丁帥，孟慶龍，常賽南

(1. 長安大學 a.環(huán)境科學與工程學院；b.建筑工程學院，西安 710061；2.日照市東港區(qū)鋼鐵配套產業(yè)園服務中心，山東 日照 276800)

變風量(VAV, variable air volume)空調以節(jié)省能耗、智能化[1-2]等優(yōu)點在中國得到了越來越廣泛的應用，但目前，變風量系統(tǒng)并沒有達到預期的效果。已有研究中，一個方向是利用軟件預測負荷、室外溫度或利用優(yōu)化算法[3-5]來計算系統(tǒng)能耗，或對比變風量系統(tǒng)與其他空調系統(tǒng)能耗消耗情況[6-7]；另一個方向是對組合空調機組與系統(tǒng)進行故障診斷[8-9]。而對實際運行變風量系統(tǒng)的結果分析與反饋研究相對較少，大部分基于理論分析或前期設計規(guī)劃方面來介紹系統(tǒng)。金寧等[10]對上海某辦公樓變風量空調系統(tǒng)設計運行進行了分析，介紹如何根據(jù)內外區(qū)負荷選取變風量末端，并提供了不同的運行策略，但沒有具體策略運行之后的各參數(shù)指標分析。Kang等[11]提出了一種以熱舒適集成算法為目標的最小風量控制方法，通過現(xiàn)場采集氣流速度、CO2等數(shù)據(jù)并利用TRNSYS軟件進行計算，模擬效果顯示，該策略比現(xiàn)有的控制策略節(jié)約26.7%的能耗，但并沒有實驗驗證這些因素的影響在人體對熱舒適的判斷中是否大于溫度。朱進桃[12]在室溫、新風、送風溫度等方面對變風量空調系統(tǒng)做出了一系列總體性的控制評價與建議，提出了變靜壓的靜壓設定值采用定步長會給系統(tǒng)帶來響應緩慢的問題，但并沒有從變靜壓控制的角度來解決該問題，而是以總風量法直接代替變靜壓控制。

針對上述研究結果中實際運行系統(tǒng)無參數(shù)分析、無實驗驗證溫度對控制策略是否起主導作用等問題，本文通過實驗，以夏季實際運行工況為例，采用兩種控制策略對變風量系統(tǒng)進行控制，研究不同控制策略下室溫、風量、風機頻率、最大閥位、設定靜壓值與風機消耗電量的結果。

1 實驗對象與實驗原理

1.1 實驗平臺簡介

實驗對象為市政與暖通實驗中心的變風量VAV空調系統(tǒng)實驗平臺，空調面積為106 m2，413、406為實驗室，401、405為辦公室。其中，401兼做休息室、會議室，因此，會產生峰值負荷的情況?？紤]到中央空調在正常工作工況下不能滿足滿員會議室的溫度要求，在401房間設置一臺分體式空調。實驗室平面圖見圖1，房間401、406、413選用的VAVBOX型號相同，為RSV-TU-1-I-05-L，可用風量范圍為0～680 m3/h；405的型號為RSV-TU-1-I-07-L，可用風量范圍為0～1 360 m3/h，每個房間都配備溫控器，可以調節(jié)房間設定溫度。系統(tǒng)僅一臺組合式空調機組，額定風量為5 000 m3/h，機組全靜壓為300 Pa。

測點分布：如圖1所示，送風主管上共有4個靜壓測點：P1、P2、P3、P4，房間406與413支管設計為對稱支管，設計風量與支管結構完全相同。風管總長30.37 m，風機出口端連接一段垂直向上的風管，接入靜壓箱，冷空氣通過靜壓箱后進入送風管。定靜壓的控制原理是在送風管道上設置靜壓傳感器，位置一般是在距離送風機出口的距離約為2/3送風主管的長度[13]。在系統(tǒng)中，這個點的位置為P3測點。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，上位機利用組態(tài)王開發(fā)人機界面，通過OPC與PLC建立連接，可實現(xiàn)現(xiàn)場所有模擬量和數(shù)字量的采集以及現(xiàn)場設備的控制，包括靜壓傳感器所測靜壓的數(shù)據(jù)采集。在實驗中，由于管道靜壓的不穩(wěn)定性，以秒為單位的靜壓采集易造成風機頻率的頻繁改變，且易受干擾影響，因此，以1 min為采樣周期來采集靜壓數(shù)據(jù)。

1.2 靜壓控制策略

如圖2所示，靜壓控制風機轉速的原理分為兩種，但都是根據(jù)靜壓來控制風機轉速。一種為定靜壓控制，即輸入的靜壓設定值P為定值，具體數(shù)值需要根據(jù)系統(tǒng)進行調整；另一種為變靜壓控制，即輸入的P為變值，變靜壓控制需要DDC系統(tǒng)通過讀取每個末端的閥門開度，篩選出來最大的開度值，并判斷開度是否處于最優(yōu)閥位域之間，大于最大值說明系統(tǒng)提供靜壓過小，需要增大風機轉速，反之，小于最小值，則需要減小風機轉速。

圖2 靜壓控制原理圖Fig.2 Principle diagram of static pressure contro

根據(jù)實驗室的閥門實驗，如圖3所示，風機頻率不變時，手動調節(jié)406的閥門對所有房間造成的風量影響?？梢婇y門開度在80%～100%時，通過各支管的風量幾乎沒有大的變化，這是因該實驗閥門為拋物線特性造成的，在該區(qū)間閥門阻抗均可以看做接近于0。變風量的目的是保持最不利環(huán)路的閥門即最大閥位保持在最大開度上，最好的位置為80%開度，但實際上不可能保持在80%這個開度上，需要進行一個區(qū)間的定義。在實驗中，變靜壓控制最優(yōu)閥位域設定為[70,90]。當前靜壓設定值Pn+1由上一個時段的靜壓設定值Pn與最大閥位δmax決定，為排除改變步長對能耗的影響，不采用利用算法調整的非固定步長[14]，采用5 Pa的固定靜壓步長。實驗中，靜壓控制原理見式(1)。風機頻率改變上限為50 Hz，為保證風機運行效率，最低風機頻率為30 Hz。

(1)

圖3 406閥門調控下各送風支管風量Fig.3 Air volume in each supply pipe branches under controlling 406 valv

2 實驗方案與結果

2.1 變靜壓實驗測點選擇

實驗臺主風管靜壓測點共4個，在確定靜壓實驗的基礎靜壓點之前，先對所有測點進行了靜壓值的校驗。在30、40、50 Hz的風機轉速下，以秒為單位，測量3 min之內所有測點的靜壓值，測量結果見表1。

表1 靜壓測點平均值與標準偏差Table 1 Mean and standard deviation of static pressure measurement points

在文獻[15-16]中，建議用風機出口點作為變靜壓取點，第一,因為這個點的靜壓平均值在改變風機頻率或改變管網阻抗時，產生的靜壓差值相對其余各點所產生的值更大，可以提高傳送信號質量;第二,該點處于風機出口位置，可以減少傳送延遲。但由于其測量的標準偏差(如表1所示)比其余的測點大，作者并不建議將風機出口點作為測量靜壓的選取點。

另外,鑒于接近末端的靜壓測點P4所測得的靜壓值較小，在系統(tǒng)運行前期靜壓增加過慢，因此,選取P2、P3作為變靜壓實驗的基礎靜壓點。

2.2 實驗方案

1)風機控制策略1:定靜壓實驗。以P4點作為基礎靜壓點，初始靜壓值100 Pa，P=2，I=0.5。

為保證外界環(huán)境接近相同，實驗日期緊跟在變靜壓實驗之后，以便實驗結果與變靜壓實驗對比運行效果。

2)風機控制策略2：變靜壓實驗。以P2點作為基礎靜壓點進行變靜壓控制實驗，初始靜壓值100 Pa，P=3，I=0.5；

3)風機控制策略3：以P3點作為基礎靜壓點進行變靜壓控制實驗，初始靜壓值100 Pa，P=3，I=0.5。

通過在相近日期的夏季典型日內，運行以不同位置測點為靜壓基礎點的相同變靜壓控制策略，在實驗日內，其他房間窗戶與門均關閉，溫度均由溫控器進行控制。401作為特殊房間，由房間人員根據(jù)自身感受自行決定窗戶、分體式空調的開閉，滿足內部人員溫度與濕度的需求。因此，401房間的設定溫度與實際溫度的關系并不完全一致，作為一個不可控房間，與其余房間形成對比。

水側為一次泵定頻控制，頻率為45 Hz。冷源為風冷熱泵，出水溫度為7 ℃。

中央空調設定溫度調整規(guī)律：8:30開始房間設定溫度統(tǒng)一為27 ℃，上午的溫度根據(jù)房間人員的需求自行調整，11:40—14:30，大部分房間都無人的情況下，房間設定溫度偏高，為28 ℃。14:30重新設定為27 ℃，房間溫度依舊根據(jù)人員的熱舒適感自行進行設置，17:00后停機。

每個房間的實驗人員均為23～25歲之間的男性，以排除性別與年齡對房間熱舒適度的影響。

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 控制策略2實驗結果 室內溫度結果：從圖4所示，在8:30剛開機時，房間401早已打開分體空調，因此,房間溫度并不是很高。運行一段時間后，房間人員出于對室外空氣的需求打開了窗戶，室外熱空氣進入室內提高了室內溫度，401的溫度接近29 ℃，其余房間均在28 ℃左右，但此時房間人員并沒有感覺不適，反而是其余房間的人員感到悶熱，甚至405房間的人員調低了房間溫度以滿足對冷空氣的需求。11:40—14:30中央空調的溫度統(tǒng)一調整為28 ℃，期間為人員休息時間，401房間作為休息室，全部房間人員進入401房間。關閉窗戶，401溫度因此下降。16:00左右房間人員再次打開窗戶，房間溫度再次回升。其余房間在14:30以后由于房間溫度并沒有達到人員對溫度的要求，因此,人員持續(xù)調低設定溫度。

圖4 各房間設定溫度與實際溫度Fig.4 Set temperature and actual temperature of each roo

以上分析與溫度圖表明：401房間的溫度高，但房間空氣流動性強度大于其余房間，因此，人員并沒有調節(jié)房間的設定溫度，其余房間溫度低于401，但房間人員卻因為悶熱、不適等原因持續(xù)調低房間的設定溫度。

鄭慧凡等[17]指出，室內動態(tài)熱環(huán)境下人體熱舒適是各種因素綜合作用的結果，如室內空氣溫度、氣流速度、空氣相對濕度、平均輻射溫度等客觀因素和人體心理特點、人體活動量、服裝參數(shù)等主觀因素。上述分析恰好證明了這一點，在一定程度上說明了僅僅調整設定溫度的高低并不能反映人們對熱舒適的直接需求，但實際工程中所應用的變風量箱大部分算法都是根據(jù)房間溫度對內部風閥進行調節(jié)，因此，變風量箱內的算法需要滿足多目標優(yōu)化[18]。

需求風量與送入風量關系：以房間413為例，如圖5所示，實際風量的突降是由于自動控制讀取系統(tǒng)在實驗剛開始進行時出現(xiàn)故障，房間變風量箱的參數(shù)未能在系統(tǒng)中顯示，但工作情況不受影響。實際風量與設定風量相差較大，最多相差25%左右。實驗之前，并未調整VAVBOX的PI值，直接使用廠家自帶的參數(shù)?？梢杂^察到，在剛開機時，房間溫度偏高，閥門開到最大100%，設定風量也達到最大，實驗室定制的是舒適性空調的變風量箱，溫度精度波動范圍較大，在設定溫度與實際溫度相差1 ℃時，設定風量便開始持續(xù)下降，因此，房間溫度一直不能達到設定溫度值。在11:40—14:30期間提高設定溫度時，設定風量一度下降為0，這是由于房間溫度與設定溫度相等，BOX內置PID模塊接收的反饋溫度與實際溫度偏差值為0，因此，設定輸出的風量也為0。但為了保持最小新風量，在設定風量達到最低時，最小實際風量為50 m3/h。

圖5 413房間風量、閥門開度與溫度關系圖Fig.5 Relationship between air volume、opening angle of valve and temperature of 413 roo

圖5的折線表明：雖然房間溫度與設定溫度在一點點接近，但這個過程過于緩慢，且由于房間溫度偏差在減小，VAVBOX送入房間的風量也會減小，使得溫降過程時間變得更加漫長，因此，在購買回廠家原裝生產的BOX之后，需要根據(jù)不同房間的功能、地方、朝向對BOX參數(shù)進行調整，這一點必須有自動控制人員配合，避免不合適的參數(shù)導致較差的熱舒適。例如，會議室這種會出現(xiàn)高峰負荷的房間，BOX的P值設置應偏大，I值設置應偏小，以便快速響應人員流入流出導致的負荷變動；而在辦公室一類的穩(wěn)定負荷房間，P值設置應偏小，I值設置應偏大，給予房間人員適應溫度的時間。同理，朝陽的房間P值設置應偏大，I值偏小，背陰的房間P值設置應偏小，I值偏大。

風機頻率與最大閥位、靜壓反饋結果：如圖6所示，在工作時間，最大工作閥位維持在70 %左右，最大風機頻率維持在42 Hz左右。由式(1)所示，靜壓設定值根據(jù)最大閥門開度的大小來進行自動設置，從圖6中看出，設定靜壓與實際靜壓的契合度很高，說明風機的PI參數(shù)選取合理。在11:40—14:30，房間所需的風量降到最低，風機的頻率也降低到30 Hz，最大閥位開始下降，但由于有最低風機頻率的限制，因此，不能實現(xiàn)最不利環(huán)路的閥門達到比較大的閥位開度?？傮w來說，在工作時間內，該策略下變風量箱的開度維持在最優(yōu)閥位域的下限，實現(xiàn)了最不利環(huán)路的閥門開度最大的設置。但房間的溫度卻并沒有達到設定值，這是由于風機輸送的風量并沒有達到房間溫降所需要的量，即風機頻率沒有滿足設定要求。從圖6與式(1)中得知，風機頻率與最大閥門開度有關，風機頻率的頻繁變化是由于達到最大閥位的房間并不是唯一的。在1天之中，405達到最不利環(huán)路的比例為50%，406為25%，413為24%，最大閥位的開度大小取決于各個房間設定溫度與真實溫度。因此，要在系統(tǒng)運行初始達到一個穩(wěn)定的風機頻率，需要將最大閥位穩(wěn)定在同一個房間內，在風機頻率穩(wěn)定之后，自動控制系統(tǒng)再根據(jù)各房間負荷對最大閥位進行調節(jié)，防止系統(tǒng)由于最大閥位的不穩(wěn)定導致的持續(xù)震蕩。

圖6 風機頻率與靜壓、最大閥位反饋結果Fig.6 Feedback result of fan frequency、static pressure and maximum valve positio

因此，在使用變風量空調時，應該先將房間溫度快速降低到設定溫度值，即先將風機與所有的房間閥門開到最大，避免受到BOX內自帶的PID或其他的算法影響，當房間溫度降低到設計溫度時，再開啟自動控制功能，這樣，既能快速達到房間人員需要的溫度值，又可以在之后的過程中節(jié)省能耗。

圖7 控制策略2下一天內的風機電量消耗Fig.7 Fan power consumption in one day under control strategy 2

風機電量消耗結果：如圖7所示，策略2上午的風機電量消耗占當天總體消耗的51%，下午功率消耗為46%，這是因為上午風機提供的冷空氣除了消除圍護結構與內擾所造成的冷負荷之外，還需要消除前一天機器停止運行后，室外空氣進入房間的熱量、圍護結構內表面與其他物品蓄熱后進入到室內空氣中的熱量。而下午室內冷負荷的組成部分僅僅只有上午的前者，但由于下午的太陽輻射強于上午，因此，兩者之間的差距看似并不大，電量消耗差也僅僅只有5%。假如，基于一棟規(guī)模較大的建筑或建筑群，5%的電量消耗數(shù)目則是巨大的。因此，可以考慮提前啟動系統(tǒng)利用建筑物熱容的能量儲存能力實現(xiàn)電力的“移峰填谷”[19]。

2.3.2 3種控制策略對比 如圖8所示，運行3種不同控制策略時，當天的室外溫度分布并不一致。圖中直線表示在從10:00—17:00時間段內，控制策略2與控制策略3的室外溫度幾乎一樣。相似的外界環(huán)境下，可以對比策略2和策略3。風機控制策略3的測點P3比風機控制策略2的測點P2點距離風機較遠，兩種策略的初始靜壓值、P值、I值相同。表2給出了不同策略下各房間室內實際溫度降低1 ℃所需的時間，在相同溫降條件下，通過對比各策略所需時間來判斷策略的優(yōu)劣。

圖8 運行不同控制策略時的室外溫度Fig.8 Outdoor temperature under running different

min

由表2可見，在策略2和策略3下，401房間室內溫度降低1 ℃所用時間相同，作為熱舒適的對比房間，相同時間表明該房間的溫度不受不同策略的影響；房間405，策略3較策略2快5 min；房間406，策略3比策略2快9 min；對于房間413，策略3比策略2快8 min。策略3下降低1 ℃的室內溫度所用時間明顯小于策略2所用時間，即策略3可以更快地滿足人們降溫的需求，達到需要的室內溫度，策略3的降溫效果優(yōu)于策略2。也就是說，外界環(huán)境幾乎相同的情況下，靜壓基礎點靠近風機的控制策略較遠離風機的控制策略降溫效果好，對于對稱房間413與406，策略3比策略2快33%；對于主房間405，由于房間較大，溫降速度沒有小房間快，因此，策略3比策略2快14%。定靜壓的溫降時間較長，因實驗外界條件不一致，不與策略2、策略3做對比討論，但從單獨的處理效果來看，定靜壓系統(tǒng)降溫效果并不如意。在使用變風量空調時，最好將房間溫度快速降低至設定溫度。表2中顯示，405的溫度響應速度太慢，既跟不上房間人員對于溫度的需求，也可能導致后期的變頻運行當中產生震蕩。

由于系統(tǒng)記錄中有各種設備的能耗電量信號，為了比較不同外界條件的各策略節(jié)能效果，定義總耗電量與空調總冷負荷的比值為輸送率[20]，即輸送單位冷負荷需要消耗的電量。輸送率與輸送單位冷負荷所需要消耗的電量成正比。空調總冷負荷由制冷機供水溫度、回水溫度、流量計算得到，數(shù)據(jù)均可以從系統(tǒng)記錄中提取。

由表3可見，由于定靜壓的外界溫度高，因此，負荷大。策略2與策略3外界溫度相似，但策略3的負荷稍大于策略2。采用策略2的控制方法最節(jié)能，其次是控制策略3，定靜壓是三者中消耗電量最大的控制策略。相對于定靜壓，策略2的節(jié)能率為7.8%，策略3為5.5%；策略2比策略3節(jié)能2.4%。結合表2的溫降時間，可以得到以下結論：定靜壓輸送單位冷負荷需要消耗的電量多，且降溫效果較差；策略3輸送率比策略2僅僅高2%，但策略3的溫降速度比策略2快。

表3 各控制策略下的輸送率Table 3 Transport rate under different control strategies

3 結論

1)設定溫度的高低并不能反映人們對熱舒適的直接需求，其他氣流速度、濕度、人體生理心理特點、服裝等因素也影響著人體對熱環(huán)境的體感。因此，購買回廠家原裝生產的變風量箱之后，需要根據(jù)不同的房間功能、地方、朝向對箱體內固定參數(shù)進行調整，但必須有自動控制人員配合。

2)在使用變風量空調時，建議先不開自動控制系統(tǒng)，將風機與各閥門開到最大，房間溫度降至設定值后再開啟自控系統(tǒng)，避免受到算法的延遲影響,或考慮利用建筑物熱容的能量儲存能力實現(xiàn)電力的“移峰填谷”。

3)定靜壓輸送單位冷負荷需要消耗的電量，比測點靠近風機的變靜壓控制策略多7.8%，且降溫效果較差；外界環(huán)境幾乎相同的情況下，變靜壓策略中，靜壓基礎點遠離風機的控制策略較靠近風機的控制策略降溫效果好，速度至少快14%，消耗電量幾乎相同。

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