的控制策略变风量空调系统是一种通过改变送入各房间的风量来适应房间负荷变化的全空气系统，它由空气处理机组（AHU）、风道系统、变风量末端（VAV-BOX）、房间温控器等几部分组成。

具体来说，变风量系统是通过变风量末端调节末端风量来保证房间温度，同时通过变频调节送、回风机的转速来维持系统的有效、稳定运行，并动态调整新风量，保证室内空气品质及有效利用新风能源的一种高效的全空气系统。

此系统上世纪60年代起源于美国，80年代开始在欧美、日本得以迅速发展，推动其发展的重要原因是节能优势，易于多区控制及舒适。

经过多年的发展完善，变风量空调系统在欧美日发达国家的中央空调系统应用率高达30%。

1 变风量VAVBOX的分类和控制原理研究末端装置是改变房间送风量以维持室内温度的重要设备，有如下几种分类方法：按照是否补偿压力变化，有压力有关型和压力无关型。

从控制角度看，前者由温控器根据温度的大小直接控制送风阀；后者除了温控器外，还有一个风量传感器和一个风量控制器，温控器为主控器，风量控制器为副控器，构成串级控制环路，温控器根据温度偏差设定风量控制器设定值，风量控制器根据风量偏差调节末端装置内的风阀。

当末端入口压力变化时，通过末端的风量会发生变化，维持原有的风量；而压力无关型末端可以较快地补偿这种压力变化，维持原有的风量；而压力有关型末端则要等到风量变化改变了室内温度才动作，在时间上要滞后一些，效果也差了很多。

价格上，压力无关型要比压力有关型高一些，目前我们在工程实施上大部分采用压力无关型。

按照有无末端混风机来分，有带风机和不带风机两种末端。

带风机的末端可以在小风量或低温送风系统中保证室内一定的气流组织。

按照风机和一次风的关系，带风机的末端又可分为带并联风机的末端装置和带串联风机的末端装置。

串联型：由于进风口、风机、出风口直接连通，故称为串联型（如图1所示），又因其出风口总风量是固定的，只能通过位于进风口处的风阀进行一次风量的变化调节，所以也被俗称为固定风量的，一般适用于电梯厅或会议室层高较高的场合。

并联型：由于进风口、出风口直接连通，风机和回风口并在BOX的一侧，故称为并联型（如图2所示）。

总风量比单风道要大，控制效果明显，一般适用于靠窗的外围区域。

串、并联型风量控制曲线图分别见图3、图4。

另外，为了丰富末端装置的功能还有附设消声、盘管再热及电热功能。

2 空调机组的工艺方式针对高档的办公大楼都集中在闹市区，土地成本高，设计的大楼档次比较高，充分考虑人体的舒适性指标，衡量人体舒适性的指标依次为温度、湿度、含氧量、气流组织、太阳光辐射、衣着因素，其中关键指标为温度，一般空调设计在满足舒适要求的情况下，尽量减少辅助用房的面积。

每个办公房间属于私密空间，房间的温度根据客人的冷暖需求能够自动进行调节，在暖通空调设计中就充分考虑到这些方面，现以北京某石油大楼的暖通空调系统为例：该大厦为组合式主体建筑，共有四个塔楼，地面22层，地下4层。

主楼高度为90米。

建设用地占地22519.884平方米，地上建筑面积为144959平方米，地下建筑面积为55879平方米，总建筑面积为200838平方米。

容纳办公总人数约2500人。

是集办公、会议、商务、餐饮、文体活动的多功能建筑。

首层到四层为大楼的裙楼，功能定位为大堂、银行、数据中心、中控机房、消防控制中心、会议区、数据中心等，除对数据中心采取集中几台的定风量空调机组控制房间的温度，另外的几个公共区域一般采用同层的变风量空调末端来实现空调功能。

5楼以上是由四个独立的塔楼构成，本文着重介绍该部份的空调系统，该空调水系统采取四管制，冷热水管分别设置，加湿采用电热式蒸汽加湿方式。

所有的房间采取全空气变风量（VAV）系统，采取6层标准层共用二台空调机组并联集中送风的空调模式（见图5），每一楼层的送风管加装一个手动平衡阀，送风机采用变频式，新风采用倒装的BOX能准确测量新风的风量，回风机根据送风量及回风量的风量关系进行自动跟踪，楼层平面上没有单独设立回风管道，房间的空气先到天花板内，楼层的天花板都联通的，然后通过多个回风口，回到空调机组中。

新风系统采取屋顶集中送风方式，由竖井到有空调机组的相关楼层内。

为了保证房间的微正压，一般采取幕墙排风的方式。

该塔楼设计的空调系统与常规空调系统有着根本的区别，平时我们实施的都是一台空调机组送同层的几个房间的空调模式，该系统特点是房间数量小，负荷比较相近，系统比较容易实施。

由于此次讨论二台空调机组兼顾六层几十个房间，房间之间的负荷参差不齐，扰动也大，每个房间风量之间又互相耦合，因此必须考虑房间风量的稳定性，风量的可变性以及温度的准确性。

该工艺特点导致房间温度变化纯滞后时间比较长，每个房间的需求又不一样，对自控提出了很高的要求，下面着重分析如何解决上述难题。

3 先进的控制网络平台为了实现上述复杂的自控目的，空调自控系统采用当今最先进的系统平台美国Tridium公司的Niagara，它基于完全开放的Internet标准（JAVA、CORBA、HTML、XML），同时综合了最常见的现场总线标准以实现设备间的无缝连接，它的监控平台采用了当今世界流行的Windows操作系统完全相同的体系结构，可方便地开发出今后大楼所需的许多增值服务（如：实现全球范围的电子政务、电子商务、全球物流管理、远程监督管理各分支系统、能耗的统计、计费及控制，……），为系统的扩展提供极大的方便性。

该系统应用采用三级联网通信结构，第一级采用Jace（相当于控制器）设备，该体系采用TCP/IP通信网络结构，也可以本地独立于服务器自身单独运行，一般放置于每一楼层的弱电井道内。

第二级为具有LON结构的输入输出模块或modubus、bacnet等协议的设备。

第三级为通用的现场自动化仪表，如温湿度传感器、CO2变送器，以及相关的执行机构，如水阀驱动器及风阀驱动器。

从系统垂直机构来看，系统运行起来将具有相当的可靠性，见图6系统网络图。

由于Niagara体系结构采用了Java技术，所开发的Applet可在不同的操作系统中重复使用，同时可将安全验证深入到每个控制动作（也就是说对于不同的登录用户，所能控制的设备可以不同）。

Niagara framework软件为集成数据而设计，可与多个不同协议、多种设备之间连接，比如符合美国ECHELON公司的LONMARK协议的设备，楼宇自动化标准协议的BACNET设备，电力系统的标准协议的MODBUS设备，以及非标的只要具有详细输入输出文本格式，物理连接方式为RS485或RS232的有关设备，因此又称为万能平台。

楼控的控制数据是实时变化的，需要对现场设备的温度压力流量参数必须进行快速的检测，将采集到的数据进行简单处理，比如通过单PID、串联控制等简单控制模式以后再输出到现场的控制设备，这些工作都在现场楼层级的JACE内完成。

中央服务器的数据信息处理与控制领域数据处理刚好相反，信息领域是以数据为中心的，它只关心数据和来自于这些数据的信息，它是事务处理环境，比如我们对空调机组送风温度的优化再设，送风机送风频率的控制以及当用鼠标翻页才会利用CPU去处理，信息被显示时通过Internet更新。

大部分数据信息不需要实时发生的，通过面向批处理就可以，这样有效地降低运行内存容量，提高关键数据的实时性。

4 针对大系统相关控制的描述及相应决策尽管工艺系统设计是最先进和最合理的，但要达到设计的要求，必须由先进复杂的自控系统来实现。

中央空调系统的温度控制的特点是大纯滞后，系统容量大，反映慢。

比如，对于一个大房间的温度控制，如果采取简单的单回路控制是很难满足房间温度要求的。

何况二台空调机组集中对几十个房间进行控制，保证每个房间合适的温湿度及低噪音的人工环境，难度可想而知。

因此我们在熟识工艺的基础上，提出风平衡控制方法，首先从最远的VAV房间到近端的VAV空调系统，从支管到干管，再到层之间的风平衡。

从调节的角度来说，我们采取的过程为先“量调”到“质调”，风量的调节为“量调”，温度的调节为“质调”，总体的思想是“调一调”、“看一看”、“变一变”的总体控制原则来实现的。

下面从以下几个方面进行详细的阐述：4.1房间末端的控制上节介绍变风量末端设备的类型，对于不同设备的控制模式在不同的工况下是不同的，控制模式的种类具体分为COOL、AUTO、HEAT三种。

在自动调节过程中，尽量扩大单个VAV的风量可调比。

若VV（单风道）设成HEAT模式，若设定温度高于房间温度开大风阀，直至房间风量为最大为止。

若设定温度小于房间温度关小风阀，直至房间风量为最小为止。

若VV（单风道）设成AUTO模式，若设定温度高于房间温度关小风阀，直至房间风量为最小风量为止。

若设定温度小于房间温度开大风阀，直至房间风量为最大风量为止。

对于VVC（单风道+盘管）设备，增加了加热功能，如果此时房间温度还低于设定温度0.5℃以上，且送风量必须要大于再热风量，只有两个条件同时满足才会开热水阀，当房间温度大于设定值，先关闭热水阀。

若将设备设成COOL模式，所有的VAV相当于单风道，并联风机停止，串联风机要常开，若设定温度高于房间温度开大风阀，直至房间风量至最大值。

若设定温度小于房间温度关小风阀，直至房间风量为最小值。

对于VAV控制器在实施过程中又如何确定上述三种的一种呢，依据是什么呢？首先我们要结合室外温度参数，另外还要考虑变风量空调机组的送风温度，其次对模式切换要考虑系统的平稳性，不要出现扰动现象。

一般有这样的常识，送风温度与房间温度之间的温差越大，空调效果将越明显，在冬天的工况下一般送热风，将模式设置为HEAT，在夏天的工况下送冷风，将模式设置为COOL，在过渡季日温度波动比较大的情况下，我们在实施过程中需要将空调机组送风温度设置为一个临界点，模式通过计算机将在HEAT与AUTO之间自动识别，见图7所示。

4.2房间新风量的保证为了保证房间内的空气质量，必须对大楼送入一定的新风量，特别是窗户为全封闭时更应如此。

根据卫生部规定的卫生指标人均新风量必须满足25m3/h。

空调机组的新风不采用自然吸入口而是由屋顶二台并联送风机通过竖井对相应楼层的空调机组送入新风，送入每台空调机组的新风量通过倒装BOX进行风量检测，平时的新风量变化范围为设计的最小风量与VAV-BOX阀门开度100%时的风量之间，相关楼层空调机组的新风量控制具体将以回风CO2作为目标参数，根据回风CO2含量自动调节VAV-BOX的风阀开度，而屋顶的风机通过竖井2/3位置处的静压来进行变频调节。

由于新风源源不断的输入，屋内的大部分空气由门口吊顶通过回风机吸入相应的空调机组内，一部分由屋顶的幕墙排风机排出去，另一部分由楼梯口、门缝等间隙中排出去。