全空气变风量空调系统.docx

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全空气变风量空调系统

摘要

全空气空调系统用于消除室内显热冷负荷与潜热冷负荷的全空气系统。

该系统中空气必须经冷却和去湿处理后送入室内。

至于房间的采暖可以用这同一套系统来实现，即在系统内增设空气加热和加湿（也可以不加湿）设备；也可以用另外采暖系统来实现。

集中式全空气空调系统是用得最多的一种系统形式，尤其是空气参数控制要求严格的工艺性空调大多采用这种系统。

全空气变风量空调系统的自控系统包括风量控制送风温度控制、新风量控制等3个方面。

的内容整个控系统通过混合新风发生耦合，需要采用比较复杂的自控技术实现全局性控制。

结合实际设计案例，对各种控制工艺进行分析与总结。

关键词：

全空气变风量空调系统；风量控制；送风温度控制；新风量控制　

1引言

从目前国外发达国家空调技术的发展来看，从八十年代起，变风量空调系统已在发达国家的公共建筑物中出现，到近期在西方国家中，国内目前常用的风机盘管加新风系统已不允许在办公大楼中采用，因为该系统无法解决房间的全面通风问题，特别是在内区的房间（没有外窗的房间）。

同时，国内常用的两管制风机盘管加新风系统更无法解决内区房间的冬季制冷问题。

欧洲的一些国家更是对建筑物内的空气品质进行检测，如被定为“病态建筑”，该大楼将不允许使用，由此可见发达国家对室内环境的要求标准及室内环保的重要性。

变风量空调系统是一种全空气系统，它是用送风温度来控制室内温度的。

变风量系统可以同时满足室内的空气品质，又达到节能的目的。

是目前发达国家在办公大楼及公共商业建筑中普遍采用的系统。

2空调系统的选择

空调系统采用机械方式向室内提供新风与冷热负荷，需要配套自控系统实现自动化运行。

自控工艺成为空调系统设计目标能否实现的关键点。

下面将围绕自控工艺的实现对3类空调系统进行分析比较。

2.1．风机盘管加新风系统

风机盘管加新风系统是在五、六十年代在发达国家率先出现的，是用来代替全空气定风量系统。

由于全空气定风量系统不能对各个单独的房间进行调节，同时对建筑物的空间要求较大，而风机盘管和定风量空调系统相比可以独立设置在各个房间中，可以独立的进行开关及温度控制，但由于该系统的冷热源是通过水送入房间的，风机盘管只能对房间空气进行循环冷却或加热，这样一来，无法满足房间内工作生活的人对新风的要求，于是为满足新风的需要，设计中又加入了一套新风系统，可是，新风往由于排风的不畅而没有真正送入房间，由于设计中对房间分隔等要求，要想解决排风问题是一件非常困难的事。

于是，就出现了人们认为集中空调的房间感觉到很闷，不舒服，当然，我们会经常看到设有集中空调的房间的大楼有很多窗户是开启的，主要是人们希望通过外窗来采到一定的新风，而实际上由于房间的正压度，新风是不会从窗户进入房间的，由此而来，舒适性空调实际上根本没有解决人们的舒适要求，只是将房间的温度降低或提高。

风机盘管加新风的特点是：

房间可以独立地进行温度调节，设计技术相对简单（因此设计风险不大），设备国产化程度高，投资少（通常我们所谓的高档写字楼，如目前金融街已建的项目中，大部分的投资在800元每平方米左右。

该投资不包括与空调相配套的配电及自控，并且，只有主要设备，如冷冻及水泵等采用进口设备。

）但该系统其缺点是噪音大，新风标准低，灵活性差，维修量大，无法解决人们的舒适度要求，更无法解决室内的空气污染问题。

2．2变风量系统

变风量（VAV）空调系统70年代初由国外研制推出，目前是欧美等发达国家主流的空调系统。

它根据空调负荷的变化以及室内要求参数的变化来自动调节各末端及空调机组风机的送风量及排风量，是一种全空气系统。

室内空气的送入与排出按设计要求进行平衡，换气次数高，能及时的将室内人员呼出的废气排走，最大程度地保证空调环境的品质，将二氧化碳的浓度真正的控制在900PPM以下，提高人的舒适性，降低空调机组的运行能耗。

一般来说，变风量空调系统具有以下特点：

1）舒适性：

能实现各个空调区域的灵活控制，可以根据负荷变化或个人的要求自行设定环境温度。

2）节能：

由于空调系统绝大部分时间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，因此能够合理的分配气量，减少空调机组的风机能耗，可明显降低运行电费，并可降低空调机组的总装机容量。

3）不会发生过冷或过热：

由于温度控制的灵活、有效，可以避免常规空调常见的局部区域过冷或过热，既提高了舒适感，又节约了能量。

4）系统噪声低：

如果风量减小是通过风机转速降低实现的，则会使系统噪声大幅降低。

5）无冷凝水烦恼：

变风量系统是全空气系统，冷水管路不经过吊顶空间，可以避免冷冻水、冷凝水滴漏污染吊顶,没有凝水盘避免了霉菌污染。

6）系统灵活性好：

其送风管与风口之间采用软管，送风口的位置可以根据房间分隔的变化而任意改变，也可根据需要适当增减风口，使系统结构变得十分灵活。

2.3　定风量系统

在全空气定风量空调系统中，依然用空气处理机与风口末端装置两级控制方式，温度控制依然采用两级反馈控制模式，以室内环境温度作为被控参数，以送风温度作为控制量，对空调机的冷热水阀进行独立调节。

针对空气处理机配套了新风阀、排风阀、混风阀，采用最小新风量原则对三阀实施等比例调节，提供定风量的混合新风，以混合新风取代新风实施过滤与降温处理后供应给各个风口，作为补充手段可选择最不利点的空气质量作为被控参数，对新风阀的开度实施增量调节，保持排风阀与混风阀随新风阀等比例随动调节。

因此，全空气空调系统回收利用了室内空气的冷负荷，在北方利用室内空气的自有湿度来平衡干燥的室外空气，而在南方则利用相对干燥的室内控制湿度来调和过湿的室外空气，但是需要增加一台回风机而增加了能源消耗。

可见，新风供应与冷负荷供应两个控制环节也是相互独立的，自控系统也容易实现。

2.4三者之间的比较

1）变风量与定风量之间的特点比较

变风量可以根据不同房间的使用要求来独立控制同一风系统中各个不同的房间的温度，而不是像定风量系统中只能控制总的回风温度。

其每个VAV末端控制装置可自配温度控制，随着所控温度区域的变化，自动调节送风量。

在运行时，随着负荷的降低，VAV末端的风量减少，其空调机组的送风量也相应减少，由于一幢建筑的空调负荷在全年只有大约5%的时间内出现满负荷情况，其余时间都是在低负荷工况下运行，因此，其全年的运行能耗大大降低，这也是VAV系统的一个特点。

2）变风量与风机盘管加新风空调系统的比较

在风机盘管加新风的系统中，新风量是固定不变的，送风参数也只是冬夏季节时各自统一，在过渡季节时，由于室内冷负荷的存在，必须开冷水机组供冷，只靠新风来控制室温是不太可能的，从而导致能量的浪费，VAV系统属于全空气系统，过渡季节可直接利用新风进行冷却，其节能意义是显而易见的。

综上所述，此空调系统选择全空气变风量控制系统。

3.全空调变风量控制系统

变风量自动控制系统主要是通过末端装置以室内温度的波动为被控制量来控制房间送风量，满足房间热湿负荷的变化和新风量的要求，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模糊、DDC等，近年来DDC系统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。

3.1变风量末端装置

1）.变风量末端装置控制功能:

a．测量控制区域温度，通过末端温度控制器设定末端送风量值。

b．测量送风量，通过末端风量控制器控制末端送风阀门开度。

c．控制加热装置的三通阀或控制加热器的加热量。

d．控制末端风机启停（并联型末端）。

e．再设空调机组送风参数（送风温度、送风量或者送风静压值）。

f．上传数据到中央控制管理计算机系统或从中央控制管理计算机系统下载控制设定参数

2）变风量末端装置的分类

a．按照是否补偿系统送风压力变化分有压力相关型（pressuredependent）压力无关型（pressureindependent）

压力无关型变风量末端装置的送风量仅与室内负荷有关，与系统送风压力无关，可以较快的补偿送风压力的变化；

b.按有无风机分有基本型、风机动力型（FPB-FanPoweredBox）、（•串联风机型•并联风机型两种）

c.按单、双风道分有单风道型、双风道型

3.2变风量的系统分析

为了实现全新风空调系统的设计目标，在满足室内环境对冷负荷与新风量需求的同时最大限度地降低能耗，自控系统需求对系统风量、送风温度与新风量进行去耦控制，将被控制对象的参数波动限定在允许范围内。

3.2.1风量控制

在全空气变风量空调系统中采用的系统风量控制策略主要有定静压差法、变定静压法、总风量法、变静压法。

不论以何种方式，控制参数都采用送风量通过对送风机的变频调试来实现。

如何选择控制参数是各个控制策略的差异所在。

（1）定静压法。

定静压法是经典的系统风量控制，该系统采用送风管中的最低静压点测量値作为被控参数，表征负荷的风量需求。

其难点在于寻找稳定、合适的最低压点位置，可根据ASHRAE90.1-2001标准规定“静压传感器位置的设定静压不应大于风机总设计静压的1/3”，在实测中确定。

定静压法控制简单，但是在运行工况中静压波动，而不同工况下静压设定值却没有相应变化，导致定静压法的实践成果变差。

（2）变定静压法。

变定静压法以末端装置中的最大风门开度作为被控参数，表征最不利的负荷需求风量，以此调节静压设定値来满足最不利点的负荷需要，解决静压设定值需要跟随工况条件而变化的问题，但依然采用了静压传感器作为控制系统的设定基准。

变定静压法同样无法处理静压波动引起的系统波动问题静压波动。

（3）总风量法。

总风量法直接对末端装置的静压值作为基准参照点。

尽管总风量法取消了静压传感器而回避了静压波动问题，但是忽略了最不利点的负荷需求，在最不利点变化趋势与总需求风量变化趋势相反时容易产生误动。

（4）变静压法。

变静压法采用超驰控制技术，以末端装置的需求风量求和作为正常工况下的主调节参数，在非正常工况下以最不利点的风门开度微调主调节参数作为优选调节项，结合总风量法与变定静压法的各自优势解决了设定值与设定值变化两大难题。

但是，由于受到DDC的计算容量制约,变静压法尚无法应用于大系统。

3.2.2送风温度控制

针对混合新风而言,通过变频器调节送风机实现对风量的随动控制,通过冷水阀的温度调节实现对温度的定值控制,在形式上温度控制与风量控制构成比值控制系统。

在本质上，风量控制的最终对象也是温度，因此这是典型的串级调节系统。

内环系统通过系统风量控制构成对供冷量的细调，外环系统通过送风温度调节构成对供冷量的粗调。

（1）送风温度调节。

针对相同的冷负荷，较低的送风温度可减少系统量较高的送风温度需要较大的系统风量，建议在负载系数较高时调低送风温度来降低风机能耗，在负载系数较低时调高送风温度以便维持必要的系统风量。

送风温度按照系统送风温度设定值来调节，由于各个末端装置所需要的最佳送风温度常常相互矛盾，按照末端装置的最低设定温度最高设定温度、各种设定温度平均值来确定送风温度设定值都不合理，因此通常依据节能规范要求预设系统启动设定温度，也可以采用投票法设定该值。

根据各个末端装置的许可送风温度范围，加入各个末端装置占系统风量的权重，根据不同温度范围的得票率确定整个系统的最大许可送风温度范围，结合系统的负载率，根据许可送风温度范围的上限或下限来确定系统所需的最佳送风温度。

（2）送风温度设定值的动态调节。

由于混合新风可以同时影响室内新风与温度两个被控数，随着室内环境的变化，在保持送风量的基础上调节送风温度就产生了新问题，具体而言就是保持设定温度的随动性调整。

依据末端装置的设定温度与负荷温度进行调节，依然存在众口难调的问题，由于系统风量调节与送风温度调节构成耦合参数，直接利用风量与冷量作为送风温度调节参数将引起系统失稳而被禁止。

在工程实例中主要有高低负荷和最大负荷法高低负荷法根据变频器的上下限值确定风量调节的控制范围，超过这个范围才进行设定温度值的时间累进调节。

最大负荷法按照末端装置的最大负荷率确定温度设定值的修正值，依据积分时间进行温度调节。

两者所采用的都是时间调节参数，动作相对缓慢，如何选择设定值调节机制还需要作进一步研究。

3.2.3新风量控制

在变风量系统中，送风量根据室内温度而随动调节，随着温度趋近于设定值而不断降低送风量，在小风量工况下如何保障新风供应就成了变临的主要问题。

建议采用选择控制系统，在正常工况下根据总风量与最大固定新风比来调节新风阀开度，保持排风阀与混风阀的比例随动，以最不利点的空气质量低于最小新风量作为非正常工况的判断依据，根据偏差值针对新风阀实施PID调节,同时保持排风阀与混风阀的比例随动性。

4某办公室空调自控系统设计实例

4.1监控原理图

某办公楼全空气空调机组监控原理图（见附录二）

4.2控制策略

（1）风量的控制策略：

采用总风量控制方法。

特点：

1）总风量控制法可以避免压力控制环节，能很好的降低控制系统调试难度，提高控制系统稳定性和可靠性。

2）节能效果介于变静压控制和定静压控制之间，并更接近于变静压控制，亦可避免大量风阀关小引起的噪声。

（2）送风温度控制策略：

采用送风温度调节。

根据各个末端装置的许可送风温度范围，加入各个末端装置占系统风量的权重，根据不同温度范围的得票率确定整个系统的最大许可送风温度范围，结合系统的负载率，根据许可送风温度范围的上限或下限来确定系统所需的最佳送风温度。

（3）新风量控制策略：

在变风量系统中，送风量根据室内温度而随动调节。

新风管道上安装风速传感器，调节新风和排风阀,使新风量在任何。

情况下都不低于要求值。

（4）回风机的控制策略：

同时测量总送风量和总回风量，调整回风机转速使总风量略低于总送风量，即可维持各房间稍有正压。

5.设备选型

5.1传感器的选择

（1）风管道温度传感器

用途：

该类传感器适用于对温湿度或仅对湿度的监测

安装位置：

风管道温度传感器安装在吊式风柜送风处、风道壁上，在气体或流体充分混合的地方，测量空调与通风系统的送风温度（℃）

图6-1所示为其外形图

图6-1

（2）室内温度传感器

用途：

该类传感器适用于室内空调环境下对温湿度或仅对温度、湿度的监测。

图6-2所示为其外形图。

安装位置：

该传感器安装在实训台网孔板上，在气体或流体充分混合的地方，测量回风温度=空调房间温度

图6-2

（3）水管道温度传感器

该类传感器适用于采暖、通风与空气调节系统水路内温度的测量，自带套管。

图6-3所示为其外形图。

安装位置：

该传感器安装在冷冻和冷却水系统管道处，分别测量冷却水、冷冻水供水、回水温度（℃），

图6-3

（4）湿度传感器

  在空调制冷自控系统中所用到的湿度传感器都是相对湿度传感器。

采用多孔材料的湿敏元件由于吸湿快而脱湿慢，故选择湿度传感器位置时，尽量将传感器置于气流速度较大的地方。

如测量室内相对湿度时，一般将湿度传感器安装在回风道内；测量室外空气相对湿度时，一般将湿度传感器安装在新风道内。

按安装位置可分为风管型、室外型及室内型。

（5）压差开关（数字信号输入DI）

风管压差开关通常用来检测空调过滤器堵塞、空调机风机运行状态等。

风管压差开关安装时，应注意压力的高低。

过滤器前端接高压侧，过滤器后端接低压侧。

空调风机出口接高压侧，空调风机进风口接低压侧。

水管压差开关宜安装在管道的直管部分，应有缓冲弯管和截至阀，最好加旁通阀。

（6）压力传感器（模拟信号输入AI）

  压力传感器与压差开关的区别仅在导压管。

压力传感器只有一支导压管，弹性元件的位移直接反映了该点压力，而压差传感器有两支导压管，分别接在两个不同的地点，弹性元件的位移反映了两点之间的压力差。

压力传感器在建筑层面上的同一个水系统中安装有多个时，应尽量使它们处在同一标高上，降低静水压力的影响。

 安装要求：

在系统中安装压力传感器时，还要注意测压点的选择。

一般来说，测压点要选择在被测介质作直线流动的直管段上，避免安装在弯头、三通、变径、管路附件等可能产生涡流的地方。

如果被测介质是液体，测压点应在管路的下方；被测介质是气体，测压点应在管路上方。

无论介质如何，压力传感器的导压管都应与被测介质的流动方向垂直。

 风管压力传感器应安装在直管段部分，且应在保温层完成以后再安装。

水管型压力传感器应安装在直管段部分，加缓冲弯管和截至阀。

（7）水流开关

 水流开关用来检测水管中水流状态，安装时应注意：

水流开关应安装在水平管段上，垂直安装。

不应安装在垂直管段上。

水流开关的水流叶片长度应大于管径的1/2。

（8）防霜冻开关

  防霜冻开关主要用来保护空调盘管防止意外冻坏。

安装时注意：

防霜冻开关的感温铜管应由附件固定在空调箱内，空调机盘管前部，不可折弯、压扁。

5.2执行器选择

执行器接受现场控制器的控制信号，改变控制风量，使建筑设备按预定的工艺要求运行。

执行器由执行机构与调节机构组成。

执行机构按照现场控制器的控制信号产生推动力或位移，调节机构则在执行机构的动作下去改变控制变量。

在建筑设备监控系统中的调节机构多为风阀、水阀和蒸气阀等。

（1）调节阀选择：

由于常规调节器的控制规律是线性的，调节器参数整定后希望能适应一定的工作范围，不需要经常调整。

这就要求广义过程是线性的，即在遇到负荷、阀前压力变化或设定值变动时，广义过程特性基本保持不变。

从自动控制系统角度看，调节阀工作特性的选取原则是使整个广义过程具有线性特性。

即在广义过程中，除调节阀外其余部分为线性时，调节阀也应该是线性的；当广义过程中除调节阀外其部分具有非线性特性时，调节阀应该能够克服它的非线性影响而使广义过程接近为线性。

可以采用等百分比特性的调节阀，以实现线性的广义过程。

（2）风法调节器的选择：

风量调节阀一般用在空调，通风系统管道中，用来调节支管的风量，也可用于新风与回风的混合调节。

在等压降和无外部阻力部件（过滤器、盘管等）条件下，风阀叶片开度和通过风阀风量之间的关系（风量调节阀的流量特性指流过风阀的相对流量与风阀转角的关系。

）。

多叶对开阀型风阀的特性类似等百分比特性；多叶平行型风阀的特性近似线性特性。

两者之间在风量上有很大的差别，在工程应用时，要根据使用条件选择合适的风阀。

结合本工程选择对开多叶风阀。

5.3控制器选择

（1）直接数字控制器（DDC）

DDC系统是用一台计算机取代模拟控制器，对生产过程中多种被控参数进行巡回检测，并按预先选用的控制规律（PID、前馈等），通过输出通道，直接作用在执行器上，以实现对生产过程的闭环控制。

它作为一个独立的数字控制器，安装在被控生产过程设备的附近，能够完成对不同规模的生产过程的现场控制。

（2）组成

直接数字控制器是一种多回路的数字控制器，它以计算机微处理器为核心，加上过程输入、输出通道组成。

（3）DDC系统具有如下的特点

计算机运算速度快，能分时处理多个生产过程（被控参数），代替几十台模拟控制器，实现多个单回路的PID控制。

计算机运算能力强，可以实现各种比较复杂的控制规律，如串级、前馈、选择性、解耦控制以及大滞后补偿控制等。

6.结论

针对某办公楼空调系统设计这一课题，我从工程的实用性、可行性进行分析，最终采用了全空气空调处理系统。

全空气空调系统设备集中,运行和管理都比较容易，施工方便，初投资小，系统简单。

在过度季节能全新风运行。

经过了近一周的毕业设计,使我对本专业有了更深层次的理解,学习到了如何理论联系实际以更好地掌握所学知识,领会到了建筑设备自动化专业的重要性。

并养成了严谨、自立的学习态度。

这对即将投入工作的我有很大的帮助。

通过这次设计,使我有了更大的信心面对将来的工作与学习,我不会辜负老师们对我的栽培,会以饱满的热情投入到社会主义现代化建设中去！

致谢

经过一个星期的辛苦和努力，我的课程设计课题终于完成了，看着设计说明书中的每个字，每个数据，每幅插图，感触颇多。

仔细想想，从开始做设计时到完成的这一刻，我的老师和同组成员给了我很大的帮助。

很多在设计中遇到的问题都是在他们的帮助下解决的，很多错误也是他们发现并帮助我修改。

周围老师、同学的帮助和关怀，也令我受益匪浅。

可以说没有他们的帮助，我就不可能取得这样的成果。

在此，我特别感谢王干一老师在设计过程中给我的帮助和指导，此外，对那些在学习、工作、生活上给予过我帮助和支持的其他老师和同学，我也要在此向他们表示衷心的谢意！

参考文献

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机械工业出版社.2005.1

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中国建筑工业出版社.1987.12

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机械工业出版社

[4]何耀东.暖通空调制图与设计施工规范应用手册.北京：

中国建筑工业出版社

[5]陆亚俊.暖通空调.北京：

中国建筑工业出版社

[6]何耀东，何青.《中央空调》冶金工业出版社1998.4

[7]赵荣义.简明空气调节设计手册.北京：

中国建筑工业出版社.1988.12

[8]采暖通风与空气调节制图标准（GBJ114-88）

附录

附录一

某办公大厦标准层空调平面图