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VAV空调系统的末端设备及其DDC控制

摘要：变风量（VAV）空调系统是以节能为目的发展起来的一种空调系统形式。本文主要介绍变风量系统的末端设备和控制。

关键词: 变风量 末端设备 控制 1.引言

变风量（VAV）空调系统是以节能为目的发展起来的一种空调系统形式。随着空调技术、自动控制技术特别是计算机控制技术的发展,变风量系统在实际工程中得到了越来越多的使用。变风量系统是楼宇设备系统中采用自动控制技术最集中的场合 ,也是最难以控制的对象之一。本文将主要介绍变风量空调系统几种常用的末端设备及其控制问题。2.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(preure dependent)和压力无关型(preure independent)。

压力有关型末端装置如图 1 所示 ,该系统是根据测得的室内温度控制风阀的开度 ,从而控制送风量的大小 ,使送风量随室内负荷的变化而变化 ,达到控制室内温度的目的。但是该系统当风阀的开度发生变化时 ,会引起送风管道内静压的变化 ,使其它末端装置在风阀开度不变时 ,仍会引起送风流量的变化 ,从而引起空调房间内温度的变化。

图1 压力有关型末端装置图

压力无关型末端装置如图2所示,压力无关型是指当送风管道内静压发生变化时,不会影响空调房间内温度的变化。实际上是在末端装置的入口处加一流量检测装置,当送风管道内静压发生变化时,控制器马上会依据流量的变化施加控制作用,使静压的变化在还没有影响到空调房间内温度之前,已经将阀门调整到正确位置。该末端装置实质对应的控制系统为一个串级控制系统,主控制器根据室内温度给定值与温度测量值的偏差信号e 施加调节作用,主控制器的输出作为副控制器的给定,副控制器的输出调节风阀的开度。这种系统使作用于副回路的干扰在还没有影响主参数之前,已经得到有效控制。

图2 压力无关型末端装置图 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。

3.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。3.1单(双)风道变风量末端(见图3)

图3 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。

3.2风机动力型变风量末端: 串联型变风量末端以及并联型变风量末端

串联型和并联型变风量末端主要区别在于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。见图4。

风机并联型变风量末端的风机只有在一次风量减少到最小风量仍无法满足区域内负荷减少的情况下才会启动并引入吊顶回风或于加热盘管一起工作来保证区域内空调参数的恒定。见图5。

图4 串联式风机动力型变风量末端 图5 并联式风机动力型变风量末端 3.3 内置温度传感器、控制器和执行器的机械式无源变风量末端风口

带有内置温度控制器, 依靠热敏感物质的膨胀和收缩作用来驱动风阀进行风量调节的变风量末端。它主要是由温控器、调节风阀和传动机构等部分组成。其核心部分是一个内置的温控器, 由一个充有石油蜡状物的小铜柱构成, 当其受热时, 蜡状物凝固收缩, 弹簧将柱塞拉回, 通过柱塞运动成比例地调节风阀的开度。

4.变风量空调系统末端装置的DDC控制

变风量空调系统主要是通过末端装置以室内温度的波动为控制信号来控制房间送风量,满足房间热湿负荷的变化和新风量要求,它的好坏直接影响房间的空气品质。

变风量末端的控制方式有气动式控制、模糊控制、DDC 控制。近年DDC 控制通过精确的数字控制技术使得末端设备具有较好的节能性。下面主要介绍几种常用末端装置的DDC控制方式（图6）。

图6 DDC控制流程图

4.1 单管型末端

图7 单管型末端装置

4.1.1单管型末端结构

单管型是结构相对比较简单的末端装置,基本结构如图7。单管型末端是压力无关型末端,内部不设动力装置无能耗。在入口管内装有测量流量和传递信号的压差流量传感器。末端空气调节阀的选择很多,可采用单叶式调节阀、对开多叶式调节阀或蝶阀等。为降低因节流产生的噪声,在箱体内衬吸声材料。末端在出口段设有多出口箱,与多个送风软管相连接。有些末端出口可达到6～7 个。4.1.2控制和运行

a.单冷控制(图8)。当房间温度在设定点内,末端装置输送最小风量；当房间温度升高超过设定点(CSP),末端风量开始增加，若房间温度继续升高，则末端风量继续增加直至最大。对空调使用区 ,非使用区及夜间循环状态，温度设定点都可以不同。

b.冷、热自动切换(图9)。制冷模式下，通过控制软件可以设定送风温度，当送风温度超过上限时，自动转入加热模式，房间温度进一步降低，风量就逐渐增加，直至最大。同样，对空调使用区 ,非使用区及夜间循环状态，温度设定点 也可以不同。

图8 单冷控制曲线图 图9 冷热切换控制曲线图 c.制冷带二次电加热或水盘管加热。房间温度大于制冷设定点(CSP)，末端处于制冷模式；当室温低于加热设定点(HSP)，末端在保持最小风量的同时，启动电加热器或打开热水盘管水阀，根据热负荷要求，进行二次加热(图10,11)。

图10 制冷带二次电加热控制曲线图 图11 制冷带二次水盘管加热曲线图 4.2 串联型末端 4.2.1串联型末端结构

图12 串联型末端装置

基本结构如图12。与单管型相比主要是在末端箱体出口处增加了一个末端风机,并且经过空调处理的一次空气和诱导的二次空气(室内回风)混合后经过末端风机送入室内。末端风机连续运转来克服末端阻力,满足室内送风量和气流组织要求。一般末端风机为前倾式离心风机,电机效率较低,这必然导致系统总能耗的增加。末端风机送风量满足房间最大负荷送风量,避免当房间达到最大负荷时一次风倒流入吊顶空间。在诱导二次风入口处有过滤网。在出口段与单管型类似可设加热器和多出口箱。4.2.2控制与运行

a.串联风机动力末端装置，单制冷。单冷状态，风机定风量连续运行，当室温超过设定值，冷风量随室温增加而增加,直至最大。不同区域与状态温度设定可以不同(图13)。

图13 串联风机动力末端单冷控制曲线图 b.串联风机动力末端装置带二次加热。房间温度大于制冷设定点，末端处于制冷模式，一次风量随室温增加而增加；当室温低于加热设定点，末端在保持最小风量的同时，启动电加热器或打开热水盘管水阀，根据热负荷要求，进行二次加热(图14，15)。

图14 串联风机动力末端带二次 图15 串联风机动力末端带二次 电加热控制曲线图 水盘管加热控制曲线图 4.3 并联型末端 4.3.1 并联型末端结构

基本结构如图16所示。并联型与串联型的根本区别就在风机位置和能耗问题上:并联型是来自于吊顶诱导的二次空气(室内回风)先经过风机后再与经空调机处理的一次空气相混合,然后送入空调房间,仅有二次空气经过风机;而串联型则是先混合再进入风机。在风机出口处设有止回阀,以免空气倒流。其它部分结构均和串联型末端相似。

图16 并联型末端装置 在运行中,并联型与串联型有较大区别。并联型末端风机为间断式运行方式,随着房间负荷的变化来启停风机。由于只有二次风经过风机,风机处理风量小、噪音小、能耗低。4.3.2 控制与运行

a.并联风机动力末端装置，单制冷。在制冷温度设定点，末端装置处于最小冷风量，此时冷风量随室温增加而增加；当室温降低到加热设定点下或冷风量随室温降至制冷设定点时，末端风机启动，提供加热回风。冷、热温度设定叫根据 状态的不同而不同(图17)。

图17 并联风机动力末端装置单制冷控制曲线

b.并联风机动力末端装置带二次加热。制冷模式下，末端提供最小冷风量，冷风量随室温增加而增加；当室温降低到加热设定点(HSP)以下或冷风状态下室温降至制冷设定点(CSP)以下，末端装置风机启动，并启动二次加热装置(电加热盘管或水盘管)，其中，电加热为多级加热(如:三级)，水盘管阀门可比例调节(图18，19)。

图18 并联风机动力末端装置 图19 并联风机动力末端装置 带二次电加热控制曲线图

带二次水盘管加热控制曲线 4.4 两种末端型式的比较

单管型末端结构最为简单,末端不需动力装置、耗能小、价格相对较低。这些优点使国内VAV 系统初投资高、运行复杂等问题得到解决。但是对于内外分区的系统来说,单管型末端不能同时实现外区供暖内区供冷的情况,且送风量减小也可能影响室内气流组织。

串联型和并联型末端则能有效地解决这一问题。串联型末端带有风机,使得出风口气流具有一定的速度,保证气流组织。末端风机连续运转定风量运行,只是靠改变一次空气和回风混合比来满足室内要求。当一次风处于最小送风量时,室内仍具有很好的气流组织形式。所以串联型末端常与传统散流器风口配合,用于低温送风系统。与低温相结合的VAV 系统可降低送风量、设备容量和管道尺寸 等,从而得到进一步节电降耗。但在低温送风系统中应注意在末端箱体内加绝热内衬,以防当低温空气流过时使金属外表面出现结露现象。并联型末端虽然也带有风机,但风机动力小而且风机间断运行。在风机不运行期间,可能不会保证良好的室内气流组织,且有可能会出现冷气流直接下沉现象。所以与串联型相比,间断式运行的并联末端不宜用于低温送风系统。

总体来说,单管型末端适用内区常年供冷的系统,而外区则可用动力型末端来解决室内空气品质问题。对于国内来说,这两种类型的末端仍是国内VAV 系统主要使用的末端装置。通过不断研究它们的性能特点,使不同类型的末端有机结合,最终能使整个系统运行达到最佳节能效果。5．结语

风机动力型末端因能保证良好的室内气流组织,在VAV 系统中得到广泛的应用。其中以低温VAV 空调系统最为典型。但动力型末端的优点是通过耗能实现的。由于变风量末端风机和电机小,导致它的效率很低,因此末端的能耗问题就必须得到重视。国外有研究表明,在低温VAV 送风系统中末端的能耗将有可能大于送风机的节能,这一结论使得设计者对动力型末端的使用甚至VAV 系统的应用都产生顾虑。但是,随着技术的进步,目前各生产厂商都在不断提高末端产品的性能,较为显著的电机和风机效率低的问题已经得到很大的改善。提高小风机效率,使用高效电机等使得末端的能耗明显降低。所以对末端装置的能耗重新评估,准确定位动力型末端装置在系统中的使用就显得十分重要了。

此外,优化控制系统末端控制器、提高机电一体化技术和设备性能,尽快研究开发适合我国建筑环境的变风量末端,并使之应用于VAV 系统中以求达到降低初投资、节能降耗的目的,适应国内建筑需求。