第2章智能建筑的空调系统

第2章智能建筑的空调系统2.1空气处理系统的监控原理2.1.1空气处理系统的基本概念空调通风设备是建筑物设备中控制规律最复杂，监控点数最多，也是节能效果最明显的部分。空调通风设备包括空调设备和送，排风设备，其中空调系统根据构成方式和空气调节原理不同又分为新风机加风机盘管系统、定风量控制系统、变风量控制系统以及冷吊顶系统等几种，相应的设备包括新风机组、风机盘管设备、空气处理机组、定/变风量末端及冷吊顶等。2.1.2新风系统新风机组是用来集中处理室外新风的空气处理装置，它对室外进入的新风进行过滤及温、湿度控制后送入空调区域。新风机的监控原理如图2-1所示(图中M代表阀门驱动器的电机。根据选型不同，这些驱动器可能是交流或直流电机驱动的)。新风机组的风门驱动器一般为开关量调节的，通过风门开关调节控制新风通道开闭。室外新风进人新风机组后由滤网进行过滤。为监视滤网的畅通情况，在滤网两端装设压差开关，当滤网使用日久发生阻塞时，两端的压差增大，压差达到一定值时压差开关动作发出报警，提醒工作人员进行清洗。换热盘管对经过滤的新风进行热交换处理，通过水阀开度控制可以调节热交换量，从而控制热交换后新风的温度。工程中一般根据送风温度与设定温度的差值对水阀开度进行PID(比例、积分、微分)控制。图2-1所示的新风机组为两管制盘管系统。有些两管制盘管系统为单一冷水系统，这种盘管系统只用于制冷，盘管内不流过热水；而另一种两管制盘管系统为冷、热水双用系统，它在夏季流过冷冻水进行供冷，冬季流过热水进行供热。有些新风机组采用四管制盘管系统。四管制盘管系统由两个单一两管制盘管系统组成，一个用于夏季制冷，另一个用于冬季制热。图2-1新风机组监控原理图风机是新风机组的动力设备，对风机的监控内容包括：(1)风机启、停控制及状态监视。(2)风机故障报警监视。(3)风机的手动、自动控制状态监视等。此外，在新风机组的出风口设置温度传感器以监视新风机组的送风温度。图2-1所示为只作温度控制的新风机组控制原理，如还需要进行湿度控制，则要增加相应的加湿设备和湿度传感器。加湿设备一般安装在换热盘管之后，以免冬季加湿设备结冻。湿度传感器一般与温度传感器一样安装在新风机组的出风口。利用新风机组可以构成全新风系统或新风机加风机盘管系统等形式的空调系统。2.1.3风机盘管新风机组是对室外新风进行集中处理后送入各空调区域的设备，而风机盘管则直接安装在各空调区域内，对空调区域内空气进行循环处理(一般没有新风，完全处理回风)的空调设备。图2-2所示为风机盘管监控原理图(图中M代表相应驱动器的电机。根据选型不同，这些驱动器可能是交流或直流电机驱动的)。图2-2风机盘管监控原理图由于风机盘管是分散对回风进行处理的，因此设备功率小监控内容比对新风进行集中处理的新风机组简单得多。回风由小功率风机吸入风机盘管，经盘管热交换后送回室内。风机盘管的风机功率较小控制较为简单，仅包括转速控制，且一般为有级调节，分为高、中、低速三档。另外，由于处理的是室内回风，风机盘管无需滤网设备。温度采样直接取室内实际温度，温度传感器通常安装在控制面板内。风机盘管也分两管制和四管制，控制原理较新风机组简单，一般仅根据室内温度、设定温度之间的差值对回水阀进行开关控制，而无需进行PID调解。风机盘管同样也可以增加湿度检测与控制设备对室内湿度进行控制，控制原理与新风机组相同。由于风机盘管的控制方式较为简单，目前多数场合为节省投资采用独立简易控制器，由用户就地手动操控。2.1.4空调机组的监控如图2-3所示，建筑设备自动化系统的监控对象是全空气空调系统，新、回风按一定比例进行混合，在空调机组内进行各项参数处理后，直接将处理好的空气送至需要进行空调的房间内使用。从控制调节的角度看，与新风机组相比有如下3点不同：控制调节对象是房间内的温、湿度；要求房间的温、湿度全年均处于舒适区范围内，同时还要研究系统节能的控制方法；有回风回到空调机组（不同于新风机组系统），新、回风比还可以变化，因此在过渡季节应尽量利用回风，以减少运行费用，降低运行成本。本节以图2-3为例，进行空调机组的建筑设备自动化系统监控原理分析。该系统的监测管理、连锁、防冻保护等与前面讨论的新风机组类似，本节对监控原理仅作一简单概述，而对不同之处将做详细分析。图2-3空调机组监控原理图1．监控原理概述由新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、换热盘管、送风机、回风机、加湿器组空调机组主要成。控制系统中的现场设备由现场控制器、新风温度传感器、新风湿度传感器、回风温度传感器、回风湿度传感器、送风温度传感器、送风湿度传感器、防冻开关、压差开关、电动调节阀、风阀执行器组成，此外还有装设在室内的温、湿度传感器和空气品质传感器。控制原理如下：①电动风阀与送风机、回风机连锁控制，当送风机、回风机关闭时，电动风阀（新风、回风、两侧压差超过设定值时，压差开关送出过滤器堵塞信号并报警。。当防冻开关温度比较，经PID计算后，输，经PID计算后，输障状态，由现场控制器内置程序控制风机回风机的启停顺序为：启动时先开送风机，延时后开回风机；停止运行时先关回新、回风的比例。在空调机组中，为了调节新回风比，对新风、排风内温湿度的控制方法组只需对送风温度进行控制，它控制的是相应空调区域的温湿度环境排风风阀）关闭。新风阀和排风阀动作同步，与回风阀动作相反。根据新风、回风及送风焓值的比较，调节新风阀和回风阀开度。当风机启动时，新风阀打开；风机关闭时，新风阀同时关闭。②当过滤网③当冬季温度太低时，防冻开关送出信号，风机和新风阀关闭，防止盘管冻裂正常时，应重新启动风机，打开新风阀，恢复正常工作。④送风温度传感器检测到送风温度实际值，与控制器设定的出相应的模拟信号，控制水阀的开度，使实测温度达到设定温度。⑤送风湿度传感器检测到送风湿度实际值，与控制器设定的湿度比较出相应的模拟信号，控制加湿阀的开度，使实测湿度达到设定湿度。如果加湿设备使用加湿器，则控制变为数字信号，控制加湿器的启停。⑥风机的监测状态为手／自动状态，运行状态和故启／停。⑦送风机、风机，延时后关送风机。2．新、回风比的控制模式新、回风比即混合空气中、回风3个风门都要进行单独的连续调节。根据质量守恒定理，通过新风门的空气流量与通过排风门的空气流量相等，因此控制时新风门开度与回风门开度之和保持为100％，排风阀与回风阀的开度之和也为100％。增大新风比例可以提高室内空气的品质和舒适度，而提高回风比例可以起到节能效果，因此在控制新、回风比例时需要兼顾舒适度与节能两个因素进行综合考虑。同时，需要设定最小新风门开度，最小新风门开度一般为10％～15％左右。3．室空调机组不同于新风机，空调机组控制的目标为为回风温度或室内温度，为提高控制精度和响应速度，空调机组的盘管水阀通常采用如图2-4所示的双闭环串级PID模型进行控制。如图2-4所示，首先根据设定温度与回风温度的差值通过PID算法确定理想的送风温度，然后再由理想送风温度与实际送风温度的差值确定盘管水阀开度。这种双PID的串级控制方法在控制精度与响应速度上都要优于由设定温度与回风温度的差值直接确定盘管水阀开度的单PID闭环控制。图2-4空调机组盘管水阀控制方式于室内湿度的控制也采用“串级PID调节”，方法类似。4．室内空气状态的确定方法大范围内浮动。例湿度在40％～65％之间，风速不大于0．3m／s，均满足舒适性变风量系统（VAV，VariableairvolumeSystem）的基本思想是当室内空调负荷改变值变化时，自动调节空调系统送入房间的送风量，使通过空气送入房的负荷与房间的实际负荷相匹配，以满足室内人员的舒适要求或工艺生产的要求。同时送风量用户间可以按实际需要调配冷量，考虑各房设备对对于舒适性建筑，并非要求室内空气状态恒定于一点，而是允许在较如，温度为24℃～28℃，相对要求。这样，当室外状态偏低时，室内相应靠近此域的下限；室外状态偏高时，室内则靠近此域的上限。当室外处于此域附近时，则尽可能多用新风，使室内状态随外界空气状态变化。这样既可最大限度地节能，又可提高室内空气品质和舒适程度。这样，可以在每个时刻根据新、回风状态及室内状态确定最适宜的送风状态，既保证房间空气状态处于舒适区，又使空气处理能耗最小。当房间允许的舒适域范围较大时，与固定的室内设定状态相比，这样做节能效果十分显著。2.2变风量空调系统以及室内空气参数设定间的自动调节可以最大限度地减少风机的动力，节约运行能耗。送风量与空调负荷呈正比例的线性关系，空调系统所需风量随负荷的减少而减少。而在空调系统运行的绝大部分时间内，空调系统总处于部分负荷状态，达到设计负荷的运行状态的时间很少，一般不超过总运行时间的5％。所以与定风量空调系统相比，VAV系统在降低运行能耗方面具有很大的优势。除了节能的优势外，VAV系统还有如下特点：①实现局部区域（房间）的灵活控制，可根据负荷的变化或个人的舒适度要求调节个性化的工作环境，能适应多种室内舒适性要求。②由于能自动调节送入各房间的冷量，系统内各间的同时使用系数和负荷的时间分布，系统冷源的总冷量配置可以减少20％～30％左右，投资相应有较大的消减。③室内无过冷过热现象，由此系统运行时可减少空调负荷15％～30％左右。VAV系统20世纪60年代诞生在美国，其后到来的席卷西方的石油危机促进了VAV系统的广泛应用，并在其后的岁月中不断发展，已成为美国空调系统的主流。在我国也得到了应1．系统有以下几种常用型式。图2-5所示，在每个房间入口处支管上安装称为VAVbox的送风量调节装置。空调器根据统用户实际运行所需的总风量对风机进行变速调节。该方式系统设计简单，应用范围最广。变速的方式一般采用变频调节。当室内负荷降低到一定程度时，过低的送风量会使室内的气组织变差，室内温度场、速度场的不均匀度增加。因此，送风量不宜再减少。对VAV系统过冷或过热状态，充分保证室内舒适度。如图2-7所示，该系统可保持室内静压不变。对于一定的室内静压，送回风量之差应为某个用。VAV系统的型式与构成（1）VAV系统的型式VAV①单风管VAV空调系统图2-5单风管VAV空调系统如系流应有最小风量的限制，此限制值一般设定为总风量的60％。当空调负荷低于最小风量对应的负荷时，室内温度的调节不采用调节风量而采用调节送风温度的方法。单风管VAV系统此时要适应各房间的温度调节是有困难的。为克服这一缺点，产生了单风管再加热VAV空调系统。②单风管再加热VAV空调系统如图2-6所示，该方式能在系统达到最小风量时，通过再热盘管的调节，保证室内的温度不出现图2-6单风管再加热VAV空调系统③单风管送回风机连动VAV空调系统恒定值此。同房间的送风管上的VAVbox与回风管上的VAVbox联动调节可以保持送回风量之差不变。这要求在送风机调节的同时，回风机也随之调节。这种系统在有洁净要求的工业生产车间以及要求较高的办公场所可以使用。2-8单风管旁通式VAV空调系统有VAV空调系统的运行靠称为VAV末端装置的设备来根据室内要求进行送风量控制。同时向系统控制器析计算后发出控制控制板、风如采用超图2-9所示的末端装置称为压力无关型末端风口（Pressureindependent）。即末端入口压力变化时，通过末端的风量出实际的空气流量，风量调制风阀开度，而不设风量传感器和控制器。末端对于压力的变化影响要等到风量图2-7单风管送回风机连动VAV空调系统④单风管旁通式VAV空调系统如图2-8所示，当室内负荷变化时，送入室内的风量减少，多余的风量通过旁通口进入吊顶，与室内回风一起回到空调器，实际上系统的总风量并未改变，因此节能效果有限，严格意义上来说不算VAV系统。但这种形式可以满足各房间热舒适性及工业生产的恒温要求且系统简单，成本低廉。图以上介绍的都是单风管VAV系统，除此之外还有双风管VAV系统等其他形式。单风管VAV系统结构较为简洁，造价较为低廉，使用最为广泛。需了解双风管VAV系统的读者可参考关文献。（2）VAV末端装置（SC，SystqmController）传送自己的工作状态，经SC分风机