变风量空调系统末端控制策略浅析.doc

ｓｕｎｓｈｉｎｅ
变风量空调系统末端控制策略浅析
贡征峰 向爽涤
西门子楼宇科技有限公司

摘要: 本文主要从建筑节能的出发点,引入了对变风量系统的特点分析, 分析了目前的变风量空调系统控制策略, 并以西门子专用控制器为基础阐述了变风量空调末端控制策略.
关键词： 建筑节能 变风量系统 控制策略 变风量末端

Abstract: It introduces the characteristic of variable air volume system from the building energy saving point of view and the control principle of variable air volume system,
also analyze the control strategy of terminal units based on the controller of Siemens.
Key Words: Building energy saving, VAV system, Control strategy, VAV terminal units

智能建筑的发展，是建筑技术与信息技术相结合的产物，是电子技术、通信技
术、网络技术、计算机技术、自动控制技术、传感技术等一系列先进技术飞速发展的结果，它是随着科学技术的进步而逐步发展和充实的。众所周知，节能可以说是
智能建筑楼宇自动控制系统的出发点和归宿。在智能建筑中，HVAC(采暖、通风
和空调)系统所消耗的能量要占到大楼消耗的总能量的极大部分[1] ，而变风量系统由于其降低了设备和系统的能耗, 而被得以大量采用, 变风量系统运行工况是随时间变化的, 它的运行工况是随时间变化的,它的运行必须依靠自动控制给以保证. 变风量空调系统(VAV)及其计算机控制系统是紧密结合的.

1 变风量空调系统介绍
变风量空调系统是以节能为目的发展起来的一种空调系统形式，它的设计是真正基于逐时负荷的设计，系统可根据需要随时调节分配到各区域的送风量或供冷、供热量，系统总送风量（冷、热负荷）为各时段中所有区域要求的风量（冷、热量）这和的最大值，而不是通常定风量空调系统设计中所有区域在各时段要求的风量（冷、热量）的最大值之和。前者通常只占后者的70%-90%。因此，变风量空调系统可显著减少系统总送风量和装机容量，达到节能和减少投资的目的.
变风量空调系统的特点如下:
(a) 节能效果明显
与定风量空调系统相比较, 采用变风量的方法, 可以节约再热量及与之相当的冷量. 由于各房间内设置的VAVBOX 可以独立控制房间风量, 计算空调系统总负荷时, 可以适当考虑各房间负荷发生的同时性, 而不是象定风量系统那样, 总负荷是各房间最大冷量或热量之和. 这可以适当减少风机装机容量,降低能源耗量. 当各房间的负荷减少时, 响应末端的风量将自动减少, 系统对总风量的需求也就必然会下降, 通过适当的控制手段, 可以降低风机的转速, 使其能耗得以降低.
(b) 控制灵活
通常, 全空气定风量系统只能控制某一特定区域的温度,对于一个带有多个房间的风系统, 由于送风温度相同, 送入房间的风量也相同,当各房间负荷发生变化时是不可能对每个房间温度都进行控制的, 而只能控制某个房间的温度, 或者在大多数情况下, 控制一个综合的回风温度, 这样势必造成部分房间过冷或过热, 也不利于节能.采用VAV系统, 由于各个房间的VAVBOX可随该区域温度的变化自动控制送风量, 因此能保证各区域或房间温度按使用要求进行温度控制.基于此,这一特点, 有利于房间的灵活分隔, 对于目前大规模建造的高档写字楼来说是更为有益的.
(c) 空调高品质
VAV系统属于全空气系统, 在过渡季可以充分利用全新风送风, 所以空气品质与新风加风机盘管系统相比要好, 还节省了能耗, 另外, 与风机盘管相比, 吊顶内没有冷冻水管和凝结水管, 可减少排除凝结水的困难, 特别是避免了凝结水盘中滋生的细菌带入室内风循环的弊病, 提高了室内空气的卫生质量.
从以上几点看,变风量空调系统的优点突出, 因此取得了越来越广泛的应用. 但在选择变风量空调系统形式中, 应该同时注意到,变风量空调一次性投资有所增加, 控制相对复杂, 管理水平较高, 而且更需要对变风量空调系统精心设计, 精心选择产品等, 否则有可能产生新风不足, 房间气流组织不好, 房间正压或负压过大,室内噪声偏大等等问题[2]

2 变风量空调系统的分类如下
2.1 根据变风量末端类型
2.1.1单风道变风量末端
这是最简单的变风是末端，仅有一条送风道通过末端设备和送风口向室内送风。这种组合只能对各房间同时加热工冷却，无法实现在同一时期内，对有的房间加热，有的房间冷却。当显热负荷减少时，室内相对湿度也不易控制。因此，仅适用于室内负荷比较稳定。室内相对湿度无严格要求的场合。
目前市场上,常用的单风道变风量末端类型为:
(a) 节流风阀型
采用节流机构（如风阀）调节风量, 按照是否补偿压力变化，又分压力有关型和压力无关型。
从控制角度看，前者由温控器直接控制风阀；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风同归于尽控制器根据风量偏差调节末端装置内风阀。当末端入口压力变化时，通过末端的风量会发生变化，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。价格上，压力无关型要比压力有关型高一些

图1 压力无关型变风量末端控制逻辑
(b) 风机动力型
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. 再根据末端是否有再加热装置分为再加热型和非再加热型.
串联型：由于进风口、风机、出风口直接连通，故称为串联型，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VAVBOX；
并联型：由于进风口、出风口直接连通，风机和回风口并在VAVBOX的一侧，故称为并联型。并联型VAVBOX的风机在夏季不运行，冬季才运行，采用进风口处风阀进行一次风量变化调节，导致出风口风量的变化.
(c) 文丘里型
文丘里型VAVBOX由于其结构的特殊性，无需配置风量检测机构，此功能由其迎风面完成
2.1.2 双风道变风量末端
机组具有冷热两个风道，当房间的送风量随着冷负荷的减少而达到最小风量时，开启热风阀，向房间补充热量，使系统的负荷得到有效的调节。这种组合，对房间的负荷适应性强，能满足有的房间加热，有的房间冷却的要求。由于负荷得到补偿，最小风量得到控制，室内的相对湿度可保持在较好的水平上，但系统需增加一条风道，设备费和运行费将有所提高。
2.2 根据系统控制策略
2.2.1静压控制法
静压控制法分为定静压控制法和变静压控制法。在对现有的VAV系统中这二种控制法的研究和实例分析表明：二种方法均能完成VAV系统的控制要求，但同时也存在不少问题：定静压方法控制简单，但为保持空调送风管道中有较大的压力，使得风机耗能偏高，同时由于末端阀位多处于偏小状态，噪声问题比较突出；变静压方法能节省风机能耗，但控制较为复杂，调试难度大，并需要专业技术人员进行多次换季调试等。
此外大量使用压力控制，耦合现象很难避免，系统就会存在不稳定的因素。加之风阀、执行器价格较高，机械连接部位多，故障率较高。
采用变静压控制法的空调系统设计人员要严格设计主风道、支风道的压力分配，对管道的长度、尺寸、走向、分布等都有严格的要求。但建筑物的结构、装修等对风道的设计有一定的限制，导致风道不能完全按设计施工图施工，增大了VAV系统的调节难度，影响了系统的正常运行。

2.2.2 总风量控制法
总风量控制方式的变风量系统，不同于静压控制法，它是根据系统各末端风量之和与系统当前总风量相匹配的原理设计而成的。末端采用风机代替风阀的方式，不采用静压调节，而是由末端实时的风量需求，采用数字信号传输及先进的控制软件，实施对风机的控制，避免使用压力检测装置，也不需要变静压控制时的末端阀位信号，容易实现控制系统的解耦.

VAV系统虽然已经发展了几十年，但是技术还不很成熟，还存在不少问题亟解决; 现有的变风量空调工程实践中, 绝大多数还是采取的定静压控制策略. 所以在下面的介绍中, 还是以定静压控制法为前提[3].

3 西门子变风量空调末端控制策略介绍
在实际的变风量末端控制系统中，我们通常采用三种VAV末端控制技术
1)        压力相关型变风量末端空调
2)         压力无关型变风量末端空调
3)          并联/串联风机 (带辅助加热) 压力无关型变风量末端控制
其中以第三种, 即并联/串联风机压力无关型变风量末端控制逻辑最为复杂, 本文将依据西门子TEC和ATEC(变风量末端控制器)的控制逻辑,着重介绍第三种末端控制技术及逻辑, 从而阐明通常用的变风量末端控制技术.

图2 串联风机（带辅助电加热）压力无关型末端
此图2为串联风机压力无关型变风量末端，其控制逻辑为：
1) 当控制系统为制冷模式时，风机一直保持开启状态，加热装置始终关闭。通过室内温度与设定温度的PID运算，调节VAVBOX内的风阀来实现对房间温度的控制。其中风阀在最小开度和最大开度之间调节，风阀开度大小设置来源于变风量空调系统的设计参数和卫生需求。
2) 当控制系统为供热模式时，风机一直保持开启状态，通过室内温度与设定温度的PID运算，调节VAVBOX内的风阀来实现对房间温度的控制。此时对风阀和加热装置的控制策略有四种（图3）。
(a) 维持最小新风量即始终保持最小风阀开度，根据控制器输出控制加热装置开启大小。
(b) 风阀和加热装置的调节呈现顺序控制。
(c) 风阀和加热装置的调节呈现并行控制。
(d) 风阀和加热装置的调节呈现跳跃控制。

图3 风阀和加热装置控制策略
图4 并联风机（带辅助电加热）压力无关型末端
此图3为并联风机压力无关型变风量末端，其控制逻辑为：
3) 当控制系统为制冷模式时，并联风机关闭，加热装置始终关闭。通过室内温度与设定温度的PID运算，调节VAVBOX内的风阀来实现对房间温度的控制。其中风阀在最小开度和最大开度之间调节，风阀开度大小设置来源于变风量空调系统的设计参数和卫生需求。
4) 当控制系统为供热模式时，通过室内温度与设定温度的PID运算，调节VAVBOX内的风阀来实现对房间温度的控制。此时对风阀和加热装置的控制策略有四种(图3)。
(a) 维持最小新风量即始终保持最小风阀开度，根据控制器输出控制加热装置开启大小。
(b) 风阀和加热装置的调节呈现顺序控制。
(c) 风阀和加热装置的调节呈现并行控制。
(d) 风阀和加热装置的调节呈现跳跃控制。
供热时，并联风机的控制策略为：当加热装置（如热水阀）的开度超过10%（默认值），同时管道内送风流量小于20%最大风量（意味着没有足够的风量带走加热装置产生的热量）时，并联风机将关闭。反之，并联风机将开启。

以上是结合西门子变风量末端产品，对变风量系统控制逻辑进行分析及介绍。西门子变风量末端控制产品TEC和ATEC已经很成熟的应用于诸多工程项目中, 诸如新建美国驻华大使馆、广州国际汇展中心、上海花旗大厦等。

4．结论
本文通过对变风量系统的简述,以西门子专用的变风量末端控制器产品为出发点, 阐述了其工作逻辑及原理, 这对今后的变风量系统工程实践及调试有一定的借鉴及指导作用.

参考文献：

[1] 变风量空调系统末端调节控制法, 宋静 贾衡 李炎锋 智能建筑
[2] 基于BACnet技术的VAV空调系统末端控制, 陈志新 李惠升.
[3] 西门子Apogee设计手册

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