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暖通空調(diào)：變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制

2022-04-18 瀏覽量：1153

就變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計而言，合理的系統(tǒng)設(shè)計方案、正確的變風(fēng)量末端裝置選型和清晰明確的系統(tǒng)控制策略是實現(xiàn)控制良好、經(jīng)濟(jì)節(jié)能變風(fēng)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文側(cè)重探討變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制，以期明確變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制要求。

1 變風(fēng)量末端裝置控制要求簡述

1.1 變風(fēng)量末端裝置控制

常用的變風(fēng)量末端裝置有單風(fēng)道節(jié)流型、串聯(lián)式和并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端裝置。變風(fēng)量末端裝置及其控制系統(tǒng)是集多種傳感器、執(zhí)行器及控制器于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。該一體化裝置可檢測一次風(fēng)風(fēng)量和空調(diào)區(qū)空氣溫度值，調(diào)節(jié)一次風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥和熱水再熱盤管電動調(diào)節(jié)閥，設(shè)定空調(diào)區(qū)空氣溫度值等。在各種變風(fēng)量機(jī)電一體化裝置中，該裝置的控制點最多，控制功能最復(fù)雜。

變風(fēng)量末端裝置主要完成以下控制功能：

1）一次風(fēng)量控制。變風(fēng)量末端裝置的控制器根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值與實測值的偏差信號比例積分調(diào)節(jié)一次風(fēng)送風(fēng)量。

2）再熱控制。變風(fēng)量末端裝置一般采用熱水再熱盤管或電加熱器進(jìn)行再熱。對于熱水再熱盤管，控制器根據(jù)室內(nèi)溫度設(shè)定值與實測值的偏差，比例積分或雙位調(diào)節(jié)熱水再熱盤管供熱量；對于電加熱器，控制器則以單級或多級調(diào)節(jié)電加熱器的加熱量。

3）末端裝置內(nèi)置風(fēng)機(jī)控制。對于串聯(lián)式或并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端裝置，控制器根據(jù)末端類型及運(yùn)行工況，聯(lián)鎖啟停末端裝置內(nèi)置風(fēng)機(jī)。一般情況下，串聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端裝置內(nèi)置風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行；并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端裝置內(nèi)置風(fēng)機(jī)可間歇運(yùn)行，也可連續(xù)運(yùn)行。若間歇運(yùn)行，小風(fēng)量供冷或供熱時風(fēng)機(jī)運(yùn)行，大風(fēng)量供冷時風(fēng)機(jī)不運(yùn)行；若連續(xù)運(yùn)行，小風(fēng)量供冷或供熱時風(fēng)機(jī)運(yùn)行，大風(fēng)量供冷時定速或變速運(yùn)行。

4）與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊。末端裝置控制器根據(jù)需要可與中央監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)以下通訊聯(lián)系：室內(nèi)空氣溫度檢測值與設(shè)定值輸出；風(fēng)量檢測值與設(shè)定值輸出；末端裝置運(yùn)行狀態(tài)輸出；末端裝置調(diào)節(jié)風(fēng)閥閥位輸出；室內(nèi)溫度再設(shè)定輸入；末端裝置運(yùn)行狀態(tài)變更輸入等。

1.2 變風(fēng)量末端裝置室溫傳感器設(shè)置

變風(fēng)量末端裝置室溫傳感器主要有墻置式溫感器和吊平頂式溫感器兩種類型。對于小空間辦公室與會議室一般采用墻置式室溫傳感器，而對于大空間辦公室，可采用吊平頂式溫感器。室溫傳感器必須設(shè)置在溫度控制區(qū)內(nèi)通風(fēng)、背陽處，切忌為圖室內(nèi)裝修美觀隨意設(shè)置在不通風(fēng)的角落或?qū)⒍嗯_末端裝置的室溫傳感器設(shè)置在一起；防止內(nèi)區(qū)室溫傳感器設(shè)置在外區(qū)熱風(fēng)侵入處，外區(qū)室溫傳感器設(shè)置在內(nèi)區(qū)冷風(fēng)侵入處或窗邊冷氣流下降處；設(shè)計時應(yīng)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)要求，將室溫傳感器位置標(biāo)在施工圖上，以免被室內(nèi)裝修設(shè)計師隨意設(shè)置。

2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量控制

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要由機(jī)電一體化的變風(fēng)量末端裝置、可實現(xiàn)變風(fēng)量運(yùn)行的空氣處理機(jī)組及風(fēng)道系統(tǒng)組成。

2.1 空氣處理機(jī)組基本要求及其控制

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的另外一個主要部件是空氣處理機(jī)組。該空調(diào)機(jī)組一般采用組合機(jī)組，它可以是四管制或兩管制機(jī)組，可以是單風(fēng)機(jī)或雙風(fēng)機(jī)機(jī)組，也可以設(shè)置或不設(shè)置熱回收裝置。該空調(diào)機(jī)組的循環(huán)風(fēng)機(jī)采用變頻裝置驅(qū)動，具有寬廣的工作特性，在頻率變化范圍內(nèi)及空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量變化范圍內(nèi)能穩(wěn)定、高效運(yùn)行，遠(yuǎn)離喘振線。

圖2-5分別為單風(fēng)機(jī)兩管制空氣處理機(jī)組控制原理圖、單風(fēng)機(jī)四管制空氣處理機(jī)組控制原理圖、雙風(fēng)機(jī)兩管制空氣處理機(jī)組控制原理圖及雙風(fēng)機(jī)四管制空氣處理機(jī)組控制原理圖。

單風(fēng)機(jī)兩管制空氣處理機(jī)組主要設(shè)備是空氣過濾器、冷熱水盤管、加濕器與風(fēng)機(jī)。該控制系統(tǒng)應(yīng)檢測回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、空氣過濾器壓差、Ｙ型過濾器壓差、送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、送風(fēng)管靜壓等信號；反饋風(fēng)機(jī)狀態(tài)與故障信號和變頻器頻率信號；控制風(fēng)機(jī)啟停、變頻器、新風(fēng)與回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥、電動調(diào)節(jié)水閥、加濕器控制閥。系統(tǒng)根據(jù)送風(fēng)溫度檢測數(shù)據(jù)控制冷熱水盤管電動調(diào)節(jié)閥開度；供熱工況下，根據(jù)回風(fēng)濕度控制加濕器調(diào)節(jié)閥；根據(jù)變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量控制方法（定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風(fēng)量法等）調(diào)節(jié)變頻器頻率，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)變風(fēng)量運(yùn)行。

對于單風(fēng)機(jī)四管制空氣處理機(jī)組，冷熱水盤管分成冷水盤管與熱水盤管，系統(tǒng)增加冷水盤管與熱水盤管電動調(diào)節(jié)閥的控制。

雙風(fēng)機(jī)兩管制空氣處理機(jī)組主要設(shè)備是空氣過濾器、冷熱水盤管、全熱或顯熱熱回收裝置、加濕器與風(fēng)機(jī)。該控制系統(tǒng)應(yīng)檢測回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、空氣過濾器壓差、Ｙ型過濾器壓差、送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、送風(fēng)管靜壓、混風(fēng)箱壓力等信號；反饋風(fēng)機(jī)狀態(tài)與故障信號和變頻器頻率信號；控制風(fēng)機(jī)啟停、變頻器、熱回收裝置旁通調(diào)節(jié)風(fēng)閥、電動調(diào)節(jié)水閥、加濕器控制閥。系統(tǒng)根據(jù)送風(fēng)溫度檢測數(shù)據(jù)控制冷熱水盤管電動調(diào)節(jié)閥開度；供熱工況下，根據(jù)回風(fēng)濕度控制加濕器調(diào)節(jié)閥；根據(jù)變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量控制方法（定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風(fēng)量法等）調(diào)節(jié)變頻器頻率，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)變風(fēng)量運(yùn)行。

2.2　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量控制方法

末端裝置與空氣處理機(jī)組風(fēng)量控制是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)最主要的控制內(nèi)容之一。當(dāng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷減小、變風(fēng)量末端裝置一次風(fēng)量減少時，控制器應(yīng)依照某種系統(tǒng)風(fēng)量控制方法減小系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量；反之，當(dāng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷增加、變風(fēng)量末端裝置一次風(fēng)量增加時，控制器應(yīng)增大系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量。這種變風(fēng)量運(yùn)行是依據(jù)某種系統(tǒng)風(fēng)量控制方法對變風(fēng)量末端裝置和可實現(xiàn)變風(fēng)量運(yùn)行的空氣處理機(jī)組的系統(tǒng)風(fēng)量控制實現(xiàn)的。

目前成熟的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量控制方法主要有定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風(fēng)量法等。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量控制方法根據(jù)各溫度控制區(qū)實測溫度值與設(shè)定溫度值的偏差，調(diào)節(jié)一次風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度，檢測并控制送入該溫度控制區(qū)的一次風(fēng)風(fēng)量，實現(xiàn)溫度控制區(qū)溫度控制要求；系統(tǒng)根據(jù)送風(fēng)管內(nèi)靜壓檢測值與設(shè)定值之間的偏差，或末端裝置調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度，或末端裝置檢測風(fēng)量之和與設(shè)定風(fēng)量之間的偏差，調(diào)節(jié)空氣處理機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻裝置的頻率，實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)與冷熱水盤管送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)。

定靜壓法、變定靜壓法、變靜壓法和總風(fēng)量法等各系統(tǒng)風(fēng)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(jié)能效果較差，適用于大型、末端裝置數(shù)量較多且負(fù)荷變化規(guī)律不一致或空氣處理機(jī)組就位，環(huán)狀送風(fēng)主管安裝完畢，但變風(fēng)量末端裝置未定的空調(diào)系統(tǒng)；變靜壓法和變定靜壓法比較節(jié)能，該風(fēng)量控制方法適用于系統(tǒng)較小、變風(fēng)量末端裝置數(shù)量不多且負(fù)荷變化規(guī)律較一致的空調(diào)系統(tǒng)；總風(fēng)量法的節(jié)能效果界于上述兩者之間，適用于枝狀管道為主的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)特點和控制原理合理確定系統(tǒng)風(fēng)量控制方法。從近10年變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量控制方法的發(fā)展來看，定靜壓法的應(yīng)用將逐漸減少，總風(fēng)量法和變靜壓加總風(fēng)量法的應(yīng)用將越來越多。表1為上述幾種常用的變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量控制方法的基本原理和特點。

3 系統(tǒng)新風(fēng)控制

3.1 新風(fēng)系統(tǒng)控制要求

定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量控制比較簡單，一般采用手動調(diào)節(jié)新風(fēng)閥與回風(fēng)閥的開度，使系統(tǒng)滿足新風(fēng)量需求。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)因系統(tǒng)送、回風(fēng)量在變化，空氣處理機(jī)組新、回風(fēng)混合處的靜壓值也隨著變化，從而引起系統(tǒng)新風(fēng)量的變化。因此，變風(fēng)量系統(tǒng)必須進(jìn)行新風(fēng)量自動控制。

圖6-9為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)常用的新風(fēng)控制原理圖。

圖6為單獨配置熱回收裝置控制的單風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)控制原理圖。在供冷與供熱設(shè)計工況下，系統(tǒng)按最小新風(fēng)量運(yùn)行，新風(fēng)通過熱回收裝置回收排風(fēng)能量后進(jìn)入空氣處理機(jī)組；在過渡季節(jié)，熱回收裝置電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，開啟熱回收裝置旁通電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥，加大系統(tǒng)新風(fēng)量和排風(fēng)量，實現(xiàn)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器節(jié)能運(yùn)行。

圖7為內(nèi)置熱回收裝置的雙風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)控制原理圖。在供冷與供熱設(shè)計工況下，系統(tǒng)以最小新風(fēng)量運(yùn)行，新風(fēng)經(jīng)熱回收裝置回收排風(fēng)能量后通過空氣處理機(jī)組內(nèi)的冷熱水盤管，經(jīng)處理后送入空調(diào)房間；在過渡季節(jié)，熱回收裝置上下的旁通風(fēng)閥打開，加大系統(tǒng)新風(fēng)量和排風(fēng)量，實現(xiàn)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器節(jié)能運(yùn)行。

圖8為單獨配置排風(fēng)機(jī)的單風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)新

風(fēng)控制原理圖。該系統(tǒng)由可變新風(fēng)量攝入的單風(fēng)機(jī)空調(diào)機(jī)組與可實現(xiàn)變排風(fēng)量運(yùn)行的排風(fēng)機(jī)組成。

排風(fēng)機(jī)可以是單臺變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，也可以是多臺定速風(fēng)機(jī)。變頻驅(qū)動風(fēng)機(jī)必須保證風(fēng)量變化范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。在供冷與供熱設(shè)計工況下，系統(tǒng)以最小新風(fēng)量運(yùn)行，變頻排風(fēng)機(jī)以最小風(fēng)量運(yùn)行，多臺定速風(fēng)機(jī)開啟１臺風(fēng)機(jī)；在過渡季節(jié)，系統(tǒng)開大新風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度，關(guān)小回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度，變頻驅(qū)動風(fēng)機(jī)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，多臺定速風(fēng)機(jī)開啟2臺或全開，加大系統(tǒng)新風(fēng)量和排風(fēng)量，實現(xiàn)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器節(jié)能運(yùn)行。

圖9為新、排風(fēng)管設(shè)置定風(fēng)量末端裝置的單風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)控制原理圖。該系統(tǒng)方式在高層或超高層辦公建筑的核心筒內(nèi)設(shè)置空調(diào)機(jī)房比較合適。一般來說，空調(diào)機(jī)房內(nèi)設(shè)置一大一小兩根新風(fēng)管和排風(fēng)管，較小的新風(fēng)管與排風(fēng)管上設(shè)置定風(fēng)量末端裝置，較大的新風(fēng)管與排風(fēng)管上設(shè)置電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥。在供冷與供熱設(shè)計工況下，系統(tǒng)以最小新風(fēng)量運(yùn)行，打開新風(fēng)與排風(fēng)定風(fēng)量末端裝置，關(guān)閉新風(fēng)與排風(fēng)管電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥；在過渡季節(jié)，系統(tǒng)打開新風(fēng)與排風(fēng)電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥，根據(jù)實際情況打開或關(guān)閉新風(fēng)和排風(fēng)定風(fēng)量裝置，加大系統(tǒng)新風(fēng)量和排風(fēng)量，實現(xiàn)風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器節(jié)能運(yùn)行。

3.2 最小新風(fēng)量控制要求

1）定風(fēng)量末端裝置控制

定風(fēng)量裝置是一種壓力無關(guān)型單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，其風(fēng)量設(shè)定值固定（也可再設(shè)定）。當(dāng)裝置前后因壓差變化而引起風(fēng)量變化時，裝置便通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度進(jìn)行補(bǔ)償，使流經(jīng)裝置的風(fēng)量保持恒定。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)常利用定風(fēng)量裝置的這種特性來控制并保證系統(tǒng)最小新風(fēng)量。有時還將定風(fēng)量裝置設(shè)置在排風(fēng)系統(tǒng)上，以控制系統(tǒng)最小排風(fēng)量。

定風(fēng)量裝置的額定風(fēng)量有限，因此它一般用于中、小型變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，其作用也僅限于最小新風(fēng)量控制，不適合用于全新風(fēng)或風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行。

2）新回風(fēng)混合箱壓差控制

在圖10中，當(dāng)系統(tǒng)處于最小新風(fēng)量運(yùn)行時，新風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥關(guān)閉，新、排風(fēng)閥開啟并作適當(dāng)調(diào)節(jié)。在新、回風(fēng)混合靜壓箱內(nèi)設(shè)置靜壓差傳感器，傳感器以室外空氣的靜壓值為零點。系統(tǒng)變風(fēng)量運(yùn)行時，當(dāng)風(fēng)量增加或減少引起混合靜壓箱內(nèi)的負(fù)壓值減小（或增加）、系統(tǒng)新風(fēng)量減小（或增加）時，系統(tǒng)控制器將自動關(guān)小回風(fēng)閥，以維持混合靜壓箱內(nèi)一定的負(fù)壓值（如-75Pa）。反之，則開大回風(fēng)閥。

新、回風(fēng)混合箱壓差控制法比較適合大、中型變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。

雙冷源風(fēng)冷型恒溫恒濕機(jī)組與普通風(fēng)冷型恒溫恒濕機(jī)組相比，初投資一定會增加的原因：其一是空調(diào)機(jī)組的初投資增加；其二是空調(diào)水系統(tǒng)的初投資也相應(yīng)增加，由于工藝性空調(diào)負(fù)荷僅占空調(diào)總負(fù)荷的1／4，空調(diào)水系統(tǒng)總干管的管徑增大不多，增加的費(fèi)用主要是空調(diào)支水管及附件費(fèi)用；其三是冷源及水泵的初投資增加，空調(diào)冷源的總冷量為15000KW，工藝性空調(diào)冷量為500KW，僅占空調(diào)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(diào)自動控制系統(tǒng)的費(fèi)用增加，由于控制室內(nèi)溫度的要求，空調(diào)水系統(tǒng)的電動控制閥的自動控制費(fèi)用增加。

3.2 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用比較

從表2，3可以看出，雙冷源比普通恒溫恒濕機(jī)組初投資增加19.3萬元，增加比例20％；運(yùn)行年耗電費(fèi)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(jié)能效果非常顯著。

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