VAV空调系统全面数字化控制理论

【摘要】本文试图建立一小套VAV空调系统全面数字化控制理论,并将之成功地应用于具体的工程项目实践。

【关键词】全面数字化控制 ，总风量控制 

一、VAV系统控制的现状与发展

VAV 系统在中国一直运行不太良好的原因是什么？我们经常被问到这样的问题。为慎重起见，我们调查了北京，上海，杭州，苏州等十几个项目，有如下二个方面原因值得引起我们国人的重视：

1 ：可能不仅国内，而是在世界范围之内，空调与自控专业之间存在的空白与鸿沟，致使在工程设计，施工，安装，调试等各个方面存在有明显的脱节与敷衍。由此可见，VAV系统还不是一门非常成熟的技术，我们有责任将其变成一门更加成熟的科学。

2 ：除了小部分项目在以总风量控制方式运行外，许多项目事实上一直以定静压或定风量方式在运行。这很有可能是一种国际范围内的普遍现象，因为我们并没有理由相信国外的工程技术采用了更为先进的技术，很有可能他们也与我们一样在探索之中。

对于第一个问题，我们认为还是比较好解决的，通过二个专业的彼此拓展，再建设几座互通的桥梁（也就是几个相关的数学方程式）就可以了，事实上我们已经解决得差不多了。对于第二个问题，就比较复杂了，尽管在技术上我们已找到了解决的答案，但牵涉到商业利益和国家尊严。但至少告诉我们：先进的变风量“雕虫小技”的发展恐怕还得靠自己。

随着计算机网络技术的发展与在暖通空调的应用，VAV系统控制技术找到了一个突飞猛进的发展平台，在2000年之前，至少在国内，人们主要关注的仍然是单一的送风量控制环节，我们不妨总称之为VAV系统的部分控制策略，按时间发展次序，可简单的分为三代，即：

第一代基本控制策略：始于上世纪60年代，被称为定静压法控制；

第二代基本控制策略：始于上世纪80年代，被称为变静压法控制；

第三代基本控制策略：始于上世纪90年代末，被称为总风量法控制。

以上三种控制，忽视了送风温度，节能循环与系统风量平衡等其他环节的控制，因而是不全面的。但随着我们在科学实验和工程实践二方面对VAV系统控制认识的不断深入，我们认为也许现在正是描绘一个全面而完整的学术体系的时候了，我们不妨称之为VAV系统的全面数字化控制理论，简称为TDC理论，不妨称之为第四代基本控制策略，始于2006年，由中国上海大智科技公司率先提出并进行有效的工程实践，全面地涉及到房间温度控制，系统送风量，送风温度，节能循环与系统风量平衡等五大基本环节的控制。在暖通空调专业的发展史上，希望通过我们的努力把变风量技术由经验变成一门科学，或者由对工程经验的依赖变成对科学技术的信心。

1.1 ：第一代基本控制策略：定静压法控制

所谓定静压控制，是在送风系统管网的适当位置（常在离风机2/3处）设置静压传感器，在保持该点静压一定值的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。

定静压法控制原理图

1.2 ：第二代基本控制策略：变静压法控制

所谓变静压控制，就是在保持每个VAV末端的阀门开满在85%-100%之间，即使阀门尽可能全开和使风管中静压静可能减小的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。

变静压法控制原理图

1.3 ：第三代 基本控制策略：总风量法控制

总风量法控制又分为单一总风量法控制和双重总风量法控制。在这里我们不妨介绍Hony-2001总风量法，即大智科技总风量法，我们通过抓住两个非常有用的参数，其一是我们大智科技计算出来的实时最佳需求风量值，即我司根据温差（积分比例等）计算出来的实时最佳需求风量，我们不妨称之为G _i-demand ，我们据此可以方便地计算出VAV系统实时最佳需求总风量，即∑G _i-demand 。其二是VAV控制器计算出来的实时运行风量值，我们不妨称之为G _i-run ，我们同样可以据此计算出VAV系统实时运行总风量，即∑G _i-run 。抓住了这两个总风量值，就可以方便地实现总风量法控制了。以上控制方法称Hony-2001总风量控制法。

Hony-2001 总风量法控制原理图

1.4 ：第四代基本控制策略：全面数字化控制法（专利号：ZL2007100263527）

1.4.1 ：TDC法的概念

所谓TDC法就是:1：基于现代计算机网络控制技术在楼宇自控系统的应用；2：通过全面收集并计算变风量空调系统在房间温度，系统送风量，送风温度，节能循环和风量平衡等五个控制环节的技术参数；3：采取尽可能科学而非经验的控制手段；4：达到舒适而节能的控制目的的方法。

1.4.2 ：TDC法的系统控制模型（平面图）

1.4.3 ：TDC法的系统控制模型（系统图）

1.4.4 ：TDC法的五个基本控制环节

1 ：房间温度控制（Space temperature）：VAV BOX周边控制来实现。

2 ：系统送风量控制（Supply fan volume）：AHU周边控制来实现。

3 ：送风温度控制（Supply air temperature）：AHU周边控制来实现。

4 ：经济循环控制（Economy cycle control）：BA控制来实现。

5 ：系统风量平衡控制（proportioning SA and RA）：BA控制来实现。

二、第一个控制环节——VAV BOX的温度控制

2.1 ：VAVBOX的温度控制模型

T_room ：控制的温度                  T_set：各房间的温度

Gi-run ：末端所测的流量              Gi-demand：末端需求流量

L0= ∑Gi-run：所测的总风量            Ld=∑Gi-demand：需求的总风量

2.2 ：VAVBOX的基本控制参数

n   T_room ：被控房间的实时温度

n   T_set ：被控房间的设定温度

n   Gi-run ：VAV BOX末端所测的流量

n   Gi-demand ：VAV BOX末端需求流量

Gi-demand = QMIN +(QMAX-QMIN)*(T_room - T_set)/3

这里，设定比例积分带为3。

n   L0= ∑Gi-run：所有VAV BOX实测风量之和

n   Ld= ∑Gi-demand：所有VAV BOX需求风量之和

2.3 ：流量传感器的增益系数（专利号：ZL2007100263543）

2.3.1 ：毕托管的风量增益系数 K

定义毕托管的风量增益系数为

       

式中，QDDC为DDC面板显示一次风量，m ³ /h；Q为喷嘴等标定设备实测一次风量，m ³ /h。

对于某VAV末端的一次风量测试记录如下表所示。

某VAV末端一次风量测试记录

注：（ 1）工况1-4采用φ100的标准流量喷嘴；

（2）各工况下喷嘴前后静压差及DDC动压、DDC风量均为三组测量值的平均值。

由上表的结果可以看出，DDC的风量增益系数K随一次风量的增大而逐渐减小，利用最小二乘法，回归得到K与QDDC的关系式为

根据上表测试记录，作出VAV末端装置一次风的特性曲线如下图所示。

图：某VAV末端装置一次风特性曲线

2.4 ：VAVBOX的特征方程式（专利号：ZL2007100263559）

在实际使用中，我们认为最好用另一个系数直接输入DDC中，这个系数可以被称为调试系数，是连接暖通与自控专业的“桥梁”，定义如下：

其中，Q为喷嘴等标定设备实测一次风量，m ³ /h；为毕托管实测动压，Pa。

三、第二个控制环节——VAV系统送风量控制

3.1 ：单一总风量控制法——比率法

所谓比率法，就是根据VAV BOX 末端所测风量之和L ₀ (L ₀ =∑Gi-run)与设计最大风量Q MAX 之比来确定某一时刻空调箱变频器的频率f。具体过程如下：

1 ：确定在一定管路特性曲线下（比如风阀全开），空调箱送风量Q=F(f，Q MAX ) 的函数关系；

2 ：计算VAV BOX末端某一时刻所测风量之和L ₀ (L ₀ =∑Gi-run)；

3 ：根据L ₀ /Q _MAX 的比例，确定某一时刻空调箱变频器的频率f

该方法是一种非常实用，而且简单可靠的控制方法。尽管精确度不是很高，但是用于VAV系统的舒适控制已经足够了，其节能效果一定比第一代定静压控制好，比第二代变静压控制可能要差一点，但是切实可行！  

3.2 ：双重总风量控制法——步长法与内插法

3.2.1 ：Hony-2001双重总风量法（专利号：ZL2005100246553）

其一是我们大智科技计算出来的实时最佳需求风量值，即我司根据温差（积分比例等）计算出来的实时最佳需求风量，我们不妨称之为Gi-demand，我们据此可以方便地计算出VAV系统实时最佳需求总风量，即∑Gi-demand。

其二是VAV控制器计算出来的实时运行风量值，我们不妨称之为Gi-run，我们同样可以据此计算出VAV系统实时运行总风量，即∑Gi-run。抓住了这两个总风量值，就可以方便地实现总风量法控制了。

3.2.2 ：Hony-2001双重总风量法控制环路图

要确定实际转速f，关键在于如何确定f 0 和△f。

3.2.3 ：预测转速f 0 的确定

理论上f 0 的确定应从变频空调风机的L-f曲线中得出（即流量与频率）得出，但在实际工程中，这根曲线是不存在的，我们所悉知的管路特性曲线也一直在“无序而频繁”的变动，即使是在某个固定频率下，也不能在理论上确定其运行工况点。

那么我们Hony-2001是如何确定f 0 的呢？其实很简单，我们采用分频法，即在变频器的有效频率范围内如20Hz-50Hz这一区间内，在房间末端VAV风阀全开的前提下（即在风管特性曲线不变的前提下），通过DDC计算出每个区间点的风量。如果采用△f0=5Hz，那么，我们就将20Hz-50Hz分成20-25，25-30，30-35，40-45，45-50等6个分频小区间，每一个区间点的风量值可直接通过DDC计算出来，这实际上就是空调箱在末端风阀全开时，在某一频率点的∑Gi-run值，由于此时VAV末端风阀全开，我们将这个值记为∑Gi0-run。

在具体的工程实践中，在某一时刻，我们只需要比较确定真正的∑Gi-run风量值落在某一分频区间就可以了，如若∑Gi-run=8500m ³ /h，落在35-40Hz分频区内，我们就可以确定f 0 =35Hz 。

3.2.4 ：步长法—修正转速△f的确定方法之一

从f 0 的确定我们可以看出，f 0 只是一个粗略值，相当于我们过去使用的矿石收音机的粗调频率，是有一定误差和出入的。因此我们需要修正转速△f来予以不断的修正。于是我们大智科技公司引入了最佳需求总风量∑Gi-demand的概念，对于△f我们已经探索或正在探索多种理论表达方式，如最直接而方便理解的理论表达式就是采用步长法控制。计算如下：

若：  （∑Gi-demand-∑Gi-run）/∑Gi-run＞1%

       则：△f=-1     f= f 0 + △f

若：  -1%≤（∑Gi-demand-∑Gi-run）/∑Gi-run≤1%

       则：△f=0      f= f 0 + △f

若：  （∑Gi-demand-∑Gi-run）/∑Gi-run＜-1%

       则：△f=-1     f= f 0 + △f

3.2.5 ：内插法—修正转速△f的确定方法之二

修正转速△f的计算公式如下：

△f=（∑Gi-demand-∑Gi-run）/（∑Gi0+1-run--∑Gi0-run）*△f 0

则：f= f 0 + △f

3.3 ：高级控制策略——模糊控制与神经网络控制

3.3.1 ：模糊PID自整定控制方法（有待进一步研究）

3.3.2 ：神经网络控制（有待进一步研究）

3.4 ：复合控制法之一——定静压与总风量的复合控制

定静压与总风量双重控制法，就是将定静压法的简单可靠与总风量法的先进直观相结合，通过总风量法来不断“修正”定静压法的定静压值，使其具有一定的调节范围而获得相应的节能效果。控制原理如图所示：

Hony-2002 定静压与总风量双重控制法原理图

3.4.1 ：Hony-2002定静压与总风量控制（专利号：ZL2005100251551）

被认为较传统的定静压控制方法由于在理论上不能科学地确定静压点和定静压值，在实践过程中往往被回风温度控制取而代之，失去原本变风量系统的价值与意义，因而即将淘汰。被认为较为先进的变静压法在日本推广一时后发现，一方面送风温度偏低，影响舒适效果。另一方面系统反应速度迟缓，通讯速度低，因而即将扬弃。因此，我司提出了变风量空调系统定静压与总风量双重控制法：

其一是将由Hony-2001总风量法计算出来的转速f1设置为初始转速，完成第一重控制；

其二是根据定静压值Pj修正初始转速，完成第二重控制。  

3.4.2 ：系统控制环路

从上图可以看出，f=f ₁ +Δf ₂ ，f ₁ =f ₀ +Δf ₁

要确定实际转速f，关键在于如何确定f ₀ 和Δf ₁ 、Δf ₂ 。

f ₀ 和 ? f ₁ 由总风量控制法确定。

△f ₂ 由定静压控制法确定。

3.5 ： 复合控制法之二——变静压与总风量的复合控制

变静压与总风量双重控制法，就是将变静压的显著节能与总风量的先进直观相结合，通过变静压法来不断“修正”总风量法的设计转速，使其获得更好的节能效果。控制原理如图所示：

Hony-2003 变静压与总风量双重控制法

3.5.1 ：Hony-2003变静压与总风量控制（专利号：ZL2005100246553）

被认为较传统的定静压控制方法由于在理论上不能科学地确定静压点和定静压值，在实践过程中往往被回风温度控制取而代之，失去原本变风量系统的价值与意义，因而即将淘汰。被认为较为先进的变静压法在日本推广一时后发现，一方面送风温度偏低，影响舒适效果。另一方面系统反应速度迟缓，通讯速度低，因而即将扬弃。因此，我司提出了变风量空调系统变静压与总风量双重控制法，

其一是将由总风量法计算出来的转速f1设置为初始转速，完成第一重控制；

其二是根据系统所有VAV-BOX的阀位反馈φ修正初始转速，完成第二重控制。  

3.5.2 ：系统控制环路

从上图可以看出，f=f1+Δf2，f1=f0+Δf1

要确定实际转速f，关键在于如何确定f0和Δf1、Δf2。

f0 和 ? f1 由总风量控制法确定

△f2由变静压控制法确定  

3.5.3 ：△f2的确定

当：平均阀位< = 85% 时，     开度不足，Δf2 = -1；

当：85% <平均阀位< = 95% 时，开度合适，δf2="0；" < pan>

当：平均阀位> 95% 时，      开度全满，Δf2 = 1。

3.6 ：三种基本风量控制法的对比

3.7 ：变静压控制与总风量控制的区别和联系

   哲学上说，事物都是运动变化发展而又相互联系的。在我们变风量控制技术领域也一样。我们理解：

    1 ：总风量控制是变静压控制的一种，或者说是一种数字化的变静压控制策略而不是阀位式的变静压控制策略。

2 ：总风量控制是传统阀位式变静压控制的进步，是对变静压控制的发展与提高。

这是因为传统的变静压控制基于阀位状况的ON/OFF反馈，受制于上世纪80年代的电动控制技术水平的局限，而总风量控制基于风量的实时反馈，受益于20年后先进的直接数字式控制技术的发展，是合乎事物运动变化发展规律的。

四、第三个控制环节——VAV系统送风温度控制

在VAV系统中，除了要控制VAV BOX的温度、送风量之外，还有必要对系统的送风温度进行控制，以维持房间较好的气流组织，避免因送风量偏少而产生冷气流脱落的现象，使VAV系统的控制体系更加完善。当然不可忘记的是重新设定送风温度有可能影响最小静压控制，有必要随时检验两者的衔接度。

送风温度有如下几种控制方法：

4.1 ：最小送风量法

所谓最小送风量法，对夏季工况而言，是指以某一个风量值作为临界值，当实际送风量小于该临界值时，就提高送风温度以维持室内较好的气流组织的控制方法。工程实际中多采用最大送风量的60％作为临界值，即当某一时刻的实际送风量小于最大送风量的60％时，就根据需要将送风温度提高1℃或0.5℃，其原理图见下。

该方法在VAV系统控制中经常采用，其特点是简单可靠，易于编程和实现控制目的。

4.2 ：试错法

利用试错法进行送风温度控制与该方法控制最小静压的原理相仿，一般以设计最大送风量和最小送风量作为临界值，检测各个末端的实际送风量并与该临界值进行校核，从而确定送风温度的变化方向。

例如以末端装置的送风量为参照变量，以设计最大送风量和最小送风量为临界值的试错法送风温度控制的冷气状况，当系统中有一个以上的末端达到或超过最大送风量时，以一定的速率降低送风温度；当系统中有一个以上的末端达到或超过最小送风量时，以一定的速率（可不同于降温速率）提高送风温度。但当这两种状况同时出现时，试错法送风温度控制则不知所措。这也是该方法的最大缺憾，不少现场采用了宁可过头避免不足的处理方法。

4.3 ：投票法

为了弥补试错法的缺陷，产生了投票法送风温度控制。其原理是，对于某一空调显热负荷，若该末端存在送风量允许范围，则势必相应地存在送风温度允许范围。若系统中各末端的允许送风温度范围存在共同区间，则该区间内的任意一个送风温度均可使各末端满足负荷要求。若不存在共同区间，则可在最高得票温度范围内选择送风温度以求满足多数末端的负荷要求，或折中选择送风温度以使系统中各个末端平摊损失。

投票法送风温度控制分为两步，首先计算各末端的允许送风温度范围并投票，然后根据投票决定送风温度。

得到各个末端的允许送风温度后，空调管理人员可以绘制送风温度决策图，标注出每个末端的送风温度范围，并最终根据共同得票温度范围或最高得票温度范围选定送风温度。在绘图时，对于各末端的权重分配，最常用的是以面积比为权，也有以负荷比为权的，分配原则是全系统的权总和为1。

五、第四个控制环节——VAV系统风量平衡控制

这个一个控制环节的重要性我们就不加以阐述了。

在大型VAV系统中，我们经常采用回风顶棚静压箱的方式，这时候空调箱的设计与选型尤为关键，在具体的工程设计中，我们经常有如下三种可能的选择。

5.1 独立送风机加排风机空调系统

Q _s = 送风量；Qf=新风量；Qr=回风量；Q _d =排风量

该系统的风量平衡方程为：Q _s = Q _f + Q _r + Q _d ;

Q _s = L 0 = ∑Gi-run：所测的总风量

5.2 送风机加减压风机空调系统

5.3 送风机加回风机空调系统

六、第五个控制环节——VAV系统的节能控制

6.1 ：实现VAV系统节能的途径

众所周知，VAV系统是一种目前被普遍看好与追求的节能型空调系统，其实现节能的途径有三：

1 ：通过风机变频节省系统输送能耗；

2 ：通过新排风全热交换器回收能量；

3 ：利用室外低温低焓空气供冷，实现免费冷却（Free Cooling）。

下面主要介绍空气节能器和水节能器二种主要免费冷却方式。

6.2 ：空气节能器

直接利用室外低温、低焓空气供冷，简称为空气节能器（Air Economizers）。

6.2.1 ：空气节能器的控制

空调自控系统根据室外新风状态，判别是否需要启动空气节能器模式运行。

1 ：判别控制方法——ASHRAE能源标准90.1-2001

Ⅰ、全新风五种判别控制方法：

l   焓差法（Differential Enthalpy）

l   固定焓法（Fixed Enthalpy）

l   电子焓法（Electronic Enthalpy）

l   温差法（Differential Dry Bulb）

l   固定温度法（Fixed Dry Bulb）

Ⅱ、变新风比控制

2 ：气候分区与判别控制法

注：Twb是1%空调设计湿球温度，Tdb是1%夏季空调设计干球温度

6.2.2 ：空气节能器控制原理

对于全年供冷的内区空调系统，全（变）新风供冷的空气节能器方式是一种简单有效、节能舒适、易于普及的节能技术。在现有公共建筑空调设计方法上只需稍加改进，即可实现。空气节能器的基本条件是空调机房要靠外墙，关键技术是合适的判别方法、可靠的检测元件和有效的自动控制。

6.3 ：水节能器

利用室外 低温空气冷却空调冷水，再由冷水盘管间接冷却空调送风，简称为水节能器（Water Economizers）。

a. 利用冬季部分闲置的冷却塔和冷却水泵，通过板式换热器制备≤15℃的空调冷水供空调箱使用。

b. 利用新风空调箱的预冷却盘管，使低温新风与空调水热交换，既冷却了水，又加热了新风。

研究表明，二种水节能器都需要室外空气干球温度低于10℃，湿球温度低于7℃才能达到100%完全的自然冷却，不然则需要开启冷水机组，并与部分自然冷却的水混合供水。

七、工程实例：广州天河城东塔楼VAV系统工程优化设计

7.1 ：工程概况

广州天河城东塔办公大楼，总建筑面积约11.3万m ² ，其中地上9.9万m ² ，地下1.4万m ² ，地上45层，地下二层，建筑高度195m。

该项目业主单位非常重视，组织了一次又一次的仔细考察，详细对比了各种可能的控制策略，实事求是，讲真求理，不信邪，不崇洋。最后看中了我们的总风量控制策略，认为切实可行，效果显著。在不断的优化设计过程中，我们最后将其提升到全面数字化控制理论水平，在业主单位的充分信任与支持下，我们得以全心全意地在广州天河城东塔楼项目中予以工程实践。 业主单位的这种积极性真是不多见，这也许正是我们这个民族难以被灭亡的原因之一，在此我们谨表崇高的敬礼！中国人的这种积极性（被毛泽东同志认为的二种优秀的积极性之一）正是西方人难以理解中国何以不能被灭亡的真正原因。我们相信：只要这种实事求是的精神意志存在于一天之中或存在于一人之内，我们的国家和民族就有希望！ （看在上帝的份上，希望尊贵的主审和主编先生不要把这句话简单刪掉，你们既然一而再地要我写出来，我相信你们一定希望知道得更多，传播得更远，你们太厉害了，我感觉一切都逃不过你们的眼睛）。

7 ．2：对原设计的优化改动要点

由于原设计方案由境外公司提供，招标时只停留在扩初设计阶段，在招标过程中我们对原设计优化改动要点如下：

1 、风管系统全面重新设计

2 、高低区空调箱及板式热交换器选型重新分别考虑

3 、空调外区加设窗边风机

4 、采用灯具组合送回风口代替散流器

5 、采用Hony-2003总风量与变静压法双重控制策略

6 、增加了VAV系统支管与连接软管的设计

7 、回风管做适当延长，并在回风管管侧开回风口

8 、主送风管增加了消音器等

7 ．3：室内主要舒适指标

7 。4：全面数字化控制策略设计

天河城东塔楼全面数字化控制策略实施一览表

  7.4 ：优化设计平面图

7.5 ：试运行情况汇报

该项目经过一年多来的试运行，情况非常良好，各项设计指标均达到业主招标合同要求。在这一年里，我们与业主及监理单位众志成城，一切以数据说话，严格要求各项测试内容。

八、结论与建议

1 ：VAV系统工程在我们中国是完全可以做好的，但可能需要激发我们自己的智慧与努力。

2 ：基于本文倡议的第四代全面数字化控制技术，VAV系统将走上全面数字化因而全面科学化的道路，并且就像自动档汽车一样，逐步减少对驾驶员换档经验的依赖，也就是说将逐步减少对工程经验的依赖。

3 ：就像其它任何科学一样，只有在不断地科学实验和工程实践过程之中，我们才能得以发展与进步。