暖通空調變風量空調系統的控制

變風量空調技術的發展與其控制技術的發展同步進行，自控技術的突破與發展引領了變風量空調技術的發展。自變風量空調系統在我國應用以來，暖通空調和樓宇控制方面許多專家對該系統的控制策略和控制方式進行了大量研究，得到了豐碩的成果，推進了變風量空調技術的發展。《變風量空調系統設計》全面介紹了變風量末端裝置及其系統的控制原理和要求。童錫東等人在分析變風量末端裝置和空調方式的基礎上總結了各種變風量系統的控制特點。陳武等人根據變風量空調系統的熱力模型，通過模擬研究建立變風量空調系統的動態模型和風機控制方法。劉濤及胡益雄等人根據變風量空調系統的基本特點，研究了該系統及末端的模糊控制策略。李超等人與錢以明等人結合全空氣系統特點研究了變風量空調系統新風控制要求的控制策略。

在工程實踐方面，我國基本建立起從末端裝置、控制系統到執行除錯的整個變風量空調系統供應體系。數百棟辦公建築採用了變風量空調系統。但是，就已建成的採用變風量空調系統的辦公建築而言，執行和控制效果良好的建築物不是很多，節能的建築物很少。究其原因，主要可歸納為以下幾方面。

1)設計方面：空調系統設計不合理，不能滿足或難以滿足空調使用和執行要求;變風量末端裝置選型不合理，偏大或偏小;空氣處理機組的組合方式不合理，其功能不能滿足使用要求，機組的風量或機外餘壓偏大或偏小;控制策略和控制要求不明確，沒有向自控承包商提供要求明確的控制需求資訊。

2)業主方面：將變風量系統中的末端裝置採購與控制系統採購分開進行，沒有一個承包商對整個系統負責;重視末端裝置與控制器等硬體裝置，輕視除錯等軟體服務，採購合同中服務部分所佔費用比例較低，難以保證系統除錯質量。

3)承包商方面：控制技術人員對變風量系統控制要求和策略不清楚;系統除錯工作不夠精細和完整，在系統完成完全除錯之前就提交業主使用;控制程式呼叫失誤、冬夏季工況轉換失誤、感測器設定失誤、感測器和控制器連線失誤等均會影響變風量空調系統的使用效果。

4)物業方面：管理人員不專業，對系統不瞭解，不能及時發現系統裝置執行故障，難以對系統實現節能執行。

就變風量空調系統設計而言，合理的系統設計方案、正確的變風量末端裝置選型和清晰明確的系統控制策略是實現控制良好、經濟節能變風量系統的基礎。本文側重探討變風量空調系統的控制，以期明確變風量空調系統的控制要求。

　　1 變風量末端裝置控制要求簡述

　　1.1 變風量末端裝置控制

常用的變風量末端裝置有單風道節流型、串聯式和並聯式風機動力型末端裝置。變風量末端裝置及其控制系統是集多種感測器、執行器及控制器於一體的機電一體化裝置。該一體化裝置可檢測一次風風量和空調區空氣溫度值，調節一次風調節風閥和熱水再熱盤管電動調節閥，設定空調區空氣溫度值等。圖1為配再熱盤管的串聯式風機動力型末端裝置控制原理。在各種變風量機電一體化裝置中，該裝置的控制點最多，控制功能最複雜。

變風量末端裝置主要完成以下控制功能。

　1)一次風量控制。變風量末端裝置的DDC控制器根據風量設定值與實測值的偏差訊號比例積分調節一次風送風量。

2)再熱控制。變風量末端裝置一般採用熱水再熱盤管或電加熱器進行再熱。對於熱水再熱盤管，DDC控制器根據室內溫度設定值與實測值的偏差，比例積分或雙位調節熱水再熱盤管供熱量;對於電加熱器，DDC控制器則以單級或多級調節電加熱器的加熱量。

3)末端裝置內建風機控制。對於串聯式或並聯式風機動力型末端裝置，DDC控制器根據末端型別及執行工況，聯鎖啟停末端裝置內建風機。一般情況下，串聯式風機動力型末端裝置內建風機連續執行;並聯式風機動力型末端裝置內建風機可間歇執行，也可連續執行。若間歇執行，小風量供冷或供熱時風機執行，大風量供冷時風機不執行;若連續執行，小風量供冷或供熱時風機執行，大風量供冷時定速或變速執行。

　4)與中央監控系統通訊。末端裝置DDC控制器根據需要可與中央監控系統實現以下通訊聯絡：室內空氣溫度檢測值與設定值輸出;風量檢測值與設定值輸出;末端裝置執行狀態輸出;末端裝置調節風閥閥位輸出;室內溫度再設定輸入;末端裝置執行狀態變更輸入等。

　　1.2 變風量末端裝置室溫感測器設定

變風量末端裝置室溫感測器主要有牆置式溫感器和吊平頂式溫感器兩種型別。對於小空間辦公室與會議室一般採用牆置式室溫感測器，而對於大空間辦公室，可採用吊平頂式溫感器。室溫感測器必須設定在溫度控制區內通風、背陽處，切忌為圖室內裝修美觀隨意設定在不通風的角落或將多臺末端裝置的室溫感測器設定在一起;防止內區室溫感測器設定在外區熱風侵入處，外區室溫感測器設定在內區冷風侵入處或窗邊冷氣流下降處;設計時應根據空調系統要求，將室溫感測器位置標在施工圖上，以免被室內裝修設計師隨意設定。

　　2 變風量空調系統風量控制

變風量空調系統主要由機電一體化的變風量末端裝置、可實現變風量執行的空氣處理機組及風道系統組成。

　　2.1 空氣處理機組基本要求及其控制

變風量空調系統的另外一個主要部件是空氣處理機組。該空調機組一般採用組合機組，它可以是四管制或兩管制機組，可以是單風機或雙風機機組，也可以設定或不設定熱回收裝置。該空調機組的迴圈風機採用變頻裝置驅動，具有寬廣的工作特性，在頻率變化範圍內及空調系統迴圈風量變化範圍內能穩定、高效執行，遠離喘振線。 圖2-5分別為單風機兩管制空氣處理機組控制原理圖、單風機四管制空氣處理機組控制原理圖、雙風機兩管制空氣處理機組控制原理圖及雙風機四管制空氣處理機組控制原理圖。

單風機兩管制空氣處理機組主要裝置是空氣過濾器、冷熱水盤管、加溼器與風機。該控制系統應檢測迴風溫度、迴風溼度、空氣過濾器壓差、Y型過濾器壓差、送風溫度、送風溼度、送風管靜壓等訊號;反饋風機狀態與故障訊號和變頻器頻率訊號;控制風機啟停、變頻器、新風與迴風調節風閥、電動調節水閥、加溼器控制閥。系統根據送風溫度檢測資料控制冷熱水盤管電動調節閥開度;供熱工況下，根據迴風溼度控制加溼器調節閥;根據變風量系統風量控制方法(定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等)調節變頻器頻率，實現風機變風量執行。

對於單風機四管制空氣處理機組，冷熱水盤管分成冷水盤管與熱水盤管，系統增加冷水盤管與熱水盤管電動調節閥的控制。

雙風機兩管制空氣處理機組主要裝置是空氣過濾器、冷熱水盤管、全熱或顯熱熱回收裝置、加溼器與風機。該控制系統應檢測迴風溫度、迴風溼度、空氣過濾器壓差、Y型過濾器壓差、送風溫度、送風溼度、送風管靜壓、混風箱壓力等訊號;反饋風機狀態與故障訊號和變頻器頻率訊號;控制風機啟停、變頻器、熱回收裝置旁通調節風閥、電動調節水閥、加溼器控制閥。系統根據送風溫度檢測資料控制冷熱水盤管電動調節閥開度;供熱工況下，根據迴風溼度控制加溼器調節閥;根據變風量系統風量控制方法(定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等)調節變頻器頻率，實現風機變風量執行。

　　2.2　變風量空調系統風量控制方法

末端裝置與空氣處理機組風量控制是變風量空調系統最主要的控制內容之一。當空調區域負荷減小、變風量末端裝置一次風量減少時，控制器應依照某種系統風量控制方法減小系統迴圈風量;反之，當空調區域負荷增加、變風量末端裝置一次風量增加時，控制器應增大系統迴圈風量。這種變風量執行是依據某種系統風量控制方法對變風量末端裝置和可實現變風量執行的空氣處理機組的系統風量控制實現的。

目前成熟的變風量空調系統的風量控制方法主要有定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等。變風量空調系統風量控制方法根據各溫度控制區實測溫度值與設定溫度值的偏差，調節一次風調節風閥的開度，檢測並控制送入該溫度控制區的一次風風量，實現溫度控制區溫度控制要求;系統根據送風管內靜壓檢測值與設定值之間的偏差，或末端裝置調節風閥的開度，或末端裝置檢測風量之和與設定風量之間的偏差，調節空氣處理機組風機變頻裝置的頻率，實現風量調節與冷熱水盤管送風溫度的調節。

定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風量法等各系統風量控制法均有其時代特色，在此本文不展開敘述。一般說來，定靜壓法歷史最悠久，節能效果較差，適用於大型、末端裝置數量較多且負荷變化規律不一致或空氣處理機組就位，環狀送風主管安裝完畢，但變風量末端裝置未定的空調系統;變靜壓法和變定靜壓法比較節能，該風量控制方法適用於系統較小、變風量末端裝置數量不多且負荷變化規律較一致的空調系統;總風量法的節能效果界於上述兩者之間，適用於枝狀管道為主的變風量空調系統。設計人員應根據系統特點和控制原理合理確定系統風量控制方法。從近10年變風量系統風量控制方法的發展來看，定靜壓法的應用將逐漸減少，總風量法和變靜壓加總風量法的應用將越來越多。表1為上述幾種常用的變風量系統風量控制方法的基本原理和特點。

　　3 系統新風控制

　　3.1 新風系統控制要求

定風量空調系統新風量控制比較簡單，一般採用手動調節新風閥與迴風閥的開度，使系統滿足新風量需求。變風量空調系統因系統送、迴風量在變化，空氣處理機組新、迴風混合處的靜壓值也隨著變化，從而引起系統新風量的變化。因此，變風量系統必須進行新風量自動控制。

圖6-9為變風量空調系統常用的新風控制原理圖。

圖6為單獨配置熱回收裝置控制的單風機空調系統新風控制原理圖。在供冷與供熱設計工況下，系統按最小新風量執行，新風通過熱回收裝置回收排風能量後進入空氣處理機組;在過渡季節，熱回收裝置電動調節閥關閉，開啟熱回收裝置旁通電動調節風閥，加大系統新風量和排風量，實現風側經濟器節能執行。

圖7為內建熱回收裝置的雙風機空調系統新風控制原理圖。在供冷與供熱設計工況下，系統以最小新風量執行，新風經熱回收裝置回收排風能量後通過空氣處理機組內的冷熱水盤管，經處理後送入空調房間;在過渡季節，熱回收裝置上下的旁通風閥開啟，加大系統新風量和排風量，實現風側經濟器節能執行。

圖8為單獨配置排風機的單風機空調系統新

風控制原理圖。該系統由可變新風量攝入的單風機空調機組與可實現變排風量執行的排風機組成。

排風機可以是單臺變頻調速風機，也可以是多臺定速風機。變頻驅動風機必須保證風量變化範圍內風機的安全執行。在供冷與供熱設計工況下，系統以最小新風量執行，變頻排風機以最小風量執行，多臺定速風機開啟1颱風機;在過渡季節，系統開大新風調節風閥開度，關小回風調節風閥的開度，變頻驅動風機提高風機轉速，多臺定速風機開啟2臺或全開，加大系統新風量和排風量，實現風側經濟器節能執行。

圖9為新、排風管設定定風量末端裝置的單風機空調系統新風控制原理圖。該系統方式在高層或超高層辦公建築的核心筒內設定空調機房比較合適。一般來說，空調機房內設定一大一小兩根新風管和排風管，較小的新風管與排風管上設定定風量末端裝置，較大的新風管與排風管上設定電動調節風閥。在供冷與供熱設計工況下，系統以最小新風量執行，開啟新風與排風定風量末端裝置，關閉新風與排風管電動調節風閥;在過渡季節，系統開啟新風與排風電動調節風閥，根據實際情況開啟或關閉新風和排風定風量裝置，加大系統新風量和排風量，實現風側經濟器節能執行。

　　3.2 最小新風量控制要求

　　1)定風量末端裝置控制

定風量裝置是一種壓力無關型單風道變風量末端裝置，其風量設定值固定(也可再設定)。當裝置前後因壓差變化而引起風量變化時，裝置便通過調節風閥的開度進行補償，使流經裝置的風量保持恆定。變風量空調系統常利用定風量裝置的這種特性來控制並保證系統最小新風量。有時還將定風量裝置設定在排風系統上，以控制系統最小排風量。

定風量裝置的額定風量有限，因此它一般用於中、小型變風量空調系統，其作用也僅限於最小新風量控制，不適合用於全新風或風側經濟器執行。

　　2)新迴風混合箱壓差控制

在圖10中，當系統處於最小新風量執行時，新風調節風閥關閉，新、排風閥開啟並作適當調節。在新、迴風混合靜壓箱內設定靜壓差感測器，感測器以室外空氣的靜壓值為零點。系統變風量執行時，當風量增加或減少引起混合靜壓箱內的負壓值減小(或增加)、系統新風量減小(或增加)時，系統控制器將自動關小回風閥，以維持混合靜壓箱內一定的負壓值(如-75Pa)。反之，則開大回風閥。 新、迴風混合箱壓差控制法比較適合大、中型變風量空調系統。

雙冷源風冷型恆溫恆溼機組與普通風冷型恆溫恆溼機組相比，初投資一定會增加的原因：其一是空調機組的初投資增加;其二是空調水系統的初投資也相應增加，由於工藝性空調負荷僅佔空調總負荷的1/4，空調水系統總幹管的管徑增大不多，增加的費用主要是空調支水管及附件費用;其三是冷源及水泵的初投資增加，空調冷源的總冷量為15000KW，工藝性空調冷量為500KW，僅佔空調冷源冷量的3.3%，因此，冷源及水泵的初投資增加有限;其四是空調自動控制系統的費用增加，由於控制室內溫度的要求，空調水系統的電動控制閥的自動控制費用增加。

　　3.2 空調機組執行費用比較

從表2，3可以看出，雙冷源比普通恆溫恆溼機組初投資增加19.3萬元，增加比例20%;執行年耗電費用減少了18.4萬元，減少比例37%;初投資增加額的回收期為12.6月，僅一年多的時間就能回收，節能效果非常顯著。

　　4 結語

工業廠房工藝性空調在有集中冷源可提供冷水的前提下，採用單元式恆溫恆溼機時，建議優先選用雙冷源恆溫恆溼機，其節能優勢顯著。當採用組合式空調機組時，建議採用雙表冷器的方式，冷水錶面冷卻器採用集中冷源，作為第一冷源，風(水)冷直接蒸發式空氣冷卻器作為備用冷源。使用時優先使用集中冷源，在集中冷源停止供應時，自控切換為自帶冷源。

另外，筆者還有一個設想，目前的單元式雙冷源恆溫恆溼機組的冷水錶面冷卻器與直接蒸發式空氣冷卻器的連線方式為串聯式，建議增加另一種形式—並聯式，或者在串聯式的形式上設定旁通閥，以減少機組執行內部阻力，進一步節省電能。

但增加旁通閥會使空調機組的體積增大，機組設計製造方面的難度會加大，能否實現還有待於空調裝置製造商和暖通設計師的共同努力。