针对VAV变风量系统控制的研究和探索

文｜朗德华信（北京）自控技术有限公司 姜永东

清华城市规划设计研究院 张 野

1 引言

在VAV变风量系统中，特殊条件下的控制系统和控制模式非常重要，是保证VAV系统稳定工作的重要手段，本文就高大空间场所VAV变风量系统中暖通设计方面几个易于出现的难题进行交流和探索。

2 VAV变风量系统中高大空间场所的温度均匀与局部温度控制

办公楼、酒店、展览馆、机场等建筑，经常有高大空间场所，其温度及局部温度控制成为难题。

从原理上讲，VAV变风量空调系统对室内空气温湿度、CO2浓度的控制通过送回风系统实现，送回风系统能否营造良好的室内气流组织是决定室内环境能否达到设计要求的关键，因为实现高大空间室内温度场均匀分布，要求空气调节区的气流组织良好。

空气调节区的气流组织，指的是通过合理地布置送风口和回风口，使空调机送出的空气，由送风口不断进入空调区，与室内空气混合、置换，能够均匀地消除空调区的余热余湿，并由回风口连续抽走室内被置换的空气，从而维持室内空气平衡，使空调区内获得符合设计要求的，比较均匀稳定的温湿度、气流速度和洁净度。

较为常见的高大空间气流组织形式和送风方式如下：

◆ 顶部送风，顶部回风，送风方式有喷口送风、旋流送风；

◆ 侧向送风，上送下回，送风方式有喷口送风、百叶送风；

◆ 下部送风，包括置换通风、地板送风、岗位送风等，风口型式有置换通风口、地板散流器。

2.1 高大空间场所送风系统通常需要解决的关键点问题

（1）采用顶送顶回气流组织方式的高大空间，需注意上部回风口可能对附近送风口的送风气流产生影响，造成局部短路。

（2）在演艺厅等远离舞台方向的观众席逐渐升高，随着舞台距离的增大，观众席（即工作区）与送风口的距离会逐渐减小。因此，应将远离舞台的送风口和舞台附近的送风口区别对待，否则会造成距离风口近的观众席风速过高，局部过冷。应该调整此处的风口送风方向或另行选择合适的风口尺寸及位置。

（3）均匀的送风分配是良好的气流组织的重要保证，需在送风静压箱的主干管分支处设置调节阀，在线形风口送风软管处设置蝶阀，对带数个风口的中间支管同样设置风量调节装置，以保证实现各风口均匀送风。

（4）VAV变风量空调机均为变频风机，在实际运行中，当负荷减小时，应保证气流组织在不受明显影响的前提下减小送风量（即采用风优先控制策略），如无法保证，则应优先减小送风温差来适应负荷变化（即采用水优先控制策略）。

（5）对于采用上送风方式的风口，应进行气流射程和风速验算，校核气流射程是否能够达到地面上空2m，以及工作区风速是否满足舒适要求。

（6）在高大空间内常选用串联风机动力型末端，以便维持末端送风量的稳定，保持设计状态的气流组织。

2.2 高大空间场所局部温度控制采取的方法

高大空间的小范围局部温度控制调节难以通过上部送风的方式实现，这是因为上部送风并非直接送风至工作区，局部改变某个末端的送风状态对此风口负责区域的空气参数有一定影响，但此区域同时也受到大空间其他区域的影响，因此无法精确控制。

不过，对大空间内一定区域的整体控制则能够实现。首先，应在设计时明确哪些区域有独立控制的要求，将整个大空间按照控制要求划分区域，对不同区域分别布置送风主管、回风主管（只在不同区域可能有临时隔断时分设，如大空间始终是一个整体，则对大空间统一回风即可），并在送风主管、回风主管上设置电动风阀，根据区域使用情况确定电动风阀的启闭，同时使空调机送、回风机根据电动风阀开启状况变频运行。区域电动风阀的开度也可根据区域温度传感器测得的温度进行调节，可在一定程度上实现区域的独立温度控制。

需要指出的是，当大空间所有区域中的空调机组DDC控制器均检测到电动阀开度减小现象时，应通过空调机变频统一减小送风量，以节约风机耗电；或通过空调机统一调整送风温度，维持稳定的送风量保证气流组织。

3 VAV变风量回风系统的风量平衡问题的解决方法

（1）国内常见的VAV变风量系统空调形式有：

◆ 单风机空调机+多层共用的总排风机和总新风机；

◆ 双风机空调机+多层共用的总排风机和总新风机。

（2）为保持变风量系统风量平衡，可以采取如下措施：

①单风机空调机组：通过保持总新风管道正压值、总排风管道负压值（通过压力测点测得的压力值控制总送、排风机的变频实现），以及设定新风管、排风管定风量阀设定值，控制系统新风量、排风量，保证回风量与送风机变速同步波动根据室内外压差传感器测量值，调整排风管定风量阀设定值（须保证新风管定风量阀设定值大于排风管定风量阀设定值），维持室内正压。

②双风机空调机组（如图1所示）：通过总新、排风机的控制，保证总新、排风管道压力的稳定。空调机送风机、回风机连锁控制，同开同关，同步变频变速控制；同时，根据室内外压差传感器测量值，调整回风机频率，当室内外压差大于10Pa时提高回风机频率，当室内外压差小于5Pa时降低回风机频率。

4 VAV变风量新风系统控制的基本原则

在空调季尽量减小新风处理负荷，措施是保持最小新风量运行，并通过转轮回收装置进行全热回收。

在过渡季保持最大新风量运行，尽量利用天然冷源给室内供冷。

在空调季中，以最小新风比运行时，因负荷减小，如果由于总送风量减少导致新风量偏低、CO2浓度超标，需调整新、排风比例，提高新风比，保证新风量。

下面以深圳市的一个建筑项目为例，通过气象情况分析VAV变风量系统在过渡季的全新风运行状况及控制策略。（分析采用的逐时气象参数为深圳市标准典型气象年参数，其数据来源为中国气象局与清华大学联合开发的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。图2、图3为深圳市室外全年逐时干球温度、含湿量曲线图，图4为根据逐时干球温度、含湿量计算出的逐时室外空气焓值曲线。）

图2 深圳市室外空气逐时干球温度曲线图

图3 深圳市室外空气逐时含湿量曲线图

图4 深圳市室外空气逐时焓值曲线图

由气象数据可知，深圳市过渡季室外空气最低温度为5℃左右，焓值低达20kJ/kg.干，新风运行有三种情况：

（1）新风焓值较室内焓值低很多，部分新风运行（新风机、送风机均变频），新风即可完全消除室内负荷，不开启冷冻机制冷，无回风。

（2）新风焓值较室内焓值低，最大新风运行，新风可完全消除室内负荷，不开启冷冻机制冷，无回风；

（3）新风焓值较室内焓值低，最大新风运行也不能完全消除室内负荷，开启冷冻机辅助制冷，无回风。

需要指出的是，新风焓值较室内焓值低时，全新风运行能节省部分制冷量，但是新风机耗电却增加，因此需要确定一个合理的启动全新风的新风焓值，使得节省的冷机电耗大于风机电耗。如果设定的新风焓值过低，全新风运行的时间过短，不能充分利用新风冷量；反之，设定焓值过高，节省的冷机电耗不能抵消风机电耗，反而费能。因此，由最小新风切换到最大新风的控制策略的关键是确定室内设定焓值。对本项目全新风风机的配备进行初步计算，当回风焓值大于新风焓值5kJ/kg.干时，即可启用全新风运行。表1给出了不同室内设定焓值对应的全新风运行时间情况（计算时已经将国家法定节假日从建筑使用时间中去除，上班时每天使用时间为7时至20时）。

表1 室内设定焓值与全新风运行时间的对应关系表

此项目具体的全年新风系统控制策略如下：

（1）空调季节，当回风温度低于室外新风温度4℃且回风焓值低于新风焓值4kJ/kg.干时，启动转轮热回收装置，进入排风热回收工况；当回风温度低于室外新风温度不足4℃的情况持续一段时间后，停止运行转轮热回收装置，转入旁通新风工况。

（2）空调季节，新风机、排风机维持最小新风比运行。当回风的CO2浓度高于设定值时，提高新、排风定风量阀风量（CAV）设定值，增加新风量；当回风CO2浓度低于设定值下限时，减小新、排风定风量阀（CAV）风量设定值，减小新风量。

（3）当室外空气焓值低于启动全新风的设定焓值（室内设计焓值减5kJ/kg.干）时，进入全新风工况，开启空调机过渡季新风阀，关闭回风阀，连锁开启全部总新风机、总排风机。

当全新风不能完全消除室内余热时，根据室内温度控制空调机水阀开度；当全新风可完全消除室内余热时，关闭空调机水阀。

当新风温度过低时，根据室内温度值调节新风阀、回风阀，减少新风量，增加回风量，新风机、送风机变频运行。

（4）在全新风工况运行时，若室外空气焓值高于启动全新风的设定焓值，则停止全新风运行，转入最小新风量运行，进入空调季节工况。

对全新风、最小新风工况的转换不宜过于频繁，每天不应超过一次，系统切换策略需保证系统的稳定性。

5 对于VAV变风量系统中风量测量单元种类的建议

如果变风量系统采用定静压控制，静压传感器的安装位置（通常选在送风管路离风机2/3距离处）及其精度将直接影响系统的控制精度。

静压传感器经常因受到空气脏堵或安装偏差的影响，出现静压不准确的现象，而与此相比，风量测量单元装置FMS（Air Flow Measuring Station）则较为理想。FMS的精度远高于静压传感器，并且直接输出风量信号，消除了空调机组DDC在风量计算环节的误差，可大大提高变风量控制的精度。

FMS设备可以按照相应位置的送风管路对其规格尺寸的要求进行匹配生产和安装。其原理是通过在风管中安装平均风速传感器和静压传感器，精准地算出相应的风量和静压，并且采取空气过滤措施，保障传感器的使用寿命和精度。

6 变风量系统控制策略的选择和比较

目前，变风量系统风机常用的控制方法有定静压、变静压和总风量三种，以下对几种方法进行介绍和对比。

6.1 定静压控制方法

定静压控制方法即在风道上合适位置选定一个测点，测量该点静压，调节风机转速保证该点静压不变。该方法一直存在着一个难于解决的问题：静压测点的位置以及静压值的设定。可通过完善系统风道设计，尽量使主风道上静压一致，从而使静压测点的位置和静压值的设定变得相对简单。具体做法通常是选择主风道距风机出口2/3处（经验值）的静压为控制点，静压设定值取设计状况下的压力值并保持不变（这是为了保证每个末端在任何情况下都能调到最大设计风量）。这种控制方法最为简单实用，基本能满足变风量系统的控制要求。但是，设计系统和实际系统总是存在着一定的差异，实际运行效果很难真正做到同设计目标完全一致。此外，当整个系统都处于部分负荷工况时，高静压设定值会给风机增添不必要的能耗，而且末端的风阀开度过小会导致噪声较大。

6.2 变静压控制方法

变静压控制方法即根据末端装置VAV箱的风阀开度随时调整静压设定值，使系统中至少有一个末端装置风阀的开度接近全开。

以往的算法采用固定步长搜索法调整设定值，也就是说，如果风阀开度没有达到设定值，就在压力设定值上增减一个固定数值（步长），直到风阀开度达到令人满意的程度为止。然而步长大小很难确定，选择太大易产生振荡，选择过小又会导致调节过程太长。

为此，可允许一定量（Nmax）的末端风阀全开，使第Nmax+1个末端风阀的开度接近全开。当第Nmax+1个末端风阀的开度超过某一上限设定值时，PID控制器根据偏差输出提高静压的命令。相反的，当其小于某一下限设定值时，PID控制器输出降低静压的命令。

该算法的优点是采用PID算法“搜索”合适的静压设定值，比固定步长法响应速度快，精度高。不过，算法中的Nmax很难确定，而且当第Nmax+1个末端风阀的开度接近全开时，前Nmax个末端的资用压力可能已经不足了。因此，将其改造为如下算法：

◆ 设定末端风阀最大开度Lmax.set；

◆ 协调及采集各末端风阀开度值；

◆ 从中选取开度最大的末端，以它的开度值Lmax与Lmax.set的差作偏差，采用PID算法计算送风压力设定值。

经过修改之后，最终送风压力往往仅为初始设定值的一半左右，所以可以大大降低风机功耗。这种方法不仅能够最大限度地降低风机能耗，而且不必考虑传感器的安放位置。但是，变静压控制方法需要末端装置VAV箱阀位信号输出；此外，由于变静压控制方法存在强耦合性和非线性，变风量系统的调试对系统的成败具有很大的影响，而调试工作复杂、繁重，具有调试能力的公司并不多。

6.3 总风量控制方法

总风量控制方法比静压控制简单得多。它可以避免使用压力测量装置，减少风机的闭环控制环节；此外，它也不需要变静压控制方法所需的末端阀位信号。

总风量控制点是直接根据设定风量计算出的风机转速，具有某种程度上的前馈控制含义，而不同于静压控制的反馈控制。但设定风量并不是一个当房间负荷变化后立刻设定到未来能满足该负荷的风量（即稳定风量），而是一个由房间温度偏差积分出的逐渐稳定下来的中间控制量，因此在总风量控制方式下，风机转速也不是在房间负荷变化后立刻调节到稳定转速就不动了。从实质上来讲，总风量控制方法可以说是一种直接以房间温度偏差为依据，由PID控制器来控制转速的风机控制方法。

总风量控制在控制性能上具有快速、稳定的特点，不像压力控制那样，总是会使系统出现一些高频小幅振荡。其主要原因是总风量控制方法取消了压力控制环节，而传统控制方式由于存在压力测量压差，导致风机做出一些无谓的微小调节，使系统总是不可避免地出现小幅波动现象。而且实际系统中压力测量误差更大，控制算法往往要对其进行简单的滤波处理，再用来控制风机，否则系统稳定不下来。正是由于总风量控制的这个优点，使得控制系统不仅减少了初投资，而且还可以在初调试时大大减少工作量，并提高控制系统的可靠性。

总风量控制在风机节能上的效果介于变静压和定静压控制之间，并更接近于变静压控制。因为变静压控制算法较为复杂而且更容易引起系统压力振荡，所以从控制角度和节能角度上综合考虑，总风量控制不失为一种替代传统静压控制的有效方法。