VAV空调系统控制策略的研究

　　变风量空调系统(VAV，Variable AirVolume)20世纪60年代产生于美国，因其具有舒适性、节能等特点，20世纪70年代石油危机后在欧美及日本得到广泛的应用，20世纪90年代末进入中国大陆并逐步流行。但由于VAV空调系统末端设备结构较为复杂、系统整体性控制要求较高，其在国内的应用受到了一定的限制。但随着技术的发展和节能意识的提高，VAV空调系统逐渐显示出其性能与节能的优势，国内的成功应用案例越来越多，并形成了各种控制策略。VAV空调系统控制策略的研究

　　因此深入研究VAV空调系统的控制策略，充分利用现代控制技术，实现VAV空调系统的协调稳定工作和优化运行将具有重要意义，有助于VAV空调系统在国内的进一步推广应用，并能充分发挥其舒适性和节能的优势。VAV空调系统控制策略的研究

　　1 VAV空调系统及其控制策略

　　1.1 VAV空调系统的概述

　　对于全空气空调系统来说，当室内负荷发生变化时一般可以通过两种途径来维持室内的温度和湿度：一种是固定送风量从而改变送风温度的定风量(CAV)系统;另一种是改变送入室内风量的变风量(VAV)系统。

　　VAV空调系统的基本思想是当室内空调负荷改变以及室内空气参数设定值变化时，自动调节空调系统送入房间的送风量，以满足室内人员的舒适要求或工艺生产要求。同时送风量的自动调节可以*大限度减少风机的动力，节约运行能耗。

　　VAV空调系统由VAV末端和VAV空调机组两部分组成。其中VAV末端根据控制区域的负荷变化，通过调节末端风阀的开度或调节加压风机的转速来控制房间的送风量，同时向空调机组控制器反馈VAV末端的工作状态;VAV空调机组需具有风量调节功能，采用VSD(VariableSpeed Device)等变速驱动装置，根据各VAV末端的要求来调节风机的总送风量。

　　1.2 VAV末端及其控制方式

　　VAV末端根据其控制方式可以分为压力有关型和压力无关型。

　　(1)压力有关型末端根据实测的室内温度与设定温度之间的偏差，以PID控制率输出控制风阀开度，调节送风量。但实际送入室内的风量不仅与末端风阀的开度有关，还和风管压力有关，因此压力有关型的VAV系统为保证实际送风量与热负荷相匹配，需保持系统风管静压恒定。

　　(2)压力无关型末端只根据房间负荷需求来调节送入室内的风量，而与系统风管的静压变化与否无关。

　　◆室内温度传感器用于修正末端的风量设定值，即根据不同的室内温度调节风量设定值。

　　◆与压力有关型末端相比，压力无关型末端增设一个风速传感器作为压力补偿装置，用于检测风管内的风量，并与风量设定点比较，PID输出控制末端风阀，调节送风量。

　　在末端的选型问题上存在着流派的争论，其实两者各有优点，在实际应用中，末端的选择需根据投资预算、系统的控制要求和房间的舒适度要求来决定。VAV空调系统控制策略的研究

　　1.3 VAV空调机组及其控制方式

　　风机总风量控制是VAV控制链中*重要的环节，根据发展历史和控制机理的不同，VAV系统的总风量控制方法主要分为定静压控制和变静压控制。

　　1.3.1 定静压控制

　　定静压控制包括定静压定温度法和定静压变温度法。前者是VAV空调系统早期阶段常用的一种方法，当时多采用机械式模拟控制。但随着电子技术的发展，定静压定温度控制现在已基本不被采用。定静压变温度是在定静压定温度控制法的基础上发展起来的，现在常说的定静压控制一般指的是定静压变温度法。

　　1.3.2 变静压控制

　　变静压控制是使风机提供的风压与管网实际所需的静压相一致，即系统的送风压力不是恒定值，而是随系统负荷的变化而变化，将系统的送风压力动态控制在较低的位置，*大限度降低风机的转速以便节能。

　　变静压控制法主要有：*小静压法、总风量控制法和变风量变压力法(VVVP)。

　　2 定静压控制

　　定静压控制系统的主要控制机理是保持系统风管上某一点(或几点平均)静压恒定，由静压设定值与实际静压值的偏差控制变频器的输出频率以调节风机转速，实现总送风量的调节;同时可以改变送风温度，扩大风量调节范围;室内风量需求由末端风阀调节。

　　在定静压VAV系统的风量控制中，室内负荷的变化引起末端开度的改变，进而影响系统的静压，是一个标准的反馈控制过程。图1为带两个末端的定静压VAV控制系统。

　　图1 定静压VAV控制系统

　　图1所示的静压传感器与风机控制器组成一个静压闭环控制环节。根据风管上某一点静压值(或几点的平均值，由PressureSensor测得)与设定静压值的偏差，由风机控制器(FanController)按PID算法计算出控制信号，控制变频器的输出频率来调节风机转速，改变系统的送风量。

　　图2 定静压控制法管道阻力和风机性能曲线变化图

　　图2所示的是定静压控制中管道阻力和风机性能曲线变化的关系，当室内负荷减小时，末端装置调小送风阀的开度减少房间的送风量，这时系统阻力从S1增加到S2，送风静压升高，当超过设定静压一定程度时静压调节器通过变频器把风机的转速从1调低到2，减少系统的送风量，同时送风静压值保持不变。

　　定静压控制方法的静压控制是由系统风管的静压反馈闭环控制环节来实现，由于舒适性空调本身所具有的滞后性较大等特点，因此这个环节的存在会带来一些问题：

　　(1)通常是按系统设计的*大工况选取静压设定点，而大部分时间VAV系统都在部分负荷条件下工作。因而，在实际工程中，大多数的VAV系统风管压头过高，多余的风管静压往往需由末端消化，因此造成末端送风噪音增加、风机能耗上升及系统控制性能变差等诸多问题。

　　(2)静压设定点的位置不容易确定。理论上考虑风机的节能，以及为了保证*小静压设定值，设定点应放在系统的*不利管路的末端入口，但实际的VAV系统动态特性很难确定哪个末端是*不利末端。而ASHRAE建议把静压传感器放在风机送风口到系统末端的2/3处也只是一个折中的考虑。

　　(3)由于压力测量误差的存在，导致风机调节出现无谓的波动，造成系统的不稳定。

　　基于上述定静压控制方法的诸多缺点，近年来VAV工程中更多的采用了变静压控制方法。

　　3 *小静压法

　　*小静压法是变静压控制方法的一种，其基本原理是：系统风管上的某一点(或几点的平均)的静压值在满足*不利末端所需静压值的前提下始终为*小，尽量保持各VAV末端风阀的开度处于全开(85%～100%)的状态。在变风量末端装置中设置电动风门开度反馈，风机控制器根据各阀门的开度判断系统静压是否满足，不足则增加风机电机频率/转速，过高则减少电机频率/转速，判断流程如图3所示。

　　由流程图可得，当末端装置VAVBOX的风量发生变化时，AHU的送风量也随之变化。

　　(1)系统中有一个电动风门开度为100%且该VAVBOX控制的房间温度高于设定值，风量不足即变风量末端入口静压不足，增大变频风机转速。(夏季工况)

　　(2)系统中有一个电动风门开度大于85%且小于等于100%，且该VAVBOX控制的房间温度等于设定值，风量满足即变风量末端静压适中，保持变频风机转速。

　　(3)系统所有电动风门开度小于85%，变风量末端入口静压过高，降低变频风机转速。

　　如图4所示，当室内负荷减小时，末端装置调小风阀开度到*小开度85%，这时控制器判断各风阀的开度后判断系统的静压过高，就通过变频器把风机的转速从1调低到2，减少系统的送风量，系统的阻力从S1下降到S2。与图2中定静压控制法的管道阻力和风机转速变化相比较，不难发现当风量减小相同的幅度，*小静压法的风机转速下降的幅度要大于定静压法中风机转速下降的幅度，因此更能节约风机的能耗。

　　图4 *小静压法管道阻力和风机性能曲线变化图

　　由于VAV末端风阀的开度基本上处于85%～100%之间，VAV的送风噪声和辐射噪声可控制在*小范围内，因此室内的噪声较小。

　　*小静压法在日本应用较多，技术较为成熟，在国内应用也较多。目前上海一些上等办公楼VAV系统的控制方法采用*小静压法，多为日方的设计单位设计。

　　5 总风量控制法

　　总风量控制法是基于压力无关型变风量末端的控制方法。总风量控制法是以各VAV末端的风量设定值作为参数，该参数为室内温度传感器的测量值与室内温度设定值偏差的PID控制输出，反映了末端所带房间所需的送风量，然后对所有末端的风量设定值求和，得到系统当前要求的总风量，按一定的控制算法调节风机的转速。

　　流体力学中在风管系统阻力系数不变的情况下，根据流量和风机转速成正比原理，得到一个风机转速与各个VAV末端风量设定值的控制关系算法，由各末端的风量设定值直接计算出房间负荷变化后风机所需的转速，对风机转速进行实时调节;而末端根据各自的风量设定值单独进行调节。从控制原理来看，总风量控制法也具有前馈控制性质，并可按照实际负荷动态设定风机的转速，一般也被认为是一种变静压控制策略。图7为总风量控制法的控制原理。

　　8 结论

　　VAV空调系统因其舒适、节能等特点在北美及日本等国家得到广泛应用。随着我国经济的快速发展，VAV空调系统在我国具有广阔的市场空间，并将在我国得到迅速的发展和进一步推广普及。

　　分析研究表明变静压控制方法优化了VAV系统风机的静压控制，相对于定静压控制具有较好的控制性能和节能效果。而不同的变静压控制方法在技术实现上各具特点，在不同的应用场合也各有优势。

　　注：文章略有删减，具体请参看《智能建筑与城市信息》杂志。