中國建筑科學(xué)研究院有限公司 廖 滟 陳昭文 魏 崢 牛利敏 吳凌宇 張世棟北京美瑞泰富置業(yè)有限公司 景雪梅

0 引言

由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有舒適性高、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于我國的高端辦公樓中。但是，筆者通過對多個項目的現(xiàn)場評估發(fā)現(xiàn)，我國的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實際運行效果欠佳，多數(shù)項目在運行過程中直接變成了“定風(fēng)量”空調(diào)系統(tǒng)，即風(fēng)機頻率維持在工頻，或由物業(yè)手動設(shè)定，不能根據(jù)實際負荷需求自動變頻。究其原因主要是施工過程中，空調(diào)專業(yè)與自控專業(yè)調(diào)適脫節(jié)、界限不清、管理混亂等。對于新建建筑或改造建筑，應(yīng)從施工階段開始重視全過程調(diào)適，預(yù)防問題的產(chǎn)生。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)自動化需求高，僅開展空調(diào)專業(yè)的調(diào)適不能實現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動運行。因此，對于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)而言，調(diào)適中的關(guān)鍵一環(huán)是開展空調(diào)專業(yè)、自控專業(yè)的聯(lián)合運行調(diào)適。

1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的常見問題

基于筆者團隊的工程實踐，發(fā)現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中常見的與自控系統(tǒng)相關(guān)的問題包括：

1) 傳感器的準確性較差。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，最常見的現(xiàn)象是變風(fēng)量末端裝置(VAV box)的風(fēng)量傳感器的準確性較差，普遍原因是未進行整定。由于風(fēng)量傳感器與自控系統(tǒng)本身存在系統(tǒng)誤差，且廠家與自控供應(yīng)商不同，導(dǎo)致設(shè)備的機械部分與自控部分不匹配，因此需要在現(xiàn)場重新進行整定[1]。其他傳感器出現(xiàn)準確性較差主要是由自控專業(yè)接線錯誤或傳感器量程輸入錯誤造成的。

2) 執(zhí)行器控制效果較差。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的執(zhí)行器包括組合式空調(diào)機組的電動風(fēng)閥、水閥及VAV box的風(fēng)閥等配件。由于接線錯誤或執(zhí)行器卡死，開關(guān)控制的執(zhí)行器經(jīng)常會出現(xiàn)控制反向或不受控現(xiàn)象，具體原因需空調(diào)和自控專業(yè)同時調(diào)適發(fā)現(xiàn)。連續(xù)控制的執(zhí)行器還經(jīng)常出現(xiàn)無法完全關(guān)閉的情況，其主要原因為執(zhí)行器未調(diào)零。

3) 控制功能錯誤。在空調(diào)設(shè)計時，僅僅記述了變風(fēng)量控制需求，自控設(shè)計則根據(jù)需求設(shè)計控制點位，但兩者都未對具體的控制功能進行設(shè)計或說明。在很多項目中，自控廠家僅僅是使用一個常用程序?qū)胱钥叵到y(tǒng)，未針對具體系統(tǒng)、具體需求進行編程，導(dǎo)致變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)不能滿足用戶的實際需求。

4) 參數(shù)設(shè)置或個別問題影響整體運行。在實際運行中，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)置、個別問題的發(fā)生都會影響整個系統(tǒng)的運行。例如，靜壓設(shè)定值偏高、個別VAV box的采樣管斷裂等，從而造成機組一直工頻運行。由于VAV box數(shù)量眾多，在調(diào)適過程中，很難做到對所有設(shè)備進行檢查和調(diào)適，一般都是按一定比例抽驗。因此，在自控系統(tǒng)調(diào)適完成后，還應(yīng)該進行運行效果全面驗證，通過運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題。

2 全過程調(diào)適技術(shù)體系

機電系統(tǒng)調(diào)適是通過對建筑機電系統(tǒng)的全過程檢查、測試、調(diào)整、驗證、優(yōu)化等工作，使建筑機電系統(tǒng)性能、功能達到設(shè)計要求和使用要求，保證全工況高效運行、滿足舒適要求的程序和方法。全過程調(diào)適技術(shù)體系基于全過程質(zhì)量控制理念，結(jié)合我國工程建設(shè)管理現(xiàn)狀，劃分了調(diào)適階段，制定了標準化的操作方法。全過程調(diào)適包含6個階段：調(diào)適預(yù)檢查、單機試運轉(zhuǎn)、設(shè)備性能調(diào)適、系統(tǒng)性能調(diào)適、聯(lián)合運行調(diào)適、季節(jié)性驗證，見圖1。以上工作跨越了建設(shè)施工階段和運行階段，其中聯(lián)合運行調(diào)適是在施工階段接近尾聲、運行階段即將開始時實施。全過程調(diào)適技術(shù)體系已在部分常規(guī)空調(diào)項目中采用，調(diào)適效果顯著[2]。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，因此聯(lián)合運行調(diào)適方法不同于常規(guī)空調(diào)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行調(diào)適主要對自控系統(tǒng)進行測試和驗證，確保變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與自控系統(tǒng)的集成是可靠并優(yōu)化的，因此需要跨專業(yè)來實施。

圖1 全過程調(diào)適技術(shù)體系

3 聯(lián)合運行調(diào)適方法

總的來說，聯(lián)合運行調(diào)適是基于自控系統(tǒng)，對變風(fēng)量空調(diào)的聯(lián)合運行效果及性能進行動態(tài)驗證和優(yōu)化。對于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，聯(lián)合運行調(diào)適主要在組合式空調(diào)機組、VAV box及相關(guān)自控系統(tǒng)同時作用時開展。筆者根據(jù)工程經(jīng)驗，總結(jié)了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行調(diào)適方法，包括傳感器準確性驗證、執(zhí)行器控制能力驗證、系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及驗證、運行效果驗證。傳感器和執(zhí)行器驗證主要是針對單點進行驗證，確保單項功能正常。系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及驗證是針對復(fù)雜的控制需求制定詳細的邏輯，并驗證邏輯是否滿足運行要求。以上工作完成可實現(xiàn)當前工況下系統(tǒng)控制功能正常，但不能確保未來系統(tǒng)動態(tài)運行時所有設(shè)備正常運行、所有參數(shù)符合當前控制要求，因此需開展運行效果驗證。運行效果驗證是基于自控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，及時甄別運行過程中的問題，提醒運維人員及時解決。具體如下：

1) 傳感器準確性驗證。① 檢查所有傳感器的型號、精度、量程與所配儀表是否相符，并進行刻度誤差校驗，檢查是否達到產(chǎn)品技術(shù)文件要求；② 檢查自控系統(tǒng)輸入的傳感器量程及電參數(shù)是否正確；③ 控制器讀取的傳感器數(shù)據(jù)與現(xiàn)場的測量值、狀態(tài)是否一致；④ 現(xiàn)場測試需使用經(jīng)標定過的準確儀器；⑤ VAV box的風(fēng)量傳感器讀數(shù)偏差較大時需開展現(xiàn)場整定。

2) 執(zhí)行器控制能力驗證。① 對執(zhí)行器進行動作特性校驗，驗證執(zhí)行器的動作和動作順序是否與設(shè)計的工藝要求相符；② 自控系統(tǒng)讀取的執(zhí)行器狀態(tài)是否與現(xiàn)場的狀態(tài)一致；③ 對調(diào)節(jié)閥和其他執(zhí)行機構(gòu)作調(diào)節(jié)性能模擬試驗，測定全行程距離與全行程時間，調(diào)整限位開關(guān)位置，標出滿行程的分度值，驗證是否達到產(chǎn)品技術(shù)文件要求。

3) 系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及驗證。① 基于設(shè)計原則及現(xiàn)有自控點位，對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯進行優(yōu)化；② 自控廠家編程后，在系統(tǒng)運行時對控制邏輯進行驗證；③ 通過驗證發(fā)現(xiàn)的不合理問題及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)或修改程序。

4) 運行效果驗證。① 基于自控系統(tǒng)記錄的運行數(shù)據(jù)及專家知識，建立變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)運行效果的貝葉斯模型；② 利用模型自動識別運行問題，提醒運維人員進行整改；③ 利用最新的自控數(shù)據(jù)不斷修正模型，使模型持續(xù)適應(yīng)當前空調(diào)系統(tǒng)。

4 案例介紹

某高端辦公樓位于北京市朝陽區(qū)大望京2號地626地塊，為超高層辦公建筑?？偨ㄖ娣e124 500 m2，其中地上建筑面積80 000 m2，地下建筑面積44 500 m2。其中4～40層為辦公樓層(避難/機房層位于13、27層)。

該項目冷源系統(tǒng)為冰蓄冷系統(tǒng)，熱源為市政供暖。辦公樓層采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，分為內(nèi)外2個區(qū)。內(nèi)區(qū)采用單風(fēng)道變風(fēng)量末端送風(fēng)裝置；電梯廳采用單風(fēng)道變風(fēng)量末端內(nèi)置加熱盤管；外區(qū)采用內(nèi)置加熱盤管的并聯(lián)風(fēng)機動力型變風(fēng)量末端送風(fēng)裝置。新風(fēng)由新風(fēng)機組集中處理，在每層的入口設(shè)置定風(fēng)量(CAV)閥。變風(fēng)量機組的排風(fēng)閥及過渡季新風(fēng)閥均采用可測流量調(diào)節(jié)閥。

5 聯(lián)合運行調(diào)適過程

5.1 傳感器準確性驗證

傳感器準確性驗證時需使用測量精度高的儀器，建議使用標定儀器。例如，風(fēng)速測量儀器在其量程范圍內(nèi)的測量誤差應(yīng)在±5%之內(nèi)。驗證時需固定變風(fēng)量空調(diào)機組和VAV box的各項執(zhí)行器，防止驗證過程中數(shù)據(jù)波動。案例中抽驗的傳感器包括：VAV box風(fēng)量、VAV box溫控器的溫度、機組送風(fēng)溫濕度、回風(fēng)CO2濃度、主管靜壓、送風(fēng)風(fēng)量傳感器。驗證結(jié)果如下。

1) VAV box風(fēng)量?，F(xiàn)場共抽驗了52臺VAV box，其中有7臺VAV box顯示風(fēng)量與實測風(fēng)量的偏差大于15%，其余45臺則小于15%。偏差較大的VAV box直徑均為203 mm(8英寸)。這說明廠家提供的風(fēng)量計算系數(shù)與實際運行中的數(shù)值相差較大，因此現(xiàn)場對此型號VAV box的風(fēng)量傳感器重新進行整定，整定后復(fù)驗結(jié)果顯示，其準確性符合使用要求。整定結(jié)果見圖2。

2) VAV box溫控器的溫度。在準確性驗證前，已對安裝位置進行了檢查，對于不在控制氣流中的傳感器進行了移位。對21臺VAV box溫控器的溫度傳感器進行驗證，結(jié)果見圖3。由結(jié)果可知，其中12臺的溫度差值小于0.5 ℃，其余均小于1.0 ℃，說明溫度傳感器準確性較好。

圖3 VAV box溫度傳感器驗證結(jié)果

3) 機組送風(fēng)溫濕度。抽驗了10臺空調(diào)機組的送風(fēng)溫濕度傳感器。從測試結(jié)果(見圖4)可知，傳感器準確性較好。

4) 其他傳感器驗證。在CO2體積分數(shù)、主管靜壓及機組送風(fēng)量傳感器驗證時，筆者發(fā)現(xiàn)傳感器的反饋值與實測值存在較大偏差。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是自控系統(tǒng)輸入的傳感器量程范圍與傳感器的銘牌量程不符。以CO2體積分數(shù)為例，通過對25層和26層機組的抽驗可知，傳感器的反饋值遠小于實測值，且小于室外濃度，見表1。經(jīng)查驗，CO2體積分數(shù)傳感器的實際量程為0～2 000×10-6，自控系統(tǒng)設(shè)置為0～1 000×10-6。后經(jīng)過程序修改，傳感器可正常使用。

表1 空調(diào)機組回風(fēng)CO2體積分數(shù)傳感器驗證結(jié)果

5.2 執(zhí)行器控制能力驗證

執(zhí)行器驗證前先將自控系統(tǒng)調(diào)整至手動狀態(tài)，不受控制邏輯影響，然后手動給出控制命令，現(xiàn)場觀察執(zhí)行器動作。案例中抽驗的組合式空調(diào)機組的執(zhí)行器包括：電動水閥、CAV閥、過渡季新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、回風(fēng)閥、靜電除塵器、變頻器。驗證數(shù)量為11臺組合式空調(diào)機組及其負責(zé)的547臺VAV box。

1) 組合式空調(diào)機組的執(zhí)行器。

經(jīng)驗證可知，執(zhí)行器出現(xiàn)各種問題的比例較高，產(chǎn)生的原因不僅有空調(diào)專業(yè)原因，還有自控專業(yè)原因，見表2和圖5。例如，在驗證的11臺機組中，有10臺變頻器由于未進行參數(shù)復(fù)位而導(dǎo)致無法遠程控制，比例高達91%。

電動水閥驗證時發(fā)現(xiàn)水閥不受控，經(jīng)現(xiàn)場確認，控制器反饋信號與輸入控制信號相反。輸入信號為10 V時，閥門全開，此時反饋信號為0 V，顯示為關(guān)。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)場接線錯誤，除此之外，水閥接線還存在跳線問題，見圖6。

表2 空調(diào)機組執(zhí)行器問題表現(xiàn)及原因

圖6 電動水閥接線

CAV閥的主要問題是中控顯示無風(fēng)量或無法控制風(fēng)量問題，原因包括：采樣管折斷、程序錯誤。過渡季新風(fēng)閥和排風(fēng)閥均為可測流量調(diào)節(jié)閥，但安裝后經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)閥關(guān)不嚴或無法控制風(fēng)量問題，原因是閥門未調(diào)零、閥桿卡死?；仫L(fēng)閥控制反向則是現(xiàn)場設(shè)置錯誤，重新調(diào)整圖7中的設(shè)置旋鈕后控制正常。靜電除塵器經(jīng)常出現(xiàn)故障報警，部分由于安裝時擠壓電極板造成變形從而短路，另一部分是自控專業(yè)接線錯誤或設(shè)定錯誤。變頻器無法遠程控制是因為設(shè)置時未進行參數(shù)復(fù)位。

圖7 回風(fēng)閥正反轉(zhuǎn)設(shè)置

2) VAV box。

VAV box主要問題是閥門不可控或風(fēng)量不可控，原因包括：執(zhí)行器脫扣、程序錯誤、VAV box掉線、采樣管脫落等，分布情況見圖8。采樣管容易脫落的位置有兩處——傳感器接口和執(zhí)行器接口，見圖9。

圖8 VAV box各類問題分布

圖9 采樣管脫落位置

5.3 系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及驗證

筆者基于設(shè)計原則及現(xiàn)有自控點位，對變風(fēng)量系統(tǒng)的控制邏輯進行優(yōu)化。自控廠家編程后，在系統(tǒng)運行時對控制邏輯進行驗證。優(yōu)化后，變風(fēng)量空調(diào)機組的控制原理圖見圖10～12。

圖10 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制原理圖

圖11 變風(fēng)機頻率控制原理圖

本案例的風(fēng)量控制方法為變靜壓控制法。首先根據(jù)VAV box需求風(fēng)量計算風(fēng)機的初始頻率，統(tǒng)計高負荷工況(風(fēng)閥開度大于90%)的VAV box數(shù)量，當大于死區(qū)數(shù)量時，提高風(fēng)機頻率，反之統(tǒng)計低負荷工況(風(fēng)閥開度小于70%)的VAV box數(shù)量。當?shù)拓摵蓴?shù)量大于死區(qū)數(shù)量時降低風(fēng)機頻率。死區(qū)是指不作用區(qū)。設(shè)置死區(qū)數(shù)量主要是因為本案例的VAV box數(shù)量較多，為防止個別VAV box存在故障而引起風(fēng)機頻率大幅波動，造成風(fēng)管嘯叫，以及為方便后續(xù)精細化調(diào)適，各項自控參數(shù)均可調(diào)，如步長、上下限、死區(qū)數(shù)量等。

自控編程后，筆者基于自控系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制功能進行了驗證，發(fā)現(xiàn)了以下問題。

1) 風(fēng)機的變頻控制不穩(wěn)定。這主要是因為變頻步長設(shè)置過大而死區(qū)設(shè)置數(shù)量較少。前文已描述系統(tǒng)的VAV box數(shù)量較多，個別VAV box的問題未整改或無條件整改，頻率步長過大則容易造成頻率變化過大。因此，通過降低變頻步長和調(diào)整死區(qū)設(shè)置數(shù)量來克服此問題。優(yōu)化前后頻率逐時變化見圖13。

圖12 送風(fēng)溫度控制原理圖

圖13 空調(diào)機組優(yōu)化前后頻率逐時變化情況

2) 送風(fēng)溫度設(shè)定值變化較慢?？照{(diào)機組冬夏季均供冷，控制邏輯相同。精細化調(diào)適前，冬夏季的送風(fēng)溫度初始設(shè)定值為15 ℃，調(diào)節(jié)范圍為12～22 ℃，造成冬季送風(fēng)溫度變化較慢。調(diào)適后，夏季的送風(fēng)溫度初始設(shè)定值為14 ℃，調(diào)節(jié)范圍為12～18 ℃；冬季的送風(fēng)溫度初始設(shè)定值為20 ℃，調(diào)節(jié)范圍為16～22 ℃。送風(fēng)溫度變化較為明顯。優(yōu)化前后送風(fēng)溫度逐時變化見圖14。

圖14 空調(diào)機組優(yōu)化前后送風(fēng)溫度逐時變化情況

3) 過渡季新風(fēng)量、排風(fēng)量很難達到設(shè)定值。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，這主要是因為新、排風(fēng)機組人為手動控制運行臺數(shù)和變頻，造成實際送風(fēng)量滿足不了各樓層風(fēng)量需求。參考變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)量控制原理，對新、排風(fēng)系統(tǒng)進行控制優(yōu)化，實現(xiàn)新風(fēng)量和排風(fēng)量變靜壓控制。優(yōu)化前后見圖15。

聯(lián)合運行調(diào)適時僅驗證了控制功能的正確性不能滿足要求，還需對各項自控參數(shù)進行精細化調(diào)適，設(shè)定符合本系統(tǒng)的自控參數(shù)才能實現(xiàn)變風(fēng)量系統(tǒng)的精準調(diào)節(jié)。

5.4 運行效果驗證

筆者梳理了案例運行過程中的VAV box典型問題及表征，結(jié)合貝葉斯原理建立驗證模型。整理與VAV box設(shè)備關(guān)聯(lián)性強的12個常見運行問題，作為效果驗證的目標，同時選取室內(nèi)溫度為關(guān)鍵指標，以“室內(nèi)溫度偏高/偏低”作為2個問題表征，典型問題和問題表征分別如表3、4所示。

表3 VAV box典型問題

表4 VAV box問題表征

構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖如圖16所示，其中1～12號分別對應(yīng)典型問題F1～F12，13、14號分別對應(yīng)問題表征E1、E2。選取300臺相同型號VAV box為樣本，其負責(zé)區(qū)域人員、設(shè)備、面積等運行工況相似。

圖16 VAV box效果驗證貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)建筑實際情況和工程經(jīng)驗對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中存在的條件概率進行賦值，確定先驗概率，并結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)迭代尋優(yōu)，直到精度滿足要求，得到所有問題表征與典型問題對應(yīng)的后驗概率。在模型應(yīng)用時，輸入實際運行數(shù)據(jù)，基于后驗概率計算當前工況下故障問題的實際發(fā)生概率。通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型計算得到F1～F12與E1、E2對應(yīng)的后驗概率，以F1～F3為例，如表5所示，其中L1表示滿足判定條件，即發(fā)生該故障問題；L2表示不滿足判定條件，即未發(fā)生該故障問題。

表5 問題表征-典型問題對應(yīng)后驗概率

選取2019年3月逐時運行參數(shù)作為效果驗證樣本，使用貝葉斯模型進行計算，得到各類問題逐時實際發(fā)生的概率，每小時問題發(fā)生概率大于0.6則認為該小時內(nèi)發(fā)生此問題。統(tǒng)計建筑3月內(nèi)此300臺VAV box各問題出現(xiàn)的累計時長。如圖17所示，該建筑VAV box運行效果存在一定問題，其中F4、F6問題發(fā)生時間最長，即該建筑主要運行問題為最高風(fēng)量設(shè)定值偏小和閥門強制控制?？梢姡撔Ч炞C工作能夠為后續(xù)調(diào)適、檢修等工作提供有效的指導(dǎo)意見。

圖17 VAV box運行效果驗證結(jié)果(2019年3月)

6 結(jié)語

以實際項目為例，介紹了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行調(diào)適方法，包括傳感器準確性驗證、執(zhí)行器控制能力驗證、系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及驗證、運行效果驗證。在系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化過程中，不僅要驗證自控系統(tǒng)是否實現(xiàn)控制邏輯的要求，還需特別關(guān)注自控參數(shù)的精細化調(diào)適，參數(shù)設(shè)定準確方能實現(xiàn)精細化控制的要求。另外，利用自控系統(tǒng)對運行效果進行驗證，及時準確判斷運行中的問題將是未來變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制需求的新方向。