2．2．1 空调变风量系统概念
1）概述
变风量（Variable Air Volume，VAV）是通过改变风量而不是送风温度来调节和控制某一空调区域温度的一种空调系统。典型变风量系统的机械组成如图2．14所示。
图2．14 典型的变风量系统机械组成
变风量空调系统于20世纪60年代起源于美国，70年代后，能源危机推动了变风量空调系统的研究和应用，在以后的20年中其不断发展，现已成为美国中央空调系统的主流。它是楼宇中央空调中最主要的节能手段之一。
普通空调在全年运行中只有少数时间是处于设计状态，其余时间处于低负荷运行状态；而变风量空调系统是根据空调负荷的变化，自动调节室内空调风量，以满足室内热湿环境要求。与此同时，它根据实际送风量自动调节送风机的转速，从而最大限度地减少风机动力，节约风机能量。实际运行和统计表明，采用VAV空调系统，典型的办公楼每年每平方米节电40～50kW·h，整个VAV空调系统能耗比定风量的减少20%～30%，因此变风量空调系统有着广泛的应用前景。
虽然变风量空调系统与定风量系统、风机盘管加新风空调系统相比有很强的优势，但至今在国内普及率仍较低，其主要原因是设备昂贵，造价较高。另外，在工程应用时仍存在一系列问题，如怎样保证新风、如何保证室内一定的正压、怎样进行风量的控制以达到节能的目的等等，这些问题还需要进一步研究解决。
2）国内外研究现状
由于风机耗能与转速的三次方成正比，因此风量减少而带来的风机能耗降低效果是非常显著的。VAV系统既要节省能耗，同时又要稳定运行，因此总送风量的控制策略问题一直是研究的焦点。
变风量的节能优势主要是通过改变总的送风量即调节风机转速来实现的。目前，工程上常用的送风量控制方法是定静压控制法，即设定主风道上某一点静压，调节送风机转速，保持静压不变。这种方法控制简单，但当末端阀位处于偏小状态时，风机能耗较高，并相应带来噪声问题。另外，复杂管道取压点的位置设置也一直是个难题。
为进一步减少风机能耗，出现了各种变静压设定算法，统称为变静压控制方法。变静压控制方法根据末端风阀阀位状况来判断系统风量的盈亏，可以尽量降低风机运行的静余压，最大限度地节省风机能耗。
空调与自控专业之间存在的空白与鸿沟致使在两者的工程设计、施工、安装、调试等各个方面存在明显的脱节与敷衍，因此，VAV系统目前还不是一门非常成熟的技术。
当前除少部分项目在以总风量控制方式运行外，许多项目事实上一直以定静压或定风量方式在运行，这是一种国际范围内的普遍现象。
随着计算机网络技术的发展与在暖通空调中的应用，VAV系统控制技术有了一个突飞猛进的发展平台。在2000年之前，至少在国内，人们主要关注的仍然是单一的送风量控制环节，我们将它总称为VAV系统的部分控制策略，按时间发展次序，可简单地分为三代：
①第一代基本控制策略：始于20世纪60年代，被称为定静压法控制；
②第二代基本控制策略：始于20世纪80年代，被称为变静压法控制；
③第三代基本控制策略：始于20世纪90年代末，被称为总风量法控制。
以上三种控制，忽视了送风温度、节能循环与系统风量平衡等其他环节的控制，因而是不全面的。随着人们在科学实验和工程实践两方面对VAV系统控制认识的不断深入，一种称为TDC的数字化控制理论将成为第四代VAV系统控制策略。
3）变风量空调系统（VAV）总风量控制实例分析
（1）VAV系统的特点
当一个风系统服务于多个房间时，采用变风量空调系统可以使每个房间的变风量末端装置随该房间温度的变化自动控制变风量，使得空调房间过冷或过热现象消除，也使能量得以合理利用，可减少空调负荷15%～30%左右。
采用定风量系统负担多个房间的空调时，系统的总冷（热）负荷是各房间最大冷（热）量之和，总送风量也是各房间最大送风量之和。采用变风量空调系统时，由于各房间变风量末端独立控制，系统的冷、热量或风量为各房间实时冷、热量或风量之和的最大值，而非各房间最大值之和。因此在设计工况下，变风量空调系统的送冷风量及冷（热）量小于定风量系统的总风量和冷、热量，因此可减小系统的送回风管、空调机组、冷热源装机容量、机房占地面积。
在空调系统全年运行中，只有极少时间处于设计工况，绝大多数时间均是在部分负荷下运行。当各空调区域负荷减小时，各末端装置的风量将自动减少，系统对总风量的需求也会下降。变风量空调系统总送风量的改变是由调节系统送风机的频率实现的，降低空调机组送风机的转速，可降低能耗，节省系统运行耗能。
能实现局部区域的灵活控制，可根据负荷大小或个人的舒适度自动调节工作环境，减少空调负荷10%～30%左右；与定风量空调系统和风机量系统相比，具有舒适、节能、安全、方便的优点。
（2）VAV系统的基本控制要求
在一个典型的单风道变风量空调系统中，除了送回风机、末端装置（VAV terminal）、阀门及风道组成的风路外，还有五个反馈控制环路——室温控制、送风静压控制、送回风量匹配控制、新排风量控制及送风温度控制。
①控制要求
A．房间温度控制
空调房间末端控制器以房间温度为主参数，以风道空气流量为副参数，组成串级控制系统。主环为定值调节系统，副环为随动调节系统。VAV控制器将检测到的房间温度与设定值进行比较，然后将计算的结果输出到副环。
主控制回路（温度控制回路）：室内温度与设定温度的偏差根据PI控制法计算结果，将输出的风量值作为副控制回路风量控制的设定值。
副控制回路（流量控制回路）：控制器采集风速传感器的讯号进行计算，得到VAV BOX的实际风量。如果该风量与风量设定值之间的偏差超过一定的范围，风量控制的算法将被执行，计算的结果将被输出到风阀执行器。
B．送风静压控制
定静压法、变静压法、总风量法等系统控制方法是目前国内变风量空调系统的主要控制方法。变静压控制由于控制相对繁琐、系统不易稳定从而造成国内成功案例比较少。
定静压控制是在送风系统总管的适当位置（常在离风机2/3处）设置静压传感器，在保证该点静压一定值的前提下，通过调节风机频率来改变空调系统的送风量。恒定静压的目的是保证任何一个末端入口的设计使用压力。
总风量控制将各VAV末端装置的瞬时风量求和，得出系统实时总风量，根据风机的性能曲线，得出定压时流量与转速的相应关系并编入控制器中，直接通过控制风机转速来调节流量。
变静压控制需要保持每个VAV BOX的阀门开度在85%～100%，即在让阀门尽可能全开和使风管中静压尽可能减小的前提下，通过调节风机转速来改变空调系统的送风量。
C．送回风量匹配控制
系统送风量的变化导致送回风量差值的变化，控制器会调整回风量以维持设定值。
房间正压控制是通过对送风机和回风机的平衡控制来实现的。实现这类控制，则可在运行最为经济的情况下，既保证送风温度符合设计要求，又使送风量紧随着系统负荷的变化而变化。
D．新、排风量控制
风道压力的变化将导致新、排风量的变化，控制器将调节新风、回风和排风阀来保持新、排风量。
E．送风温度控制
对变风量空调系统的送风温度进行控制，以维持房间较好的气流组织，避免因送风量偏少而产生室内气流组织紊乱现象。
②系统形式
按照服务区间分类，变风量系统可以分为独立区域和多区系统。独立区域变风量系统通过直接改变风机盘管机组或空调机组中的风机转速来达到调节系统变风量目的。风机盘管机组、空调机组设置在空调房间内（通常设在吊顶中）或靠近空调房间的机房内，通常仅负责一个区域，由置于空调房间的温控器来控制机组风机的转速，改变送入房间的风量。独立区域变风量系统控制简单，节能效果好，没有复杂的末端控制。随着变频器价格的下降，该方式具有较广泛的应用前景。
多区域空调系统负责多个区域。当空调系统向不同的区域送风，而这些区域的负荷变化又不同，需要采用变风量方式进行控制时，多区变风量系统就充分显示了其优越性。
多区变风量与独立区域变风量系统的主要区别是：除了空调机组的风量可以调节外，每个空调房间的送风支管都设有变风量末端装置（VAV BOX），由空调房间内的温控器计算所需风量，并通过改变末端阀门开度来控制送入房间所需的风量，达到变风量控制室内温度的目的。
目前所指的变风量系统一般都是指多区变风量系统。
③送风量控制
一般采用静压法通过静压信号控制系统风量。系统静压控制的方法主要有定静压控制和变静压控制法。
A．定静压法
在VAV系统设计中，通常采用定静压控制法。即在送风干管适当位置设置静压传感器，通过静压信号控制变频器不断地调节送风机转速来改变空调系统的送风量，以维持风管静压恒定，在系统运行过程中设定静压值不做任何调整。为保证每个VAV末端都能正常工作，要求主风道内各点的静压都不低于VAV末端装置所需的最低压力。如果定压点靠近系统的末端，当负荷减小时，定压点前管路阻力随风量减小，该方式有利于节约风机能耗。但这时如果定压点前的末端装置仍在设计负荷工况下工作，其风机入口处静压值低于设计值，有可能会造成这部分区域的送风量不足。如果系统定压点靠近风机出口，当负荷减小时，不利于风机的节能运行，同时由于此时末端装置在进出口较大的压差下工作，会使系统的噪音增大。在实际工程应用中，定压点的位置通常选择在管路阻力是总阻力的2/3处，压力大致恒定在300Pa左右。该控制方法比较简单，运行可靠，适合于较庞大的VAV空调系统。采用定静压控制时，当系统所有末端装置风量都低于额定风量时，再维持系统中的设定静压则不利于风机的节能。
B．变静压法
所谓变静压控制，就是在保持每个VAV BOX的阀门开度在75%～100%之间，即在让阀门尽可能全开和使风管中静压尽可能减小的前提下，通过调节风机转速来改变空调系统的送风量。
变静压控制是根据系统实际需求，阶段性地改变静压设定值，在满足当前流量要求的同时，尽量使静压保持在允许的最低值，以节省风机能耗，因此也称为最小静压控制。
变静压控制实际上是在静压控制方法的基础上改进的一种控制方法，它根据末端风阀阀位状况来判断系统风量的盈亏。当系统中有一个末端开度达到100%时，表示风量不足，提高送风静压，风机转速增大；当系统各末端开度均在75%以下时，表示风量富余，减小送风静压，风机转速降低；当系统中至少有一个末端开度在100%～75%之间时，表示风量适当，风机维持原有转速。这样可以尽量降低风机运行的静余压，节约风机运行能耗。变静压方法虽然能最大限度地降低能耗，也可以很好地解决变风量系统的其他问题，但其控制算法相对复杂，需要每个阀门控制器都有通信功能或阀位反馈功能，硬件投资较大。随着控制技术的进一步成熟及成本不断的下降，这种方法将有广泛应用的可能。
C．最小新风量控制
对定风量系统来说，由于送风量在运行过程中始终保持不变，因此一旦新风量根据要求被设定，则在系统运行的整个期间都能满足要求。而变风量系统不同，在冬夏季最小新风比工况下，当室内负荷减小引起总风量减少时，新、回风也按同样比例减少，因而新风绝对量也在减少，在负荷很低的情况下，就有可能出现新风量不足的现象，因而必须对空调系统的新风量实施有效的控制。新风量的控制主要有如下方法：风速法、二氧化碳浓度控制法、机组混合段中静压控制法。
（3）全面数字化控制法（TDC法）
①TDC法的概念
所谓TDC法即基于现代计算机网络控制技术在楼宇自控系统的应用，通过全面收集并计算变风量空调系统在房间温度、系统送风量、送风温度、节能循环和风量平衡等5个控制环节的技术参数，采取尽可能科学而非经验的控制手段，达到舒适而节能的控制目的的方法。
②TDC法的系统控制模型（系统图）如图2．15所示。
图2．15 TDC法的系统控制模型图（系统图）
③TDC法的五个基本控制环节
A．房间温度控制（space temperature）由VAV BOX周边控制来实现。
B．系统送风量控制（supply fan volume）由AHU周边控制来实现。
C．送风温度控制（supply air temperature）由AHU周边控制来实现。
D．经济循环控制（economy cycle control）由BA控制来实现。
E．系统风量平衡控制（proportioning SA and RA）由BA控制来实现。
（4）VAV系统送风量控制
①单一总风量控制法——比率法
所谓比率法，就是根据VAV BOX末端所测风量之和LO＝∑Gi－run与设计最大风量Qmax之比来确定某一时刻空调箱变频器的频率f。
②双重总风量控制法——步长法与内插法
根据温差（积分比例等）计算出来的实时最佳需求风量，称之为Gi－demand，据此可以方便地计算出VAV系统实时最佳需求总风量，即∑Gi－demand。
VAV控制器计算出来的实时运行风量值，称之为Gi－run，可以据此计算出VAV系统实时运行总风量，即∑Gi－run。
抓住了这两个总风量值就可以方便地实现总风量法控制了。
（5）高级控制策略——模糊控制
确定修正转速Δf目前最科学的方法就是采用模糊PID自整定控制方法，它是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言，为理论基础只是表达和模糊逻辑的规则推理，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。模糊PID控制不依赖于被控对象的数学模型，而是在总结操作经验的基础上实现自动化。它根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。其组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是它与一般的PID在原理和方法上的完全不同之处。
模糊自整定PID控制也称为比例—积分—微分控制，其控制性能取决于比例系数Kp、积分系数Kl和微分系数Kd，设计与调试者的任务就是决定这3个系数。模糊自整定PID是在PID算法的基础上，通过计算当前的误差e和误差的变化率ec，利用工程人员的技术知识和实际操作经验建立知识库（模糊规则），通过精密计算与推理对其参数进行参数调整。
（6）复合控制法
①定静压与总风量的复合控制
定静压与总风量双重控制法就是将定静压法的简单可靠与总风量的先进直观相结合，通过总风量法来不断“修正”定静压值，使其具有一定的调节范围而获得相应的节能效果。实现如下：将由Onyx－2001总风量法计算出来的转速f1设置为初始转速，完成第一重控制；根据定静压值Pj修正初始转速，完成第二重控制。
②变静压与总风量的复合控制
变静压与总风量双重控制法就是将变静压的显著节能与总风量的先进直观相结合，通过变静压法来不断“修正”总风量法的设计转速，使其获得更好的节能效果。实现如下：将由总风量计算出来的转速f1设置为初始转速，完成第一重控制；根据系统所有VAV－BOX的阀位反馈ф修正初始转速，完成第二重控制。
③三种基本风量控制法的对比如表2．8所示。
表2．8 三种风量控制法对比表
注：（1）总风量控制是变静压控制的一种，或者说是一种数字化的变静压控制策略而不是阀位式的变静压控制策略。
（2）总风量控制是传统阀位式变静压控制的进步，是对变静压控制的发展和提高。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
