文｜朗德華信（北京）自控技術(shù)有限公司 姜永東

清華城市規(guī)劃設(shè)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(shè)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(diào)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(shè)計要求的關(guān)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(diào)節(jié)區(qū)的氣流組織良好。

空氣調(diào)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(diào)機送出的空氣，由送風口不斷進入空調(diào)區(qū)，與室內(nèi)空氣混合、置換，能夠均勻地消除空調(diào)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(diào)區(qū)內(nèi)獲得符合設(shè)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(cè)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(guān)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(yīng)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(yīng)該調(diào)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(shè)置調(diào)節(jié)閥，在線形風口送風軟管處設(shè)置蝶閥，對帶數(shù)個風口的中間支管同樣設(shè)置風量調(diào)節(jié)裝置，以保證實現(xiàn)各風口均勻送風。

（4）VAV變風量空調(diào)機均為變頻風機，在實際運行中，當負荷減小時，應(yīng)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(yīng)優(yōu)先減小送風溫差來適應(yīng)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(yīng)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(shè)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(diào)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?qū)崿F(xiàn)。首先，應(yīng)在設(shè)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(shè)，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(shè)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(diào)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(diào)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(diào)機組DDC控制器均檢測到電動閥開度減小現(xiàn)象時，應(yīng)通過空調(diào)機變頻統(tǒng)一減小送風量，以節(jié)約風機耗電；或通過空調(diào)機統(tǒng)一調(diào)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(diào)形式有：

◆ 單風機空調(diào)機+多層共用的總排風機和總新風機；

◆ 雙風機空調(diào)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(diào)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(shè)定新風管、排風管定風量閥設(shè)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(diào)整排風管定風量閥設(shè)定值（須保證新風管定風量閥設(shè)定值大于排風管定風量閥設(shè)定值），維持室內(nèi)正壓。

②雙風機空調(diào)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。空調(diào)機送風機、回風機連鎖控制，同開同關(guān)，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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(diào)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(dǎo)致新風量偏低、CO2濃度超標，需調(diào)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(xué)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(shè)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(shè)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(guān)鍵是確定室內(nèi)設(shè)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(shè)定焓值對應(yīng)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(shè)定焓值與全新風運行時間的對應(yīng)關(guān)系表

此項目具體的全年新風系統(tǒng)控制策略如下：

（1）空調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪熱回收裝置，轉(zhuǎn)入旁通新風工況。

（2）空調(diào)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(shè)定值時，提高新、排風定風量閥風量（CAV）設(shè)定值，增加新風量；當回風CO2濃度低于設(shè)定值下限時，減小新、排風定風量閥（CAV）風量設(shè)定值，減小新風量。

（3）當室外空氣焓值低于啟動全新風的設(shè)定焓值（室內(nèi)設(shè)計焓值減5kJ/kg.干）時，進入全新風工況，開啟空調(diào)機過渡季新風閥，關(guān)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(diào)機水閥開度；當全新風可完全消除室內(nèi)余熱時，關(guān)閉空調(diào)機水閥。

當新風溫度過低時，根據(jù)室內(nèi)溫度值調(diào)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(shè)定焓值，則停止全新風運行，轉(zhuǎn)入最小新風量運行，進入空調(diào)季節(jié)工況。

對全新風、最小新風工況的轉(zhuǎn)換不宜過于頻繁，每天不應(yīng)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(diào)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(shè)備可以按照相應(yīng)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(yīng)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(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)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(shè)定?？赏ㄟ^完善系統(tǒng)風道設(shè)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(shè)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(shè)定值取設(shè)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(diào)到最大設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(diào)整靜壓設(shè)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(diào)整設(shè)定值，也就是說，如果風閥開度沒有達到設(shè)定值，就在壓力設(shè)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(dǎo)致調(diào)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(shè)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(shè)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(shè)定值，比固定步長法響應(yīng)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(shè)定末端風閥最大開度Lmax.set；

◆ 協(xié)調(diào)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(shè)定值。

經(jīng)過修改之后，最終送風壓力往往僅為初始設(shè)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(diào)試對系統(tǒng)的成敗具有很大的影響，而調(diào)試工作復(fù)雜、繁重，具有調(diào)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(shè)定風量計算出的風機轉(zhuǎn)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(shè)定風量并不是一個當房間負荷變化后立刻設(shè)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(zhuǎn)速也不是在房間負荷變化后立刻調(diào)節(jié)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速就不動了。從實質(zhì)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(zhuǎn)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(dǎo)致風機做出一些無謂的微小調(diào)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(diào)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(fù)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。