变风量空调系统在智能建筑中的应用

 

【摘要】

随着社会对节能降耗要求的提高,业主对楼宇自控系统(BAS)的监控内容合理性和节能效果越来越重视。根据建筑功能需要,适当选择应用变风量空调系统能够大大降低能源的消耗。

 

本文结合多年来我在楼宇自控系统现场调试、投标项目楼宇自控方案设计和中标项目楼宇自控系统深化设计等工作中的实际经验,重点对变风量系统的组成和应用进行介绍。

 

【关键词】
楼宇自控  节能  变风量系统  VAV控制器  Native BACnet

 

【正文】

一、引言

一般楼宇自控系统主要监控对象是建筑内的风、水、电等相关的机电设备,由这些设备组成的系统称为HVAC(暖通空调)系统。建筑内的机电设备长期连续运行不但将消耗大量的能源,大大增加了物业管理的运行成本,而且将加大设备的自身损耗,降低设备的正常使用寿命。楼宇自控系统的合理配置和正常应用将能够解决以上问题,既能降低能源消耗、延长设备使用寿命,又能为建筑物使用人员提供良好的环境。变风量空调系统的成功应用,将能够更好地保证工作生活环境舒适度和达到节能降耗的目的,能够更好地体现出楼宇自控系统的优势。

 

二、变风量空调系统介绍
变风量空调系统在系统分类上属于全空气系统,当空调室内负荷变化时,通过改变送风量的方法来维持恒定的室内温度的一种空调方式。变风量空调系统一般包括变频空调机组、VAV末端以及测量室内温度、风道静压力等传感器,根据测得的风道静压力通过DDC调节变频空调机组的变频器输出频率、根据室内温度调整VAV末端风阀的开度,经过这两个调节过程改变区域送风量,进而达到调节室内温度的目的。这两个调节过程中VAV末端的风阀调节方式和调节能力直接影响变风量系统运行效果的好坏,对空调机组的变频调节则直接影响变风量系统节能效率的高低,二者相辅相成,任何一个过程出现问题都将影响整个变风量系统的设计功能。


 1、 变频空调机组
在变风量空调系统中,通常根据静压传感器的测定值来调节风机控制频率,变频器通过调节风机转速来改变送风量进而恒定静压控制点的静压值,以满足下游风道、末端装置及送风口的压力要求。恒定静压的目的是为了保证任何一个末端的设计最低压力,为了达到这个目的就要将静压传感器放在系统最不利的末端入口。由于存在风道阻力损失,静压传感器越靠近管路末端,静压设定值就越小,就越能节约风机功耗。由于VAV系统的动态特性,实际上不容易定义最不利的末端,在条件变化时任何一个末端都可能成为最不利端。在系统实施中,一般把静压传感器安装在送风机与最远末端距离的2/3风道处。在风机正常运转时的送风量应为系统总风量的50%~75%,这样既能保证系统的节能又能防止噪声对环境的影响。为保证系统风量满足功能要求,而且不会造成能量浪费,变风量空调系统的最大送风量一般取各房间最大送风量的70%~80%,最小送风量一般取系统最大送风量的40%~50%。监控内容

    • 变频空调机组运行状态、手自动状态、故障报警、风压状态
    • 变频器工作状态、频率反馈
    • 过滤网阻塞报警
    • 防冻报警
    • 送风温度、湿度
    • 回风温度、湿度
    • 风道静压力
    • 二氧化碳浓度
    • 变频空调机组启停控制
    • 加湿器开关控制
    • 变频器频率调节
    • 水阀开度调节
    • 新风阀、回风阀、排风阀开度调节

控制原理图


2、 变风量末端
VAV末端的种类很多,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(Pressure Dependent)和压力无关型(Pressure Independent)。从控制角度看,前者由温控器直接控制风阀;后者除了温控器外,还有一个风量传感器和一个风量控制器,温控器为主控器,风量控制器为副控器,构成串级控制环路,温控器根据温度偏差设定风量控制器风同归于尽控制器根据风量偏差调节末端装置内风阀。当末端入口压力变化时,通过末端的风量会发生变化,压力无关型末端可以较快地补偿这种压力变化维持原有的风量;而压力有关型末端则要等到风量变化改变了室内温度才动作,在时间上要滞后一些。价格上,压力无关型要比压力有关型高一些。

 

按照有无末端混风机来分,还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时或低温送风系统中保证室内一定的气流流动。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、气动等。电动的VAV末端还有模拟的和直接数字控制两种。
 

  • 一般VAV末端监控内容
  • 室内温度
  • 风速检测
  • 调节风阀开度


 控制原理图

 

3、 变风量空调系统控制方式
变风量空调系统的控制方式主要有定静压控制方式、变静压控制方式和总风量控制方式,定静压控制相对简单,但是为了保证风道中的压力会造成风机的能耗偏高,另外当VAV末端风阀开度较小时会使得噪声问题比较突出;变静压控制能够降低风机能耗,但是控制比较复杂调试难度大,为了实现良好的系统功能可能需要专业技术人员进行多次换季调试;总风量控制方式是根据系统各末端风量之和与系统当前总风量相匹配的原理设计而成的,多用于对风机动力型的VAV末端的控制。下面对典型变风量空调系统的联动控制方式做简要介绍:

 

根据时间表自动控制或通过鼠标强制控制空调机组的启停,联动调节新风阀和回风阀的开度,并根据室外温湿度和室内温湿度调整新风阀和回风阀的开度值;在机组运行时根据送风温度、回风温度及室外温度与回风温度设定值通过PID调节送风温度 设定值,并再次通过PID调节水阀开度,保证回风温度无限接近设定回风温度值并趋于稳态;在机组运行时根据回风二氧化碳浓度调整排风阀开度,并联锁启停区域排风机,保证室内的空气质量;监测防冻报警,当冬季防冻报警发生时联锁停风机、关闭新风阀、打开水阀等动作冬季根据回风湿度控制加湿器的开关,夏季加湿器处于关闭状态;监测风道最不利端静压值,根据风道静压值和设定静压值对风机的频率进行PID调节,改变 风机的转速,使风道静压值处于恒定范围内。当末端风口关小时,风道静压增大,自动降低送风机频率输出,降低电能的消耗;当末端风口开大时,静压减小,自动增加送风机频率输出,保证最远端风口的风量;室内温度通过末端装置设在房间的温控器进行设定,温控器本身自带温度检测装置,当房间 的空调负荷发生变化实际值偏离设定值时,VAVbox根据偏离程度通过VAV控制器进行逻辑计算,确定送入房间的风量。通过VAVbox的风速检测装置计算送入房间的实际风量,如果实际送风量与系统计算的送风量有偏差,则VAVbox自动调整风阀开度以调整送风量。例如夏季,当室内温度高于设定值时,VAVbox将增大风阀开度提高送风量,此时主送风道的静压值将下降,通过静压传感器把实测值输入到变频空调机组的DDC控制器,控制器将实测值与设定值进行比较后,增加变频风机的控制频率提高风机转速加大送风量,以保持主送风道的静压恒定。冬季和夏季的变风量空调系统的调节方式相同,但调节过程相反。

 

三、变风量空调系统的优势

变风量系统与一般空调系统相比有以下优点:

Ⅰ、能实现局部区域的灵活控制,可以根据负荷的变化或个人的要求自行设置环境温度;

Ⅱ、可以节约空调系统的总装机容量10%~30%左右;

Ⅲ、室内不会出现过热或过冷现象,可以减少空调负荷15%~30%;

Ⅳ、部分负荷运行时在保证系统所需风量的情况下可以减少送风动力,降低送风机组运行能耗。

随着VAV系统在工程中应用的越来越广泛,已经得到了业主和建筑使用方的认可,VAV系统与目前仍有较大市场的风机盘管系统相比较的各种优势也越来越明显。下面针对VAV系统与风机盘管系统从节能性、舒适性、噪音、灵活性、综合投资等方面做一个简单的比较:


 

1、节能性:

VAV系统通过改变房间送风量,来补偿房间负荷变化,因而避免因再加热所造成的冷热抵消,节省了能耗。另外VAV系统的风量处于变化之中,通过合理设定的送风机组控制方式也可以实现节约风机能耗的目的。风机盘管系统通常利用高、中、低三速开关及水路电动阀对风机盘管进行控制以期到达调节室内空气温度的目的,没有良好的节能措施,不能实现个性化调节控制。

2、舒适性:

VAV系统能够根据需要对不同区域进行个性化调节控制,保证环境的舒适性。VAVBox有多种送风方式,即使在小风量下运行时,仍能保持良好的风速与温度的综合效果。非联网型风机盘管系统通过三速开关很难实现满足环境舒适性要求的控制需求,联网型风机盘管在环境舒适性控制方面比非联网型风机盘管有一定的改进。对于不是通过新风机组提供风量的风机盘管系统,冬季不能调节服务区域的湿度,将影响区域环境的舒适度。

3、噪音:

VAV系统末端由于有良好的隔音设计,即使带风机的VAV末端也不会产生影响环境的噪音。风机盘管系统末端的噪声取决于风机质量的好坏及送风口大小的合理,一般情况下风机盘管产生的噪音叫VAV系统末端要大很多。

4、灵活性:

VAV系统的灵活性很高,易于改、扩建,特别适于用途多变的建筑物。风机盘管系统的风口位置移动时除风道、电气线路的影响外,还牵扯到水路的实施。

5、综合投资:

风机盘管系统要考虑噪声问题,所以每台风机盘管的送风量不可能太大,一般风机盘管适合于进深小于6米的房间,VAV末端的服务区域则明显大得多,设备数量可以有所减少。VAV系统是全风量系统,主要考虑风道设置即可,而风机盘管系统在考虑风系统的同时要考虑水路的设置、安装问题,两者的施工难度不言而喻有很大差别。另外,为了保证风机盘管系统的换热效率和送风量,对风机盘管的电动水阀、全自然风的风机盘管过滤网都要定期进行检修、清洗,而VAV系统则完全不用考虑这两方面的问题,保证这两种系统运行的设备维护费用、人工费用也将有很大差别。据资料统计VAV系统比风机盘管系统的设备减少约15%~20%,设备安装施工难度降低了约30%~35%,运行维护费用较风机盘管系统至少节约30%。

VAV系统有很好的发展趋势,国外高档写字楼一般都是把VAV空调系统作为常规的必备系统而拒绝采用FC(风机盘管)+新风系统,“让FC(风机盘管)重新回到宾馆里去”正是这种情况的最好结论。国内高档写字楼的发展趋势也必将是VAV系统,因为VAV系统在技术经济两个方面都具有风机盘管系统不可比拟的优越性。

 

四、典型VAV控制器及温控器介绍
VAV系统的控制系统和控制器有很多种,各种产品在各个应用领域内都有很多成功实例。本文主要介绍在行业内具有较大影响的加拿大Delta控制公司的VAV应用控制器。

 

Delta控制公司的VAV应用控制器有很多种型号,可以根据不同的应用目的选择最适合的产品,在过去的工程中比较常用的是DVC-322和DVC-304这两种VAV控制器。DVC-322和DVC-304都是完全可编程的、Native BACnet特定应用控制器,遵循BACnet MS/TP协议通过RS-485网络与系统级控制器进行通讯。他们特别为VAV系统的应用而设计,支持Delta BACstats网络温控器和Delta LINKnet远程I/O设备。控制器内置风门执行机构和空气流量传感器,可选反馈装置,附加输入和输出可根据需要组态。基于该控制器的可编程能力,可以建立、修改GCL+程序和BACnet对象以适应任何VAV系统的应用需要。DVC-322和DVC-304都采用32位处理器,具有1MB(最大8MB)flash存储器和127KB用于存储数据库的SRAM存储器,CPU工作状态和扫描状态有LED指示。


 

现在Delta控制公司一直致力于新产品的研发,下面主要对最新的具有很高性价比的DZNT系列VAV区域控制器及其相关设备进行简单介绍。

 

DZNT是固化程序的Native BACnet VAV区域控制器,可独立工作于BACnet MS/TP网络,适用于基本VAV末端、带有风机动力的三段数字再热VAV末端、浮点控制第二段再热VAV末端及模拟控制第二段再热VAV末端的控制。DZNT系列VAV区域控制器包括远程末端和室内温控器两部分,远程末端由风阀执行机构(力矩为4.97Nm)、空气流量传感器、风机和再加热控制输出装置一体化组成;室内温控器DZNT-T0-VAV利用标准的CAT3或CAT5、CAT5e、CAT6网线通过RJ45接头与DZNT直接连接,温控器带有液晶显示屏、4个用于控制VAV末端开关和设定温度的按键,并可以通过4个按键的组合设置多种VAV/VVT算法。

 

 


DZNT采用内置A/D转换的32位处理器,带有Flash存储器和RAM存储器,通讯速率默认为76800bps,还支持9600、19200和38400bps通讯。

 

DZNT VAV控制器有三种基本型号:DZNT-V104D(三段加热控制)、DZNT-V104T(浮点控制第二段再热)、DZNT-V112A(模拟控制第二段再热)。

 

DZNT系列VAV区域控制器之所以具有极高的性价比,除了其本身的功能先进性和价格的竞争性外,与其相关的功能扩展附件的应用也有很大关系。这些配件包括网络中继器DZNR-768、网络终端ADP45-MSTP-EOL、MS/TP终端适配器ADP45-MSTP-TB-Y、网络分支器ADP45-MSTP-Y。

网络中继器DZNR-768是连接系统级控制器(DSC、DSM)和DZNT VAV区域控制器的重要桥梁和纽带,能够把一个单独的网络划分为4段,具有4个端口。第一个端口通过屏蔽双绞线与系统级控制器相连,第二、三、四端口利用两端为RJ-45接头的直通CAT5非屏蔽线缆与DZNT VAV控制器相连,第二端口还可以利用屏蔽双绞线把DAC等应用控制器直接连接到DZNR-768上,作为Delta的普通放大器使用。DZNR-768三条CAT5 MS/TP网络中每条线最多可以接50个DZNT控制器,每条CAT5 MS/TP网络上的所有设备连线距离不能大于610米,每个DZNR网络上的控制器数量不能超过99个。

 

当VAV系统中的DZNT控制器数量少于50个并且整个网络通讯距离小于610米时为了节约建筑成本,可以用ADP45-MSTP-TB-Y代替DZNR实现DZNT与DSC、DSM之间的通讯。利用ADP45-MSTP-TB-Y还能把一个标准的两线BACnet MS/TP设备如DAC直接与DZNT控制器连接到CAT5 MS/TP网络上,实现设备的混接应用。

 

网络分支器ADP45-MSTP-Y在CAT5 MS/TP网络上的应用也很重要,当VAV box分布不能满足DZNT区域控制器“手拉手”连接时,可以利用ADP45-MSTP-Y将CAT5 MS/TP网络架构为星型结构,使DZNR网络构成的灵活性大大增强。

 

当DZNT控制器组成的CAT5 MS/TP网络连接完成后,为了保证网络的稳定,必须在每条链路的最后一个DZNT区域控制器的NET OUT口上连接ADP45-MSTP-EOL。

 

DZNT系列VAV区域控制器组成的系统结构如下图:

 

 

DZNT系列VAV区域控制器与其他品牌的VAV控制器相比有很强的竞争力,主要体现在以下几个方面:

 

1、 高集成度
一套VAV区域控制器内置了风门驱动器、压差传感器和带液晶显示的温控器,一个价格包含整套设备,和其他同类产品相比,具备更高的性价比。

 

2、 通用Cat5直通线缆
VAV控制器之间、VAV控制器和温控器之间都用标准的Cat5直通UTP线缆连接,其优点在于:
-降低施工成本
-使用预制线缆,避免线序出错
-降低检修难度

3、 专用网络中继器DZNT-768
网络中继器DZNT-768具备一个级联口和三个用于连接区域网络的CAT5接口。同时具备99个控制器在线指示LED灯、一个通讯故障灯,并且在线指示灯可以显示网络信号强度。DZNT-768其用途在于:
-可以延长网络通讯距离约610米
-简化检修工作,降低施工检测的时间和费用


 

4、 预装VAV控制算法
每一款VAV控制器都具备一整套各类VAV应用的标准程序,可通过ORCA系统软件或温控器调整修改参数设置,其好处在于:
-无需编程,省去的编程时间、降低调试难度
-对VAV控制器进行配置时可通过把网络上其他VAV控制器配置内容的复制到本地来实现


 

5、 设置图形
直观的图形界面可提供对VAV控制程序参数的修改,使系统配置的操作更简单,方便。


 

6、 LCD温控器
通过温控器可方便实现对VAV控制器设定点和工作模式的调整,超大的LCD屏和时尚的外观设计具备竞争优势。


 

7、 可升级固件
设备固件可使用标准的Delta工具进行升级,固件的最新版本的升级功能提高设备的生命力。


 

8、 服务端口
温控器提供的RJ11模式服务口,通过服务口软件可以操作整个网络里的设备,可以无位置限制地对系统进行配置调整。

 

五、Delta系列变风量末端装置
Delta可提供单风道、双风道、串/并联风机动力、带水盘管或电加热等多种类型,风口尺寸自4”~18”全系列变风量末端装置。

 

 

1.  0.8mm厚镀锌钢板完整封装
坚固的结构,减少运输及储存造成的损坏;
精确的尺寸,减少箱内空气外泄。

2. 低泄漏率
进口压力为1Kpa时,空气的外泄小于额定流量的1%,利于节能和舒适运行。

3. 抗腐蚀材料的绝缘层
20mm厚玻璃纤维绝缘层,符合UL 181、NFPA 90A及ARI 880标准。

4. 全系列容量
在空气流量23.5-3062.8m2/h范围内有11种尺寸规格,满足绝大多数设计需求。

5. 灵活的控制配置
根据客户需求,便于气动、电动、DDC及网络控制的安装和调试。

 

五、变风量空调系统节能特性的实现
当房间热湿负荷低于设计值时,保持送风参数不变而通过VAV箱自动减少送入房间的风量来保持室内温度不变。这不仅节约了提高送风温度所需的热量及相应的冷量,而且由于末端风量的减少,从而联动风机变频控制,降低风机转速,降低了风机功率的电耗。与定风量空调系统相比,它减少了再热量及其相应的冷量,这是变风量系统从运行机制上比定风量系统合理的地方。而且,随着各房间送风量的变化,系统总风量也相应变化,这可以节省风机运行能耗。此外,根据变风量空调系统运行的特点,在计算空调系统总负荷时可以适当考虑各房间负荷发生的同时性,还可以适当减少风机装机容量。


 

在变风量系统调试中,要根据建筑的特点采取不同的控制策略。灵活运用控制方式,也可以提高节能效果。例如对于有玻璃幕墙的建筑,可以使阳光直射的区域温度设定值较低,而其它区域温度设定值提高1-2度,通过不同的温度设定点控制不同区域的VAV Box箱体出风量,既能保证各个区域的舒适环境,又能实现建筑节能的目的。

 

六、结论
现代建筑物的节能除了改善建筑环境、提倡绿色建筑和建筑物的自身节能外,最重要的是通过楼宇自控系统保证了节能效果和节能目标的实现。据统计,我国建筑能耗约占全国总能能耗的35%,空调能耗又约占建筑能耗的50%~60%左右。由此可见,暖通空调能耗占总能耗的比例可高达21%。根据建筑物自身特点合理设计增加VAV空调系统,并选用成熟的VAV控制系统和VAV末端控制器,才能在保证建筑内环境的舒适性的基础上,真正做到降低空调系统能耗,实现整个建筑的环保、节能的目的。

 

案例展示

Delta成功为广州市省立中山图书馆提供楼宇自控系统解决方案。

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