在各种空调方式中,VAV 空调系统有其自身的优点:1、由于空调系统大部分时间在部分负荷下运行,所以风量的减少带来了风机能耗的降低和末端设备里的再加热器能耗的降低;2、能实现局部区域的灵活控制;3、利用系统多样性,可使中央系统的初始成本低;4、同样,由于可利用系统的多样性,今后扩展的成本大大降低;5、系统是自平衡的(Self2balancing) ,等等。

因此,国外智能大厦的空调系统多采用VAV 空调系统, 或与CAV 空调系统、FCU 空调系统相结合的方式。

虽然VAV 空调系统具有上述优点,但是它的控制却最复杂。

目前,VAV 空调系统的控制方式基本上采用多个回路的PID控制。

在系统模型参数变化不大的情况下,PID 控制效果良好。

但是,VAV 空调系统是一个干扰大的、高度非线性的、不确定性系统,这是由于:1、外界气候和空调区域里的人员活动的变化很大,对系统形成很大的干扰;2、空气调节过程是高度非线性的;各执行器的运行特性也是非线性的;3、各个控制回路之间耦合强烈,完全解耦是不可能的;4、随着时间的推移,设备会老化和更换,从而造成系统参数的变化。

5、在许多系统里,系统的数学模型很难建立。

1. 1 VAV 系统的节能研究20 世纪70 年代到90 年代,主要集中研究它的能耗情况,即与定风量(CAV) 空调系统和风机盘管系统比较节能效果。

与CAV 空调系统相比,VAV 系统可以不需或减少再热量,降低送风量,从而减小风机能耗,降低制冷负荷等。

此外,VAV系统还可以通过消除过冷、回收灯光的热量而节能[1 - 3 ] 。

Wallace 等人提出在高层建筑的VAV系统中引入建筑能耗监控系统和计算机控制,可以优化节能效果。

风机能耗在VAV 系统中占很大的比重,因此对风机采取有效的调节措施,降低风机能耗是增强VAV 系统节能效果的重要途径。

目前,风机调节主要采用调节风机入口导流叶片角度和变风机转速两种方法, Englander 和Norford 比较了二者的节能效果,并用动态模拟软件HVACSIM + 进行了模拟计算,结果表明,采用变转速调节要比采用调节风机进口导流叶片角度节能30 % ,而且变转速调节与DDC 结合效果会更好。

加州能源委员会总结多年的VAV 设计经验,认为风机的调节方式对能耗的影响比风机类型的影响大,而且指出变转速调节与变静压控制方式结合节能效果显著。

1. 2 VAV 系统送风量的控制研究VAV 系统是通过改变送入室内的送风量来实现对室内温度调节的空调系统,因此风量控制是VAV 系统控制的关键环节,它关系着整个系统的能耗情况和系统的稳定性和可靠性。

目前总送风量的控制方法主要有两种:静压控制法和风量控制法。

1. 2. 1 静压控制法静压控制法又分为定静压法和变静压法。

定静压控制由于简单、运行可靠,目前仍作为一种主要的控制方法在变风量系统中得到普遍采用,但不利于风机节能。

变静压法可以最大限度地降低能耗,节能效果显著。

Tung 和Wang 等人介绍了变静压控制策略,并分别用实验研究和计算机模拟的方法对两种控制策略的节能情况进行了比较,结果都表明变静压控制方式比定静压控制方式节能效果好。

1. 2. 2 风量控制法为了全面提高系统的稳定性,最大限度地节约能量,Hartman 提出了一个新的概念,即基于末端装置的风量调节( terminal regulated air volume ,TRAV)。

TRAV 基于末端装置实时的风量要求,采用先进的控制软件,实施风机控制。

其基本原理是,将末端装置送风温度、温控器读数、风量及阀位信号都送入一个中央控制器,由它计算后再调节送风状态点(不仅变送风量而且要变送风温度)。

Hartman 用计算机对一幢典型办公楼内的VAV系统进行了模拟,结果表明,采用TRAV 控制,风机能耗可以降低50 %。

但这种控制方法需要解决两个关键的问题,即送风状态点的预测和所需送风状态的实现。

如果能比较好地解决这两个问题,就可以避免多个环路之间的相互作用,从而提高系的稳定性。

此外TRAV 要求从建筑到VAV box都应采用先进的DDC 控制。

1. 2. 3 其他控制法随着研究的深入,人们开始研究更先进可靠的控制方法,Byer s 提出了风机压力优化的概念,指出它是部分负荷工况下控制静压的节能措施,也是控制VAV box 的可靠手段。

Wei 等人提出了将阀门控制和变静压控制相结合的控制方法(integrated damper and pressure reset , IDPR) ,并用实验的方法对比研究了几种不同控制方法的节能效果。

实验结果表明,当系统运行良好时, IDPR法与TRAV 法对风机转速的调节基本一致,当系统出现故障时, IDPR 法控制的风机能耗较低。

Feder spiel 等人发展了传统的变静压控制法,提出了带InCTeTM 的SAV ( static pressure adjustment from volume flow) 静压控制,指出该控制方式节能性很好,而且不会影响房间的热舒适性和室内空气质量。

加拿大的Nassif 等人利用双目标遗传算法对HVAC 系统的控制方式进行了优化。

这些控制方式能否成功执行取决于VAV 末端装置内流量传感器能否对流量进行精确测量。

因此,提高流量测量的精度是改善VAV box 性能的关键技术。

1. 3 新风量控制研究尽管VAV 系统节能效果显著,但是在实际应用的过程中,人们也发现变风量系统中负荷的变化会导致风量变化,这使得室内气流组织发生改变,从而影响室内的热舒适性。

在1984 年的ASHRAE 会议上,大家一致认为设VAV 空调系统的很多建筑运行效果并不好,问题在于送风量不足。

Tamblyn 指出,VAV 系统室内空气循环不好,无法满足人们对空气质量的要求,为此,他提出了温度补偿和内部分区的方法,以在能耗不升高的情况下保证必要的空气循环。

Meckler 指出,VAV 空调系统风量分配不均容易导致室内空气质量很差,从而使病态建筑综合症出现的概率大大增加。

为保证室内空气质量,各国学者一直在探索最小新风量的控制方法,现主要有表1 列举的几类方法。

3 变风量空调系统的优势分析3.1 节能由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行, 而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的, 因此可以大幅度地减少送风风机的动力耗能。

根据模拟测算, 当风量减少到80% 时, 风机耗能将减少到51% ;当风量减少到50% 时, 风机耗能将减少到15% ; 全年空调负荷率为60% 时, 变风量空调系统( 变静压控制) 可节约风机动力耗能78% 。

3.2 新风做冷源因变风量空调系统是全空气系统, 在过渡季节可大量采用新风作为天然冷源, 相对于风机盘管系统, 能大幅度减少制冷机的耗能, 亦可改善室内空气质量。

3.3 无冷凝水烦恼变风量空调系统是全空气系统, 冷水管路不经过吊顶空间, 避免了风机盘管系统中冷凝水滴漏和污染吊顶的问题。

3.4 系统灵活性好现在建筑工程中常常需要二次装修, 若采用带VAV空调箱装置的变风量空调系统, 其送风管与风口软管连接,送风口的位置可以根据房间的分隔的变化而任意改变, 也可根据需要适当增加风口。

而在采用定风量系统或风机盘管系统的建筑工程中, 任何小的局部改造都显得很困难。

3.5 系统噪音低风机盘管系统存在每个用户末端, 而变风量空调系统噪音主要集中在机房, 当采用空气动力型变风量末端时, VAVBOX可设置在走廊且一个VAVBOX可连接多个末端用户, 末端噪音相对较小。

3.6 不会发生过冷或过热的现象, 空调舒适性好带VAV空调箱的变风量空调系统与一般定风量系统相比, 能更有效地调节局部区域的温度, 实现温度的独立控制, 避免在局部区域产生过冷或过热现象。

3.7 楼宇自动化程度高采用DDC数字控制的变风量空调系统, 可以实现计算机联网运行, 接到楼宇自控系统中, 从而提高楼宇智能化程度。

3.8 减少综合性初投资由于增加了系统静压控制以及VAV空调箱等环节,设备控制上的造价会有所提高。

但由于变风量空调系统可以根据冷热负荷的分布, 使送风量在建筑物内各个控制区域间平衡转移, 从而使系统的设计总送风量减少, 因此可以减少空调系统设备的容量, 系统综合性初投资不一定会增加, 甚至可以降低。

3.9 结构简单, 维修工作量小, 使用寿命长4 变风量空调系统主要末端设备的种类4.1 末端装置的分类末端装置是改变房间送风量以维持室内温度的重要设备。

末端装置有如下几种分类方法:按照改变风量的方式, 有节流型和旁通型。

前者采用节流机构( 如风阀) 调节风量, 后者则是通过调节风阀把多余的风量旁通到回风道。

按照是否补偿压力变化, 有压力有关型( pressure dependent) 和压力无关型( pressure independent) 。

从控制角度看, 前者由温控器直接控制风阀; 后者除了温控器外, 还有一个风量传感器和一个风量控制器, 温控器为主控器, 风量控制器为副控器, 构成串级控制环路, 温控器根据温度偏差设定风量控制器设定值, 风量控制器根据风量偏差调节末端装置内的风阀。

当末端入口压力变化时, 通过末端的风量会发生变化, 维持原有的风量; 而压力无关型末端可以较快地补偿这种压力变化, 维持原有的风量;而压力有关型末端则要等到风量变化改变了室内温度才动作, 在时间上要滞后一些。

价格上, 压力无关型要比压力有关型高一些。

按照有无末端混风机来分, 有带风机和不带风机两种末端。

带风机的末端可以在小风量或低温送风系统中保证室内一定的气流组织。

按照风机和一次风的关系, 带风机的末端又可分为带并联风机的末端装置( parallel fan powered terminal) 和带串联风机的末端装置( series fan powered terminal) 。

按照控制方式分, 有电动、气动和自力型。

电动的末端还有模拟型和直接数字控制型两种。

另外, 末端装置还可以附设消声和再热水功能。

4.2 末端设备的常用类型下面介绍在工程应用中常用的三种类型: 单风道变风量末端、风机动力型变风量末端以及变风量末端风口等类型。

4 .2.1 单( 双) 风道变风量末端主要是指利用风阀的节流作用来改变通过该末端的送风量以适应该区域室内负荷变化来维持区域内空调参数恒定的末端形式。

4.2.1 风机动力型变风量末端: 串联型变风量末端以及风机并联型变风量末端串联型和并联型变风量末端主要在末端风机与一次风的相对位置, 如果末端风机与来自送风管的一次风相对串联, 则为风机串联型; 风机与一次风相对并联, 则为风机并联型。

风机串联型变风量末端: 是利用风阀的节流作用调节来自送风管的一次风量, 一次风与来自吊顶的二次风混合后由末端送风机送入该空调区域, 实现一次风变风量运行, 末端定风量运行的特点, 最大限度地保证室内的气流分布和舒适性。