文｜北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 張 寧 李炎鋒 李俊梅

北京軍區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)院 胡世陽

1 引言

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代的美國，因可以持續(xù)根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)整送風(fēng)量，大幅降低送風(fēng)機(jī)的能耗，相比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有更為明顯的節(jié)能效果而被廣泛應(yīng)用。除去設(shè)備選型的問題外，變風(fēng)量末端控制程序的優(yōu)劣也對系統(tǒng)控制效果有著直接的影響。在工程應(yīng)用中，存在著由于變風(fēng)量末端調(diào)節(jié)性能較差，造成整個(gè)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制不穩(wěn)定、超調(diào)過大、調(diào)節(jié)時(shí)間過長......使用效果達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期的問題[1]。西安建筑科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等做了大量有關(guān)變風(fēng)量末端控制器、變風(fēng)量控制程序的研究[2]。

2 變風(fēng)量末端裝置

VAV空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的典型內(nèi)容是由VAV末端裝置來根據(jù)室內(nèi)要求進(jìn)行送風(fēng)量控制。常用變風(fēng)量末端可按照控制方法分為壓力無關(guān)型和壓力有關(guān)型兩種[3]。

（1）壓力無關(guān)型末端風(fēng)口（Pressure independent）

末端入口壓力變化時(shí)，通過末端的風(fēng)量也將發(fā)生變化。壓力無關(guān)型末端可利用風(fēng)速傳感器計(jì)算出實(shí)際的空氣流量；通過風(fēng)量調(diào)節(jié)回路，根據(jù)風(fēng)量的偏差快速地補(bǔ)償壓力的變化，維持原有風(fēng)量。

（2）壓力有關(guān)型末端風(fēng)口（Pressure dependent）

壓力有關(guān)型末端利用溫度控制器直接控制風(fēng)閥開度，而不設(shè)風(fēng)量傳感器和控制器。末端對于壓力的影響要等到室內(nèi)溫度隨風(fēng)量的變化而改變以后才會有所反映，在時(shí)間上有較大滯后性。

3 變風(fēng)量末端控制程序

按照壓力無關(guān)型末端考慮，變風(fēng)量末端控制程序的控制邏輯主要分為房間所需風(fēng)量控制和房間風(fēng)閥開度控制兩部分，控制內(nèi)容主要為：

◆ 利用末端控制器設(shè)定送風(fēng)溫度值、送風(fēng)量值；

◆ 利用溫度傳感器采集控制區(qū)域?qū)嶋H溫度；將之與設(shè)定溫度進(jìn)行對比，得出偏差；據(jù)此，利用PID控制器計(jì)算得出送風(fēng)量；

◆ 對PID控制器計(jì)算出的送風(fēng)量與設(shè)計(jì)的最大、最小送風(fēng)量進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，得出室內(nèi)所需送風(fēng)量；

◆ 利用風(fēng)量傳感器采集房間實(shí)際風(fēng)量；將之與室內(nèi)所需送風(fēng)量進(jìn)行對比，得出偏差；據(jù)此，利用PID控制器計(jì)算出風(fēng)閥開度；

◆ 上傳數(shù)據(jù)到中央控制管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或從中央控制管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下載控制設(shè)定參數(shù)。

控制流程如圖1所示。

其中，最大、最小風(fēng)量值設(shè)定尤為重要，對系統(tǒng)的控制效果有著決定性的影響。最大送風(fēng)量計(jì)算采用顯熱—溫差法。各變風(fēng)量末端裝置所對應(yīng)的溫度控制區(qū)的熱濕比不盡相同，當(dāng)各溫度控制區(qū)的室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)干球溫度相同時(shí)，末端裝置的送風(fēng)溫差也相同，末端裝置的最大風(fēng)量與所對應(yīng)溫度控制區(qū)的顯熱負(fù)荷成線性關(guān)系[4]：

式中，GS為末端裝置送風(fēng)量，單位為kg/s；QS為溫度控制區(qū)的顯熱負(fù)荷，單位為kW；tN為溫度控制區(qū)的室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)干球溫度，單位為℃；tS為溫度控制區(qū)的送風(fēng)干球溫度，單位為℃。

變風(fēng)量末端裝置的設(shè)計(jì)最小風(fēng)量通常取設(shè)計(jì)最大風(fēng)量的30%～40%。

（1）房間所需風(fēng)量控制程序

房間所需風(fēng)量控制程序如圖2所示。圖中，變量AV-67代表房間所需的最大風(fēng)量，AV-69代表房間所需的最小風(fēng)量，AI-0為房間實(shí)際溫度，AV-90為房間設(shè)定溫度。設(shè)計(jì)最大風(fēng)量及最小風(fēng)量均根據(jù)各房間設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，通過計(jì)算確定。具體設(shè)計(jì)思路為：利用溫度傳感器采集房間內(nèi)的實(shí)際溫度，利用模擬值比較模塊（COMPARATOR）判斷AI-0是否處于AV-90±0.2℃的范圍內(nèi)，進(jìn)而確定房間所需的實(shí)際送風(fēng)量（AI-4）。

①當(dāng)AI-0處于AV-90±0.2℃范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)際房間送風(fēng)狀態(tài)保持當(dāng)前狀態(tài)；根據(jù)AI-0與AV-90的偏差，利用PI控制模塊調(diào)節(jié)送風(fēng)量，再利用線性輸出模塊（LINEAR SCALER）對PID控制器計(jì)算出的送風(fēng)量與設(shè)計(jì)的最大、最小送風(fēng)量進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，計(jì)算出室內(nèi)所需送風(fēng)量。

②AI-0低于AV-90±0.2℃范圍下限，且持續(xù)5分鐘，說明送風(fēng)量已經(jīng)足夠，應(yīng)關(guān)閉送風(fēng)閥。

③AI-0高于AV-90±0.2℃范圍上限，說明需要增大送風(fēng)量，此時(shí)應(yīng)根據(jù)AI-0與AV-90的偏差，利用PI控制模塊調(diào)節(jié)送風(fēng)量，再利用線性輸出模塊對PID控制器計(jì)算出的送風(fēng)量與設(shè)計(jì)的最大、最小送風(fēng)量進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，計(jì)算出室內(nèi)所需送風(fēng)量。

（2）房間風(fēng)閥開度控制程序

房間風(fēng)閥開度控制程序，如圖3所示。圖中，AI-10為房間變風(fēng)量末端自帶的畢托管流量計(jì)測量的實(shí)測風(fēng)量——因該流量計(jì)有測量誤差，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測試后用變量AV-12及數(shù)值3.6來修正，變量AV-13為修正后的實(shí)測風(fēng)量。具體設(shè)計(jì)思路為：當(dāng)AV-13不在AV-4±3%的范圍內(nèi)時(shí)，以AV-4為PI計(jì)算模塊中的設(shè)定值進(jìn)行PI計(jì)算，求得并輸出房間風(fēng)閥開度。

圖1 控制流程圖

圖2 房間所需風(fēng)量控制程序示意圖

圖3 房間風(fēng)閥開度控制程序示意圖

4 結(jié)束語

上述變風(fēng)量系統(tǒng)末端控制程序應(yīng)用于北工大智能建筑實(shí)驗(yàn)臺后，在空調(diào)房間設(shè)定溫度為24℃時(shí)，利用溫度傳感器采集到的室內(nèi)實(shí)際溫度為23.5～24.5℃，符合舒適性空調(diào)的要求。該程序由Alerton軟件中的Visual Logic編程軟件編輯而成，以模塊化形式顯示，結(jié)合末端控制流程，可讀性強(qiáng)，而且支持根據(jù)實(shí)際情況利用Alerton軟件更改設(shè)定參數(shù)以與時(shí)變性極強(qiáng)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相適應(yīng)，對實(shí)際工程建設(shè)具有一定的參考作用。

1 孫晴.VAV中央空調(diào)末端控制器的開發(fā)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2009.

2 胡世陽，李炎鋒，張寧.基于Alteron的VAV空調(diào)主機(jī)中變靜壓控制程序的開發(fā)[J].智能建筑與城市信息，2011（3）：81-85.

3 黃治鐘.樓宇自動化原理[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

4 葉大法.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007.