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朗德华:针对VAV变风量系统控制的研究与探索(一)

作者:姜永东 出处:朗德华信(北京)自控技术有限公司 时间: 2012-12-13 16:24:53
    

概要:近年来基于变风量控制的空调系统得到了广泛关注和应用,本文首先对VAV BOX的类型和控制方式进行了全面介绍,然后探讨了几种类型的VAVBOX变风量控制的工作原理,最后结合北京信和瑞丰科技有限公司自主研发的WinSmart BAS控制系统对变风量系统的总风量控制方式的工作流程进行了深入探讨和说明。

    关键词:VAV变风量、压力控制、总风量控制、Winsmart BAS、直接数字控制器DDC

    一、引言
    中央空调变风量系统是一种根据区域负荷变化而自动调整送风量的智能型空调系统,其最大优点是节约能源、舒适性高。但由于变风量系统涉及暖通和自控两个专业,加之我国教育的专业分类造成两个专业的技术人员对另一专业了解不够深入,部分人员不能真正理解变风量的含义,认为变风量过于深奥难懂,以至于造成现在市场上对变风量系统的诸多不正确认识,使变风量的普及受到不应有的阻碍。
    本文的主要目的是通过对目前市场上常用的变风量设备进行概念性描述和总结,用深入浅出的语言介绍变风量的控制方式和特点,起到抛砖引玉的作用,希望能让更多的同行和专家加入到变风量知识普及的过程中,使此技术在市场得以顺利及时的普及,为国家的建筑节能事业尽微薄之力。

    二、VAV BOX的分类和控制原理研究
    目前市场上常用的单风道系统VAV BOX主要分为三种:
    ◆ 节流式风阀型(DAMPER TYPE)
    ◆ 风机动力型(FAN POWERED UNITS)
    ◆ 文丘里型(VENTURI TYPE) 

    风机动力型根据风口和风机的相对位置又可分为串联型和并联型:
    ◆ 串联型:由于进风口、风机、出风口直接连通,故称为串联型(如图1所示),又因其出风口总风量是固定的,只能通过位于进风口处的风阀进行一次风量的变化调节,所以也被俗称为固定风量的VAV BOX(CAV);
    ◆ 并联型:由于进风口、出风口直接连通,风机和回风口并在BOX的一侧,故称为并联型(如图2所示)。并联型BOX的风机在夏季不运行,冬季才运行,采用进风口处风阀进行一次风量变化调节,导致出风口风量的变化。

    风机动力型还可以进一步根据是否具有再加热功能而细分为再加热型和非再加热型。
    文丘里型VAV BOX由于其结构的特殊性,无需配置风量检测机构,此功能由其迎风面完成。
    不同的VAV BOX由于结构不同,其使用的方式也有区别,按照建筑的内区和外区分类来说,一般遵循如下规则:
    ◆ 节流式风阀型一般使用在内区,通常全年采用制冷模式运行;
    ◆ 串联风机动力型一般使用在周边区域,多数带有再加热功能;
    ◆ 并联风机动力型一般使用在外区,多数带有再加热功能;
    ◆ 文丘里型多数使用在医院、手术室、净化车间等特殊应用场合,其独特的结构设计使得房间内能够出现负压,起到防止污染物扩散、保护环境卫生的作用。

    虽然VAV BOX的控制方式各有不同,但其基本原理都是根据室内设定温度和监测温度的变化,通过调节送风量的大小,达到室内环境温度的动态平衡。
    现以北京信和瑞丰科技有限公司生产的VAV变风量专用控制器CRD-6022和CRD-2680为例详细说明其工作流程。
    该公司生产的一套标准VAV BOX设备配置为:1台VAV专用CRD-6000系列DDC(如:CRD-6022)、1台CRD-2000系列VAV专用温控器(如:CRD-2680)、1套风量检测机构、1套风阀执行机构和BOX箱。 

VAV BOX的基本控制流程如下:

    1、用户通过CRD-2680温控器设定房间希望达到的目标温度,CRD-2680温控器将用户设定的温度和实际监测到的房间温度传递到CRD-6022 DDC控制器中,作为主要监测数据;
    2、CRD-6022 DDC控制器通过计算设定温度和监测温度的差值,得到室内所需要的风量希望值,再通过调节风阀执行器,改变实际的送风量到理论计算的范围;
    3、同时,CRD-6022 DDC控制器通过流量压差传感器检测风道内的压力变化,采用模糊PID调节算法,消除风道压力波动的影响,使送风量始终维持在需要的水平上;这样,CRD-6022 DDC控制器和CRD-2680 VAV温控器一起构成一个闭环的室内末端温度串级控制系统,其采用室内温度作为主控制量,空气流量作为辅助控制量,一起调节室内温度环境。
    4、最后,Winsmart BAS管理系统通过通讯线将多个上述室内变风量末端控制系统连接在一起,实现整个变风量系统的管理和控制。

    三、VAV BOX的控制原理
    虽然VAV BOX的结构种类很多,但基本的控制原理分为压力相关型控制和压力无关型控制:
    ·压力相关型控制:顾名思义是指受压力变化影响的VAV BOX变风量控制系统。这种控制方式出现在上世纪80年代早期,主要因为当时集成电路和芯片技术还未得到深入发展,很难准确测量VAV BOX进风口风量的细微变化,即使能够测量也不容易将此信号转换成控制信号实现VAV控制器的反馈调节,因此VAV控制器只能实现根据设定温度和检测温度来进行风量调整的单级控制算法,从而使得其出风口的风量极易受到风道内压力变化的影响,其控制逻辑图如图6所示。


    ·压力无关型控制:指的是不受压力变化影响的VAV BOX变风量控制系统。这种控制方式出现在上世纪90年代后期,由于集成电路和芯片技术得到大力广泛的发展,可以很容易的测量到VAV BOX进风口风量的细微变化,并且在高速微处理器的帮助下,非常容易的将此信号转换成控制信号以实现VAV控制器的反馈调节,使得VAV控制器在根据设定温度和检测温度实现风量调节的基础上,再根据监测的风量变化对VAV BOX送风量进行适时微量的调整,实现风量串级控制,达到出风口风量恒定,不受风道内压力变化影响的目的,其控制逻辑图如图7所示。


    四、变风量系统控制方式介绍:
    现在大家熟知的变风量系统控制方式总体上可以分为三种:
    ◆ 定静压控制
    工作原理:在系统中由于VAVBOX 控制器根据室内负荷变化,来调整末端出风量满足负荷要求。出风量的变化引起系统管路中静压变化,静压传感器测量静压变化并传递给风机变频器DDC,变频器DDC根据静压变化信号,去控制空调机电机转速,调整总出风量,维持送风管路系统的静压恒定。
    ◆ 变静压控制
    工作原理:系统在满足室内负荷变化要求的情况下,尽量使VAVBOX处于全开状态(85-100%),保持系统静压降至最底。
    ◆ 总风量控制
    工作原理:VAVBOX 控制器根据室内负荷变化,来调整末端出风量满足负荷要求,并将风量信号传递给变频器控制器。变频器控制器将所管辖范围内的每个末端风量搜集起来进行解偶分析计算后累加,去控制变频器,调整空调机电机转速,使送风量等于总末端风量之和。

    但多数技术人员没有明白此三种控制方式的根本内在特点和关联关系,仅仅拘泥于其表面含义。
    根据本人的认识则有以下观点:
    ·定静压控制方式是基于压力相关型控制原理的早期变风量控制方式;
    ·变静压控制方式是基于压力无关型控制原理,属于总风量控制方式的最终结果表现形式;
    ·总风量控制方式属于真正意义上的变风量控制方式。

    因为,在VAV BOX采用压力相关型控制的情况下,为了最大限度的降低因风道内部风压变化对VAV BOX风量控制的影响,采用定静压的控制方式就成为必然。
    而在VAV BOX采用压力无关型控制的情况下,总风量控制成为必然。在总风量的控制状态下,风道内静压处于变化的状态中,安装静压传感器是为通过检测静压来核准送风量的准确性,从而使变风量系统实现串级控制,实现最大限度的节能降耗。

    五、总风量型变风量系统WinSmart BAS的控制说明
    北京信和瑞丰科技有限公司自主研发的WinSmart BAS变风量控制系统是基于总风量控制方式的VAV系统,其基本系统结构图如图8所示。
    该系统最多可以连接120个压力无关型VAV末端控制小系统,每个VAV末端控制小系统的基本结构如图1所示,用户在CRD-2680温控器上输入设定温度参数,CRD-6022根据设定温度和监测温度调整室内送风量,并通过风量传感器来平衡总风道的压力变化,使得出风口的风量保持恒定,直到室内温度达到或者接近用户设定温度为止。控制空调机组的CRD-8080 DDC控制器与120个VAV末端控制小系统形成一个大闭环系统,末端的CRD-6022 DDC控制器将各个末端参数变化信号和控制信号加以解耦计算后,汇总到控制空调机组的CRD-8080 DDC控制器上,由它来进行整个系统总风量的动态计算,并输出控制信号给变频器,调整空调机组风机的转速,使空调机组的总风量等于变风量末端装置的风量之和,达到变风量控制,实现按需提供风量,有效节约能源的目的。

    总结:以上主要针对VAVBOX和变风量系统的控制方式做了简单论述,希望用通俗的语言让更多的专家、技术人员加入到变风量系统普及的过程中,由此向前推动变风量系统的发展。当然,由于作者技术水平受限,文章中难免有不足之处,欢迎大家批评指正。


参考文献:
1、《WinSmart BAS 控制系统说明书》 北京信和瑞丰科技有限公司
2、《CRD-8000系列直接数字控制器说明书》北京信和瑞丰科技有限公司
3、《CRD-6000系列VAV专用型直接数字控制器说明书》北京信和瑞丰科技有限公司
4、《CRD-2000系列温控器说明书》北京信和瑞丰科技有限公司
5、《Variable Air Volume Manual》 Herb Wendes, P.E,  
6、《变风量空调设计》蔡敬琅
7、《暖通空调系统的计算机控制原理》 江亿


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