智能建筑中应用变风量系统的探讨

　　1 VAV的应用已成为焦点技术问题之一VAV系统（变风量空调）有突出的优点：节能潜力大，控制灵活，可避免冷冻水、冷凝水上顶棚的麻烦等；因此在美国、日本、香港、新加坡等地得到了广泛的应用。然而VAV系统需要精心设计，精心施工，精心调试和精心管理，否则有可能产生：新风不足，气流组织不好，房间负压或正压过大，噪声偏大，系统运行不稳定，节能效果不明显等一系列问题；同样引起了投资者和技术人员的关注。　　有些业主焦虑的询问：“VAV到底是新技术还是老技术？可靠不可靠？”说VAV是一项“新技术”不一定合适：VAV在60年代起源于美国，距今已有三十多年的历史；我国在七十年代即有人研究VAV系统的开发和应用，并在地下厂房、纺织厂、体育馆等建筑中采用过VAV系统。然而，说VAV是经过多年实践检验的“老技术”也不太确切：VAV系统的末端装置和控制系统本身，以及VAV系统的应用环境都发生了很大的变化。有的厂家提出“三代”的说法，不一定确切，但足以说明产品变化之大。
　　在八十年代末期我国出现的首批智能建筑中凡曾采用过VAV系统。但由于建设过程和使用过程中的种种问题，有些工程两三年后使用单位即取消了变风量系统的运行方式，相应的自控设备也拆除了；这使得变风量系统的优点没有发挥出来，变风量系统附加的投资也成了泡影。
　　鉴于VAV系统在我国智能建筑高速发展中的应用情况及其特点，VAV系统的应用已经成为智能建筑建设中焦点技术问题之一，引起了工程界和学术界的重视。作者认为应从分析工程实例出发，总结那些代价昂贵的经验和教训，正确把握VAV技术的发展进程和技术关键，以促进这一重要技术的应用平稳发展[1][2]. 2 VAV问题的特点之一：技术发展很快VAV空调系统的原理并不复杂，关键是需要实现变风量原理的末端送风装置（Terminal Box），特别地有关末端装置以及整个VAV系统的自动控制设备。　　早期的VAV装置是机械式的，全部控制为模拟式，变风量特性依靠节流来实现，管道静压变化的“定风量特性”则由弹簧的补偿作用来完成，此种机械式VAV装置压损大，精度低，没有VAV与空调机的联合控制。此后，则出现了DDC控制并加装了风量检测的VAV末端装置，亦即压力无关型（Pressure-Independent）末端装置；此类装置通常采用室温送风量阀门的串级控制，因而避免了各末端装置进行了调节时的相互影响而且可实现末端装置与空调机的协调控制，以便更舒适和更节能。
　　在最近二十年左右的时间里，不仅VAV末端装置，而且相应的控制系统，甚至变风量空调系统的型式都发生了很大变化，有关的新产品和新技术不断涌现。
　　在VAV的发展和应用中，无论是工程上或学术上，恐怕都有一个不同时期和不同类别产品的“共存”问题。特别是具体问题和具体要求的千差万别，以及种种经济、技术条件比较错综复杂，常常会形成不同产品在不同场合或条件下各自的“合理性”。工程实践的这种“多样性”，再加上VAV技术本身一定程度的复杂性，使得专业技术人员也不容易掌握VAV技术发展的全面状况和发展趋势；对于实际工程应用来说则增加了选择的难度。由于VAV技术的这种快速发展，特别是有关的DDC和网络技术的发展，常常会发现一些生产厂这遥市场人员不自觉地在推销一些过时的产品，甚至专业研究人员也可能没有抓准技术发展的主流。3 管道静压控制方法分析　　在VAV系统中曾经普遍采用，目前也仍在应用，控制管道静压的办法。
　　具体做法是：在第一个空气末端装置的75%到100%处设置静压传感器，通过改变送风机入口的导叶或风机转速的办法来控制系统静压。如果送风干管不只一条，则需设置多个静压传感器，通过比较，用静压要求最低的传感器控制风机[3].风管静压的设定值（主送风管道末端最后一个支管前的静压）一般取250-375Pa之间[4][5].控制管道静压的好处是有利于系统稳定运行并排除各末端装置在调节过程中的相互影响。但很显然，保持系统静压维持在设定值不变，是以消耗风机动力为代价的。控制管道静压的VAV系统与CAV相比是节能的，但它的风机动力消耗仍很可观。4 TRAV VAV系统的一种新形式VAV系统的管道静压控制方法是历史条件下发展起来的。其中管道静压和室内温度曾经是（有的应用甚至依然是）两个独立的控制环节。为了充分发挥先进的DDC和网络技术所提供的可能性，美国作者T.B.Hartman在自己的著作中提出了TRAV的新概念[6]. TRAV（Terminal Regulated Air Volume，末端调节的变风量系统）和VAV一样，也是一种变风量系统，通过调节风量来创造舒适环境。但TRAV不采用VAV中的静压调节，而由末端装置直接控制送风机。TRAV基于末端装置实时的风量需求，采用先进的控制软件，实施对送风机的控制。
　　T.B.Hartman在工程中实践了这种TRAV系统，并获得了突出的节能效果。Honeywell公司宣布自己的产品支持TRAV控制[7][8].日本山武公司则把末端风量控制与室内参数设定值的修正结合起来，作为自己常规的VAV系统控制方法[9].5 TRAV的特点TRAV系统原理图如图2.图中风机出口处的静压传感器是检测用的，仅用于压力上限控制并检测设计计算的正确性。
　　TRAV系统和传统的VAV系统的比较见表1.6 TRAV系统节能显著在传统的VAV系统里，当负荷下降并导致流量减少时，末端风阀关小以节流，管道内静压保持不变。而在TRAV系统中，在相同的情况下，末端风阀保持打开，而管道静压降低。于是在相同的流量下，TRAV系统所要求的风机功率要低得多。
　　从图3可以看出，当流量降为额定流量的50%时，TRAV所要求的风机功率已下降到额定功率的15%以下。7 TRAV要求精确设计TRAV是建筑在“高性能设计”（high-performance designs）和“集成控制”（integrated control）、“动态控制”（dynamic control）等概念的基础上的。
　　所谓“动态控制”，是指有预测的、随时间而变化的控制。就房间的热状态来说，它不要求时时热平衡从而保持房间状态于某一“点”，而是充分考虑各种热因素的相互作用从而保持房间在某一个舒适范围。
　　所谓“集成控制”，是指：设定点的计算和控制决定被安排在控制级以上进行，控制器只是简单地用于保持当前的设定值。在高性能控制中不使用控制器的重新设定（controller resets）和串级控制器。这样做的目的，是可以集中、统一地考虑与HVAC系统有关的各种因素，避免传统方法中各分立模块独立运行可能导致的相互冲突，而且有可能最大限度地利用自由冷源（热源）和建筑物本身的蓄热放热作用。因此，集成控制将使系统更稳定，而且更舒适、更节能。
　　粗放的估算方法很难适应“高性能设计”。高性能设计要求精心地计算和分析各系统冷热负荷和水力状况的动态变化情况，并深入地了解设备产品、DDC控制器以及网络特性，并在此基础上设计和调试高舒适低能耗的系统。参考资料[1]施鉴诺，智能建筑中VAV空调系统的控制和运行，“信息与控制”，1998.2；[2]施鉴诺，智能建筑空调节能任重道远，“智能建筑”No.7，1998.11[3]ASHRAE Application Handbook，1995[4]江善国，美国的空调程控节能系统，暖通空调，1997增刊；[5]孙宁译，关于压力无关型末端装置的讨论，“暖通空调”，1997No6；[6]TBHartman，Direct Digital Controls for HVAC Systems，McGraw-Hill，inc.1993；[7]Honeywell产品资料Excel10变风量控制器；[8]Honeywell，建筑物自动化中的开放系统，1997.11；[9]日本山武公司，VAV空调系统控制技术资料，1998.9.