变风量系统是根据室内负荷变化,通过改变送入房间的风量来控制室内温度,以满足室内负荷变化需求的。因在全年空调的建筑物里,大部分时间,空调系统都不在满负荷状态下工作,如采用末端变风量系统,控制系统根据热负荷调节风机总的送风量,则风机耗能将大大减少。变风量系统的主要特点是节能,可以根据建筑特点灵活分布,没有像风机盘管冷凝水和霉变等问题,设备维护工作量较小。
变风量系统由变风量空调机组和变风量系统末端两部分组成。变风量系统末端根据控制区域的热负荷,通过调节风门的开启比例控制末端的送风量。变风量空调机组则根据各个变风量系统末端的需求,通过风机变频控制总的送风量。在变风量系统中每个控制区域都有一个变风量系统末端装置(VAV Box),该末端装置实际上是一个风阀。通过改变变风量系统末端风阀的开度可以控制送入各区域的风量,从而满足不同区域的负荷需求。同时,由于变风量系统根据各控制区域的负荷需求决定总负荷输出,在低负荷状态下送风能源、冷热量消耗都获得节省(与定风量系统相比),尤其在各控制区域负荷差别较大的情况下,节能效果尤为明显。与新风机组加风机盘管相比,变风量系统属于全空气系统,舒适性更高,同时避免了风机盘管的结露和霉变问题。除此之外,变风量系统末端都有隔离噪声的作用。
由于其舒适性和节能性,变风量系统在近几年获得广泛应用,特别适合于高档办公楼等应用场合。但是变风量空调系统一次性投资比较大,工艺设备加控制系统的总价大约是新风机组加风机盘管系统的两倍以上,并且系统控制相对复杂,对管理水平要求较高,否则有可能产生新风不足、房间气流组织不好、房间正压或负压过大、室内噪声偏大、系统运行不稳定,节能效果不明显等一系列负面问题。
2.变风量系统的控制特点
变风量系统在其舒适性和节能性方面具有定风量系统以及新风机组加风机盘管系统无法比拟的优势,但它的控制也相当复杂。
首先,由于变风量控制系统中任何一个末端风量的变化都会导致总风管压力的变化,如不能及时调整送风机转速和其他各风口风阀开度,其他各末端的风量都将受到干扰,发生变化。
在夏季工况下,假设人为将控制区域1内的设定温度调高,则控制区域1的变风量系统末端风阀开度必将减小。如其他设备运行状态不变,则风管静压必将升高,其他各控制区域的送风量加大,温度降低。即控制区域1的变化影响了其他区域的控制。如送风机运行频率及其他各末端的风阀进行相应调整,这些调整同样又会影响控制区域1。如何正确地处理各控制区域之间相互影响的问题是变风量系统控制的最大难点。
其次变风量系统末端风阀的控制是以末端风速或送风量为依据的。在风量较小时,送风量的准确测量是变风量系统控制的又一问题。
再次,在定风量空调系统中,由于各末端的送风量基本保持恒定,因此只要保证送风量中新风的百分比就可保证最小新风量的送入。但是在变风量空调系统中,各末端的送风量是变化的,因此依靠百分比保证新风量的做法显然是行不通的。在许多变风量工程中,用户反映低负荷状态下空气品质不好往往就是由于这个原因。在当空调机组总送风量变化时,如何保证足够的新风量也是变风量控制需要解决的问题。
3.变风量系统末端的控制方式
最基本的变风量系统末端由进风口、风阀、风量传感器和箱体等几部分组成。目前绝大多数风量传感器采用毕托管传感器。它是通过测量风管内全压和静压,根据两者之差求出动压后得到风速,进而可求出末端装置送风量的。
变风量系统末端根据控制原理不同可分为压力有关型和压力无关型两种。
(1)压力有关型
这种变风量系统末端没有风量变送器,即控制系统无法获得实际送风量这个重要参数,只能根据室内温度与设定温度的差值确定末端风门开度的,它是最简单的一种控制方式。室内热负荷较低时,风门关闭,室内温度较高时,风门开大,而与实际的送风量无关。当风管静压发生变化时,由于室内温度惯性较大,不可能发生突变,因此不会立刻影响风门的开度。风管静压变化了而风门开度不变,送风量必然发生改变。即送风量的大小与风管静压有关,故称为压力有关型变风量系统末端。这种末端由于受风管静压的波动影响过大,目前工程中已很少使用。
(2)压力无关型
压力无关型变风量系统末端增加了风量传感器,可以得到实际送风量,将此值与送风量设定值比较,通过风门调节送风量。而室内温度是起修定送风量设定值的作用,如室内较冷时,减小送风量的设定点,室内变热,则增大送风量的设定值。
它采用串级PID调节方式,首先根据室内温度与设定温度的差值确定需求风量,然后根据需求风量与实际风量的差值确定风门开度。在此系统中,当风管静压变化时,立刻会导致送风量的变化,目前工程中大量采用的正是这种压力无关型变风量系统末端。
(3)变风量系统末端控制方式的实现
目前工程中多采用一些固化应用程序的小型现场控制器对变风量系统末端进行一对一控制,所有的风门、再热设备及末端风机控制都由这种小型现场控制器独立完成。由于这种小型现场控制器的应用程序多是出厂预先固化的,因此在工程订货时应首先根据变风量系统末端的实际情况和监控需求选定应用程序,然后确定现场控制器型号。
图中所采用的HAAC-08S控制器是利达恒信HBS楼控系统的一款变风量系统控制器。HAAC-08S变风量控制器可应用于各种HVAC系统中的变风量系统末端装置应用,并且捆绑了风门执行器。
HAAC-08S控制器提供压力无关型的变风量循环控制。
一些厂商还提供了专门的一体化的变风量系统控制器,这种控制器将现场控制器与风门驱动器进行一体化生产,以方便工程安装和维护。
4.变风量空调机组的控制方式
当各变风量系统末端风门开度随控制区域负荷的变化而改变时,如送风机运行频率不作相应调整,风管静压就会产生波动。工程中必须根据各末端状态及时调整送风机频率以优化控制。目前,应用较多的风管静压控制策略主要包括定静压、变静压和总风量三种。
(1)定静压控制
定静压控制是一种传统的方法,系统简单。当变风量系统末端风门改变开度后,会影响整个风道的静压,风机通过改变风量以满足风道系统的静压要求。而风机变风量有三种方式:出口风阀的节流控制、入口导叶控制、变转速控制。其中以变转速控制最为常见,其节能效果也最为明显。
风管静压的控制点(静压测量点)一般放在主风道距风机出口的2/3处。但是在风管管网比较复杂时,该点的位置仍然很难确定。有时会设置多个静压传感器,以各传感器测量值的加权和作为控制依据。
静压测量点难以确定,且节能效果不佳是定静压控制方式的主要缺陷。但定静压控制方式实施简单,各变风量系统末端之间的耦合性小。定静压控制较常见于欧美地区。
(2)变静压控制
与风机根据风道静压来维持送风静压恒定的定静压控制不同,变静压控制是根据压力无关型变风量末端的实际送风量(风门开度)送至风机转数控制器,控制送风机的转数,在保证处于最不利点处的送风量的前提下,尽量降低风道压力,从而降低风机转速,节约风机能耗。
变静压控制的节能效果良好,但由于各风门末端之间的耦合关系复杂,因此工程实施较定静压控制方式困难。尤其在各控制区域负荷均较低时,对于变静压这样的低风速系统,使用毕托管测量的送风量误差往往较大,直接影响控制效果。在日本,变静压末端风量的测量一般使用超声波风速传感器,以提高测量精度,但这将大大地提高工程成本。
变静压控制较常见于日本。目前国内许多新建高档办公楼都优先考虑采用变静压控制方式,但就已完工的项目而言,控制效果并不理想。许多项目中途又转为定静压控制。
(3)总风量控制
总风量控制是在变静压控制的基础上发展起来的方法。基本思路是:将各末端的风量设定信号直接相加,得到当时的总风量需求值,这一值可作为调节风机转数的依据。
(4)三种控制方式的工程实施及比较
工程中,许多人往往误认为采用哪种控制策略完全是控制方面的问题,而与暖通设计无关。事实上,每一种控制策略都必须和相应的暖通设计相配合,才能达到良好的控制效果。以定静压和变静压控制为例,定静压由于各变风量系统末端直接的耦合关系不明显,一般一台空调机组可以带15~20个末端,而变静压控制方式控制的空调机组一般只能带5~8个末端。
因此,为定静压控制设计的变风量系统用变静压方式控制基本上是无法调试稳定的。