變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)靜壓重設(shè)控制的分析

劉麗娜

（北京江森自控有限公司，北京 100020）

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)靜壓重設(shè)控制的分析

劉麗娜

（北京江森自控有限公司，北京 100020）

劉麗娜（1980-），女，高級(jí)工程師，從事智能建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工管理工作。

介紹了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的三種傳統(tǒng)控制方式，并比較了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了一種新的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制方法---靜壓重設(shè)法，分析了具體的實(shí)現(xiàn)方法和相比于其他控制方式的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)靜壓重設(shè)控制法的實(shí)施提出了一些建議。實(shí)踐證明，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，節(jié)能潛力較大。

變風(fēng)量系統(tǒng)；變靜壓控制；靜壓重設(shè)法；變風(fēng)量末端

0 引 言

變風(fēng)量空調(diào)(Variable Air Volume,VAV)系統(tǒng)可根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化及室內(nèi)要求參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)量(達(dá)到極限送風(fēng)量時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度),以滿足室內(nèi)人員的舒適要求或其他工藝要求,同時(shí)根據(jù)實(shí)際送風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,最大限度地減少風(fēng)機(jī)動(dòng)力,節(jié)約能量。在當(dāng)今特別提倡節(jié)能和舒適性的環(huán)境下,VAV系統(tǒng)正在逐漸被人們接受并得到廣泛應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制策略

1.1 定靜壓控制法

定靜壓控制模式的基本思想是盡量減少風(fēng)道中的靜壓,同時(shí)也要保證風(fēng)道中的最小靜壓能滿足所有VAV末端設(shè)備的風(fēng)量需求,以控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,需要在風(fēng)道最不利點(diǎn)設(shè)置靜壓傳感器,在保持該點(diǎn)靜壓一定值的前提下通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)受電頻率來(lái)改變空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量。

靜壓傳感器的設(shè)置是決定定靜壓系統(tǒng)效果的關(guān)鍵,但其位置設(shè)置尚存不同的觀點(diǎn)。綜合考慮節(jié)能及穩(wěn)定性的要求,ASHRAE建議在使用壓力無(wú)關(guān)型末端的場(chǎng)合,壓力測(cè)點(diǎn)的位置設(shè)在主風(fēng)道上距風(fēng)機(jī)出口的2/3處,壓力設(shè)定值通常取設(shè)計(jì)狀況下該點(diǎn)的靜壓值。靜壓設(shè)定值取設(shè)計(jì)狀況下的壓力值并保持不變,是為了保證每個(gè)末端在任何情況下都能調(diào)節(jié)到最大設(shè)計(jì)風(fēng)量。這種控制方法基本滿足變風(fēng)量系統(tǒng)的控制要求,但靜壓測(cè)量點(diǎn)的設(shè)定值難以預(yù)先計(jì)算出最佳設(shè)定值,必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行判斷,如果設(shè)定值偏低,高負(fù)荷區(qū)域的VAV末端無(wú)法滿足需求,即使風(fēng)閥全開(kāi)也無(wú)法達(dá)到溫度設(shè)定；如果設(shè)定值偏高,使空調(diào)機(jī)提供的風(fēng)過(guò)量,給風(fēng)機(jī)增加了不必要的能耗,同時(shí)使VAV末端風(fēng)閥均處于較小開(kāi)度,產(chǎn)生更大的噪聲,影響使用區(qū)域的舒適性,降低風(fēng)閥的調(diào)節(jié)范圍,使VAV末端風(fēng)量控制過(guò)于敏感,易出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩。

這種方法控制簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,各末端之間的相互影響較小,但靜壓測(cè)量設(shè)置點(diǎn)的位置及靜壓設(shè)定值很難確定,大大影響整個(gè)系統(tǒng)的控制效果,且節(jié)能效果相比較其他控制方式而言較差,適用于單臺(tái)空調(diào)機(jī)組負(fù)責(zé)變風(fēng)量末端較多的場(chǎng)合。

1.2 變靜壓控制法

變靜壓控制是根據(jù)各末端風(fēng)閥閥位狀況判斷系統(tǒng)風(fēng)量的盈虧,作為主風(fēng)管靜壓的確定依據(jù)。其控制原則是：保持每個(gè)VAV末端的閥門開(kāi)度為70%～90%,即在閥門盡可能全開(kāi)和使風(fēng)管靜壓盡可能減小的前提下,通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量。

變靜壓控制方法與定靜壓控制方法相比,節(jié)能效果更明顯。

式中：Q－－－風(fēng)機(jī)輸送的風(fēng)量；

P－－－風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)壓；

N－－－風(fēng)機(jī)的功率；

n－－－風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

η－－－風(fēng)機(jī)效率。

當(dāng)空調(diào)負(fù)荷變小時(shí),風(fēng)量Q從正常工況點(diǎn)Q1減少到Q2時(shí),系統(tǒng)管道阻力曲線和風(fēng)機(jī)性能曲線變化圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)管道阻力和風(fēng)機(jī)性能曲線圖

由圖1可見(jiàn),當(dāng)風(fēng)量減小相同的幅度時(shí),變靜壓控制法風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降的幅度比定靜壓控制法的大,故變靜壓控制法的節(jié)能效果比定靜壓控制法的更好。

變靜壓控制法控制精度高,效果好,但其依賴閥位反饋信號(hào)。風(fēng)閥開(kāi)度信號(hào)的反饋對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有一個(gè)滯后的過(guò)程,房間負(fù)荷變化后要達(dá)到房間設(shè)定值有一段小幅波動(dòng)過(guò)程,而且信號(hào)采集量較多,控制更加復(fù)雜,系統(tǒng)調(diào)試工作量較大,對(duì)調(diào)試水平要求較高,較適用于中、小型VAV系統(tǒng)。

1.3 總風(fēng)量控制法

總風(fēng)量控制法是將各末端的風(fēng)量設(shè)定信號(hào)直接相加,得到總風(fēng)量需求值,可作為調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的依據(jù)。系統(tǒng)總風(fēng)量依據(jù)風(fēng)機(jī)特性曲線轉(zhuǎn)換成風(fēng)速,從而控制風(fēng)機(jī)頻率。這種控制方式直接根據(jù)需求風(fēng)量計(jì)算出要求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,具有某種程度上的前饋控制,對(duì)房間負(fù)荷變化反應(yīng)迅速,節(jié)能效果可接近變靜壓控制法,但難以建立精確的風(fēng)道模型,由于風(fēng)道氣密性或模型誤差可能出現(xiàn)末端風(fēng)量不足的情況。

2 靜壓重設(shè)控制法

靜壓重設(shè)控制原理：在系統(tǒng)正常工作模式下,控制器會(huì)不斷檢測(cè)每個(gè)BOX末端的風(fēng)閥開(kāi)度,根據(jù)開(kāi)度情況判斷當(dāng)前的靜壓值是否合理,并相應(yīng)對(duì)靜壓設(shè)定值作出調(diào)整。采用靜壓重設(shè)策略時(shí)不但要設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)和設(shè)定靜壓值,而且要通過(guò)改變?cè)O(shè)定的靜壓值使每個(gè)VAV末端的風(fēng)閥均保持在70%～90%開(kāi)度狀態(tài),從而盡量減少系統(tǒng)所需靜壓,最大限度地降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以達(dá)到更佳的節(jié)能效果。

靜壓重設(shè)控制策略根據(jù)各個(gè)末端裝置的閥位狀況對(duì)送風(fēng)靜壓設(shè)定值進(jìn)行再調(diào)整,使系統(tǒng)的靜壓設(shè)定值能追蹤空調(diào)負(fù)荷變化,避免了定靜壓控制在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)壓力過(guò)多地消耗在關(guān)小的風(fēng)閥閥門上,大大減少VAV末端因節(jié)流關(guān)小而產(chǎn)生的噪聲,提高空調(diào)區(qū)域的舒適性。同時(shí),由于靜壓設(shè)定值隨時(shí)根據(jù)需求重新設(shè)定,僅起到參考作用,靜壓測(cè)量設(shè)置點(diǎn)的位置及靜壓設(shè)定值變得不那么重要,項(xiàng)目實(shí)施更容易。

3 靜壓重設(shè)控制邏輯

3.1 靜壓重設(shè)控制原理

圖2中,變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)每隔15 min (時(shí)間在調(diào)試時(shí)整定)動(dòng)態(tài)讀取系統(tǒng)中每一VAV BOX需求風(fēng)量值,據(jù)此判別空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量盈虧,并改變送風(fēng)靜壓設(shè)定值,再對(duì)空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行控制。在頻率調(diào)整到位的情況下(允許的最高或最小頻率范圍界限)重調(diào)送風(fēng)溫度,在滿足系統(tǒng)各末端風(fēng)量需求的基礎(chǔ)上,最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖2 靜壓重設(shè)控制邏輯圖

3.2 靜壓重設(shè)實(shí)施方案

靜壓設(shè)定值重置控制流程圖如圖3所示。

圖3 靜壓設(shè)定值重置控制流程圖

靜壓重設(shè)步驟如下：

(1)不利點(diǎn)的靜壓完成基礎(chǔ)值設(shè)置(完成第一重控制)。

①由VAV BOX控制器根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化來(lái)調(diào)整末端出風(fēng)量滿足負(fù)荷要求。

②出風(fēng)量的變化引起系統(tǒng)管路中靜壓變化,靜壓傳感器測(cè)量靜壓變化并傳遞給現(xiàn)場(chǎng)直接數(shù)字控制器,再根據(jù)靜壓變化信號(hào)與設(shè)定值比較,采用PID算法結(jié)合風(fēng)機(jī)特性曲線控制空調(diào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,調(diào)整總出風(fēng)量,維持送風(fēng)管路系統(tǒng)的靜壓恒定。

(2)變靜壓完成修正值設(shè)置(第二重控制)。

根據(jù)VAV BOX的工作情況,計(jì)算VAV風(fēng)門高開(kāi)度數(shù)量和VAV低開(kāi)度數(shù)量,以70%～90%為控制目標(biāo),小于70%為低開(kāi)度,大于90%為高開(kāi)度。

中共湘區(qū)委員會(huì)舊址暨毛澤東、楊開(kāi)慧故居位于湖南省長(zhǎng)沙市八一路538號(hào)。這里原稱長(zhǎng)沙市清水塘路22號(hào)，當(dāng)時(shí)是長(zhǎng)沙市的郊區(qū)，附近只有幾間農(nóng)舍、瓜棚等。

①實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中有些VAV BOX低開(kāi)度,有些高開(kāi)度,只要有1個(gè)VAV BOX高開(kāi)度,則啟動(dòng)增加靜壓設(shè)定值,重置值為(10/N)N′%,其中N為VAV在運(yùn)行的數(shù)量,N′為高開(kāi)度VAV BOX數(shù)量。

例如：VAV在運(yùn)行的有10個(gè),高開(kāi)度的有2個(gè),重置值為(10/10)×2%＝2%,積分值為10min,則增加0.2%/min給當(dāng)前的轉(zhuǎn)速修正初始轉(zhuǎn)速。

②如果系統(tǒng)中無(wú)處于高開(kāi)度的VAV BOX,則統(tǒng)計(jì)低開(kāi)度的VAV BOX數(shù)量,啟動(dòng)減少靜壓設(shè)定值,重置值為(10/N)N″%,其中N″為低開(kāi)度的VAV BOX的數(shù)量。

例如：VAV在運(yùn)行的有10個(gè),低開(kāi)度的有2個(gè),重置值為(10/10)×2%＝2%；積分值為10 min,則減少0.2%/min給當(dāng)前的轉(zhuǎn)速修正初始轉(zhuǎn)速。

③當(dāng)系統(tǒng)采集所有閥門開(kāi)度均保持在70%～90%時(shí),說(shuō)明當(dāng)前的風(fēng)量能滿足當(dāng)前的負(fù)荷要求,重置值則為0。系統(tǒng)根據(jù)上一次的壓力設(shè)定值與測(cè)量值的偏差,來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

④在修改設(shè)定值后,需延時(shí)一段時(shí)間使系統(tǒng)穩(wěn)定。如果時(shí)間太短,系統(tǒng)反應(yīng)太快,導(dǎo)致更多的數(shù)據(jù)要處理,故設(shè)定延時(shí)5 min(可調(diào)整),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

⑤VAV BOX無(wú)人模式?？筛鶕?jù)要求手動(dòng)或時(shí)間表,按區(qū)域設(shè)定無(wú)人模式,VAV風(fēng)門將關(guān)閉,也可按要求設(shè)定最小風(fēng)量,更好地達(dá)到節(jié)能目的。

風(fēng)機(jī)速度控制原理圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)速度控制原理圖

4 靜壓重設(shè)故障避免策略

靜壓重設(shè)控制方式需要收集每個(gè)風(fēng)閥的開(kāi)度信息(不管是實(shí)際反饋還是虛擬反饋),而閥門本身會(huì)產(chǎn)生不同類型的故障,如驅(qū)動(dòng)器卡位、驅(qū)動(dòng)器零點(diǎn)漂移等問(wèn)題,造成驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)期在超越95%開(kāi)度運(yùn)行,故需要制定相關(guān)的策略。

4.1 零點(diǎn)漂移調(diào)整

驅(qū)動(dòng)器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,由于誤差等原因,會(huì)在規(guī)定的時(shí)間調(diào)整后無(wú)法到達(dá)原來(lái)的位置,例如60 s從全開(kāi)到全關(guān),但事實(shí)上在60 s后只是到達(dá)5%的位置。避免這種情況的控制策略是每隔一個(gè)星期在非占用時(shí)間強(qiáng)開(kāi)/強(qiáng)關(guān)驅(qū)動(dòng)器,重新調(diào)整驅(qū)動(dòng)器到位。

4.2 閥門驅(qū)動(dòng)器故障調(diào)整

一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng),在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中是不可能存在重調(diào)幾次靜壓都調(diào)整不到位的情況,故可通過(guò)累積調(diào)整次數(shù)的方式,剔除故障的VAV。如系統(tǒng)開(kāi)度大于95%,則需要降低靜壓,可連續(xù)調(diào)整3次,若BOX的開(kāi)度依舊大于95%,則認(rèn)為BOX存在故障,不再作為系統(tǒng)變靜壓控制的依據(jù),并提示維護(hù)人員檢查設(shè)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵是要控制系統(tǒng)的合理性及有效性。靜壓重設(shè)控制方法可提供一種既節(jié)能、又穩(wěn)定可靠運(yùn)行的控制系統(tǒng),其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)試容易,具有廣闊的應(yīng)用前景和節(jié)能潛力。

[1] 閆永亮，賴偉國(guó)，羅國(guó)立，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)分析[J].廣東建材，2010（3）：152-154.

[2] 曹振華.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展前景[J].制冷，2011（3）：84-86.

AnalySiSof Static PreSSure ReSet Control in Variable Air Volume SyStem

LIU Lina
(Beijing Johnson Control Co.,Ltd.,Beijing 100020,China)

This paper introduced threemethods of variable air volume(VAV)system：fixed static pressuremethod, variable static pressure method,and the total airflow rate method.The advantages and disadvantages of them were given.A new control strategy of static pressure reset controlwas proposed and the implementation for different types of systems and terminalswas analysed.Some proposals of system implementation in real system were given.The practice proveds that the design of control system is simple,and the debugging is easy,which has a great proficiency of energy saving.

variab le air volume SyStem；variable Static PreSSure control；Static PreSSu re reSet method；VAV BOX

TU 855

A

1674-8417(2015)12-0063-04

2015- 05- 26