變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

在各種空調(diào)方式中,VAV空調(diào)系統(tǒng)有其自身的優(yōu)點(diǎn)：1、由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，所以風(fēng)量的減少帶來了風(fēng)機(jī)能耗的降低和末端設(shè)備里的再加熱器能耗的降低；2、能實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的靈活控制；3、利用系統(tǒng)多樣性，可使中央系統(tǒng)的初始成本低；4、同樣,由于可利用系統(tǒng)的多樣性,今后擴(kuò)展的成本大大降低；5、系統(tǒng)是自平衡的(Self2balancing)，等等。因此，國(guó)外智能大廈的空調(diào)系統(tǒng)多采用VAV空調(diào)系統(tǒng)，或與CAV空調(diào)系統(tǒng)、FCU空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的方式。雖然VAV空調(diào)系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是它的控制卻最復(fù)雜。目前,VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制方式基本上采用多個(gè)回路的PID控制。在系統(tǒng)模型參數(shù)變化不大的情況下,PID控制效果良好。但是,VAV空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)干擾大的、高度非線性的、不確定性系統(tǒng)，這是由于：1、外界氣候和空調(diào)區(qū)域里的人員活動(dòng)的變化很大，對(duì)系統(tǒng)形成很大的干擾；2、空氣調(diào)節(jié)過程是高度非線性的；各執(zhí)行器的運(yùn)行特性也是非線性的；3、各個(gè)控制回路之間耦合強(qiáng)烈，完全解耦是不可能的；4、隨著時(shí)間的推移,設(shè)備會(huì)老化和更換,從而造成系統(tǒng)參數(shù)的變化。5、在許多系統(tǒng)里，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型很難建立。1.1VAV系統(tǒng)的節(jié)能研究20世紀(jì)70年代到90年代,主要集中研究它的能耗情況，即與定風(fēng)量(CAV)空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)比較節(jié)能效果。與CAV空調(diào)系統(tǒng)相比,VAV系統(tǒng)可以不需或減少再熱量，降低送風(fēng)量，從而減小風(fēng)機(jī)能耗，降低制冷負(fù)荷等。此外,VAV系統(tǒng)還可以通過消除過冷、回收燈光的熱量而節(jié)能［1-3］。Wallace等人提出在高層建筑的VAV系統(tǒng)中引入建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制，可以優(yōu)化節(jié)能效果。風(fēng)機(jī)能耗在VAV系統(tǒng)中占很大的比重，因此對(duì)風(fēng)機(jī)采取有效的調(diào)節(jié)措施，降低風(fēng)機(jī)能耗是增強(qiáng)VAV系統(tǒng)節(jié)能效果的重要途徑。目前，風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)主要采用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)流葉片角度和變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩種方法,Englander和Norford比較了二者的節(jié)能效果，并用動(dòng)態(tài)模擬軟件HVACSIM+進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要比采用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片角度節(jié)能30%，而且變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與DDC結(jié)合效果會(huì)更好。加州能源委員會(huì)總結(jié)多年的VAV設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式對(duì)能耗的影響比風(fēng)機(jī)類型的影響大，而且指出變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與變靜壓控制方式結(jié)合節(jié)能效果顯著。1.2VAV系統(tǒng)送風(fēng)量的控制研究VAV系統(tǒng)是通過改變送入室內(nèi)的送風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)，因此風(fēng)量控制是VAV系統(tǒng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的能耗情況和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前總送風(fēng)量的控制方法主要有兩種：靜壓控制法和風(fēng)量控制法。1.2.1靜壓控制法靜壓控制法又分為定靜壓法和變靜壓法。定靜壓控制由于簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，目前仍作為一種主要的控制方法在變風(fēng)量系統(tǒng)中得到普遍采用，但不利于風(fēng)機(jī)節(jié)能。變靜壓法可以最大限度地降低能耗，節(jié)能效果顯著。Tung和Wang等人介紹了變靜壓控制策略，并分別用實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)兩種控制策略的節(jié)能情況進(jìn)行了比較，結(jié)果都表明變靜壓控制方式比定靜壓控制方式節(jié)能效果好。1.2.2風(fēng)量控制法為了全面提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最大限度地節(jié)約能量，Hartman提出了一個(gè)新的概念，即基于末端裝置的風(fēng)量調(diào)節(jié)(terminalregulatedairvolume，TRAV)0TRAV基于末端裝置實(shí)時(shí)的風(fēng)量要求，采用先進(jìn)的控制軟件,實(shí)施風(fēng)機(jī)控制。其基本原理是,將末端裝置送風(fēng)溫度、溫控器讀數(shù)、風(fēng)量及閥位信號(hào)都送入一個(gè)中央控制器，由它計(jì)算后再調(diào)節(jié)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)(不僅變送風(fēng)量而且要變送風(fēng)溫度)0Hartman用計(jì)算機(jī)對(duì)一幢典型辦公樓內(nèi)的VAV系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，采用TRAV控制，風(fēng)機(jī)能耗可以降低50%。但這種控制方法需要解決兩個(gè)關(guān)鍵的問題，即送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的預(yù)測(cè)和所需送風(fēng)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。如果能比較好地解決這兩個(gè)問題，就可以避免多個(gè)環(huán)路之間的相互作用，從而提高系的穩(wěn)定性。此外TRAV要求從建筑到VAVbox都應(yīng)采用先進(jìn)的DDC控制。1.2.3其他控制法隨著研究的深入，人們開始研究更先進(jìn)可靠的控制方法,Byers提出了風(fēng)機(jī)壓力優(yōu)化的概念，指出它是部分負(fù)荷工況下控制靜壓的節(jié)能措施，也是控制VAVbox的可靠手段。Wei等人提出了將閥門控制和變靜壓控制相結(jié)合的控制方法(integrateddamperandpressurereset,IDPR)，并用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)比研究了幾種不同控制方法的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行良好時(shí)，IDPR法與TRAV法對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)基本一致，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，IDPR法控制的風(fēng)機(jī)能耗較低°Federspiel等人發(fā)展了傳統(tǒng)的變靜壓控制法，提出了帶InCTeTM的SAV(staticpressureadjustmentfromvolumeflow)靜壓控制，指出該控制方式節(jié)能性很好，而且不會(huì)影響房間的熱舒適性和室內(nèi)空氣質(zhì)量。加拿大的Nassif等人利用雙目標(biāo)遺傳算法對(duì)HVAC系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了優(yōu)化。這些控制方式能否成功執(zhí)行取決于VAV末端裝置內(nèi)流量傳感器能否對(duì)流量進(jìn)行精確測(cè)量。因此,提高流量測(cè)量的精度是改善VAVbox性能的關(guān)鍵技術(shù)。1.3新風(fēng)量控制研究盡管VAV系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，人們也發(fā)現(xiàn)變風(fēng)量系統(tǒng)中負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)量變化，這使得室內(nèi)氣流組織發(fā)生改變，從而影響室內(nèi)的熱舒適性。在1984年的ASHRAE會(huì)議上，大家一致認(rèn)為設(shè)VAV空調(diào)系統(tǒng)的很多建筑運(yùn)行效果并不好,問題在于送風(fēng)量不足°Tamblyn指出，VAV系統(tǒng)室內(nèi)空氣循環(huán)不好，無法滿足人們對(duì)空氣質(zhì)量的要求，為此，他提出了溫度補(bǔ)償和內(nèi)部分區(qū)的方法，以在能耗不升高的情況下保證必要的空氣循環(huán)°Meckler指出,VAV空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量分配不均容易導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量很差，從而使病態(tài)建筑綜合癥出現(xiàn)的概率大大增加。為保證室內(nèi)空氣質(zhì)量,各國(guó)學(xué)者一直在探索最小新風(fēng)量的控制方法，現(xiàn)主要有表1列舉的幾類方法。本1最小薩凡里控制法專法幌理特點(diǎn)CO］釀度陸測(cè)世控制回鳳］或賓內(nèi)空氣〕中CO2障積分教不大于1000布"町UR就忡捌A為產(chǎn)生的暮策構(gòu).對(duì)豐?>?勺產(chǎn)牛的?再染物理以砌控國(guó)延吉T?人員密度救火的場(chǎng)削如留爪,4■.我自樓障制注相攜白桂陽礙的里PBA我注定實(shí)味所雷的制毋量在俁證章內(nèi)質(zhì)量國(guó)前提卜居勇節(jié)能.但塔⑴了監(jiān)測(cè)人歌幼姓備一槍詩(shī)轉(zhuǎn)太.且不清十人員果度我-1、FJ渤合最大、雖辦送虱童兩點(diǎn)抻制法柑推虱/L眩全速利最低速設(shè)定最大、最辦耳伺開度不能保讓值個(gè)理比沌田內(nèi)疝帖滿.尤其在具有壓力派址日1一但埔翎低止*W法布新斌口J-IJ赴口和痕國(guó).口咐置括度傳區(qū)梏來調(diào)定謠凡中弱W的百奸比.新用蜀中咨才計(jì)卯律出址顯盼測(cè)刀豐萄簡(jiǎn)尊，但駕展風(fēng)謀宜傳感器阿桁度八點(diǎn)或國(guó)風(fēng)溫度與那，址混度群近時(shí)，謨妾挨大回鳳嘰跟蹤校甜法測(cè)曲送帆機(jī)和回旦機(jī)的旅晝，并控制回風(fēng)量，以甚二者:i間棵持一個(gè)固癥的斐值.該茬佰即為在風(fēng)機(jī)通過新凡閣販待J新此宜環(huán)種風(fēng)量醐旦的黑積誤差技大.特別是*或凡回風(fēng)蚩出轅小的時(shí)候在新風(fēng)引入口泄置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)淘新鳳演昌世行測(cè)"通辿該耐量魚來覆節(jié)煎i.風(fēng)詞開度本技是否可行成決于'風(fēng)量?；杓夹g(shù).?爭(zhēng)跋風(fēng)量傳感器墮度不裝專門樣設(shè)-?條新風(fēng)營(yíng)道諉法可以保還良好的室內(nèi)更氣質(zhì)具?，怛成本高，旦芾弱散大肘空旬壓差檢測(cè)法屈J1壓麥竹感器測(cè)甘新風(fēng)擋救祁閥口團(tuán)*的壓力差親控制回■反閥能皇戒裙卜訕川1色虱推薦來用3變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析節(jié)能由于空調(diào)系統(tǒng)在全年大部分時(shí)間里是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送風(fēng)量來調(diào)節(jié)室溫的，因此可以大幅度地減少送風(fēng)風(fēng)機(jī)的動(dòng)力耗能。根據(jù)模擬測(cè)算，當(dāng)風(fēng)量減少到80%時(shí)，風(fēng)機(jī)耗能將減少到51%;當(dāng)風(fēng)量減少到50%時(shí)，風(fēng)機(jī)耗能將減少到15%;全年空調(diào)負(fù)荷率為60%時(shí)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（變靜壓控制）可節(jié)約風(fēng)機(jī)動(dòng)力耗能78%。新風(fēng)做冷源因變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)，在過渡季節(jié)可大量采用新風(fēng)作為天然冷源，相對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，能大幅度減少制冷機(jī)的耗能，亦可改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。無冷凝水煩惱變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)，冷水管路不經(jīng)過吊頂空間，避免了風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中冷凝水滴漏和污染吊頂?shù)膯栴}。系統(tǒng)靈活性好現(xiàn)在建筑工程中常常需要二次裝修，若采用帶VAV空調(diào)箱裝置的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，其送風(fēng)管與風(fēng)口軟管連接，送風(fēng)口的位置可以根據(jù)房間的分隔的變化而任意改變，也可根據(jù)需要適當(dāng)增加風(fēng)口。而在采用定風(fēng)量系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的建筑工程中，任何小的局部改造都顯得很困難。系統(tǒng)噪音低風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)存在每個(gè)用戶末端，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)噪音主要集中在機(jī)房,當(dāng)采用空氣動(dòng)力型變風(fēng)量末端時(shí)，VAVBOX可設(shè)置在走廊且一個(gè)VAVBOX可連接多個(gè)末端用戶，末端噪音相對(duì)較小。不會(huì)發(fā)生過冷或過熱的現(xiàn)象，空調(diào)舒適性好帶VAV空調(diào)箱的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與一般定風(fēng)量系統(tǒng)相比，能更有效地調(diào)節(jié)局部區(qū)域的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的獨(dú)立控制，避免在局部區(qū)域產(chǎn)生過冷或過熱現(xiàn)象。樓宇自動(dòng)化程度高采用DDC數(shù)字控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，接到樓宇自控系統(tǒng)中，從而提高樓宇智能化程度。減少綜合性初投資由于增加了系統(tǒng)靜壓控制以及VAV空調(diào)箱等環(huán)節(jié)，設(shè)備控制上的造價(jià)會(huì)有所提高。但由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)冷熱負(fù)荷的分布，使送風(fēng)量在建筑物內(nèi)各個(gè)控制區(qū)域間平衡轉(zhuǎn)移，從而使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總送風(fēng)量減少，因此可以減少空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的容量，系統(tǒng)綜合性初投資不一定會(huì)增加，甚至可以降低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修工作量小，使用壽命長(zhǎng)4變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要末端設(shè)備的種類末端裝置的分類末端裝置是改變房間送風(fēng)量以維持室內(nèi)溫度的重要設(shè)備。末端裝置有如下幾種分類方法：按照改變風(fēng)量的方式，有節(jié)流型和旁通型。前者采用節(jié)流機(jī)構(gòu)(如風(fēng)閥)調(diào)節(jié)風(fēng)量，后者則是通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥把多余的風(fēng)量旁通到回風(fēng)道。按照是否補(bǔ)償壓力變化，有壓力有關(guān)型(pressuredependent)和壓力無關(guān)型(pressureindependent)。從控制角度看，前者由溫控器直接控制風(fēng)閥；后者除了溫控器外，還有一個(gè)風(fēng)量傳感器和一個(gè)風(fēng)量控制器，溫控器為主控器，風(fēng)量控制器為副控器，構(gòu)成串級(jí)控制環(huán)路，溫控器根據(jù)溫度偏差設(shè)定風(fēng)量控制器設(shè)定值，風(fēng)量控制器根據(jù)風(fēng)量偏差調(diào)節(jié)末端裝置內(nèi)的風(fēng)閥。當(dāng)末端入口壓力變化時(shí)，通過末端的風(fēng)量會(huì)發(fā)生變化，維持原有的風(fēng)量；而壓力無關(guān)型末端可以較快地補(bǔ)償這種壓力變化，維持原有的風(fēng)量;而壓力有關(guān)型末端則要等到風(fēng)量變化改變了室內(nèi)溫度才動(dòng)作，在時(shí)間上要滯后一些。價(jià)格上，壓力無關(guān)型要比壓力有關(guān)型高一些。按照有無末端混風(fēng)機(jī)來分，有帶風(fēng)機(jī)和不帶風(fēng)機(jī)兩種末端。帶風(fēng)機(jī)的末端可以在小風(fēng)量或低溫送風(fēng)系統(tǒng)中保證室內(nèi)一定的氣流組織。按照風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)的關(guān)系，帶風(fēng)機(jī)的末端又可分為帶并聯(lián)風(fēng)機(jī)的末端裝置(parallelfanpoweredterminal)和帶串聯(lián)風(fēng)機(jī)的末端裝置(seriesfanpoweredterminal)。按照控制方式分，有電動(dòng)、氣動(dòng)和自力型。電動(dòng)的末端還有模擬型和直接數(shù)字控制型兩種。另外，末端裝置還可以附設(shè)消聲和再熱水功能。末端設(shè)備的常用類型下面介紹在工程應(yīng)用中常用的三種類型：?jiǎn)物L(fēng)道變風(fēng)量末端、風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端以及變風(fēng)量末端風(fēng)口等類型。4.單(雙)風(fēng)道變風(fēng)量末端主要是指利用風(fēng)閥的節(jié)流作用來改變通過該末端的送風(fēng)量以適應(yīng)該區(qū)域室內(nèi)負(fù)荷變化來維持區(qū)域內(nèi)空調(diào)參數(shù)恒定的末端形式。風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端：串聯(lián)型變風(fēng)量末端以及風(fēng)機(jī)并聯(lián)型變風(fēng)量末端串聯(lián)型和并聯(lián)型變風(fēng)量末端主要在末端風(fēng)機(jī)與一次風(fēng)的相對(duì)位置，如果末端風(fēng)機(jī)與來自送風(fēng)管的一次風(fēng)相對(duì)串聯(lián)，則為風(fēng)機(jī)串聯(lián)型；風(fēng)機(jī)與一次風(fēng)相對(duì)并聯(lián),則為風(fēng)機(jī)并聯(lián)型。風(fēng)機(jī)串聯(lián)型變風(fēng)量末端：是利用風(fēng)閥的節(jié)流作用調(diào)節(jié)來自送風(fēng)管的一次風(fēng)量，一次風(fēng)與來自吊頂?shù)亩物L(fēng)混合后由末端送風(fēng)機(jī)送入該空調(diào)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)變風(fēng)量運(yùn)行，末端定風(fēng)量運(yùn)行的特點(diǎn)，最大限度地保證室內(nèi)的氣流分布和舒適性。見圖1。風(fēng)機(jī)并聯(lián)型變風(fēng)量末端的風(fēng)機(jī)只有在一次風(fēng)量減少到最小風(fēng)量仍無法滿足區(qū)域內(nèi)負(fù)荷減少的情況下才會(huì)啟動(dòng)并引入吊頂回風(fēng)或于加熱盤管一起工作來保證區(qū)域內(nèi)空調(diào)參數(shù)的恒定。見圖2。圖1串聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端圖2并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端內(nèi)置溫度傳感器、控制器和執(zhí)行器的機(jī)械式無源變風(fēng)量末端風(fēng)口帶有內(nèi)置溫度控制器，依靠熱敏感物質(zhì)的膨脹和收縮作用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)閥進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)的變風(fēng)量末端