二次回风空调系统控制与节能

引言

大型剧场、体育馆类建筑的观众席区域往往规模较大而且地面高差大，座椅送风等置换通风空调系统可提供良好的空调效果和合理的气流分配，有效实现分层空调，减少高大空间空调能耗。但是根据舒适性要求，下送风温度不宜过低，一般送风温差不应超过5℃，采用二次回风系统提高送风温度避免了送风的再热过程，是一种节能的空调系统，但其控制策略与系统比较复杂，工程实践中，往往由于控制系统设计或运行不合理，影响了系统的节能效果，甚至于达不到室内空调设计要求。另一方面减少送风温差则必然加大送风量，风机能耗在总能耗中所占比重显著增加，合理对二次回风系统进行控制，尤其是风机的控制，对系统节能至关重要。

1. 二次回风系统及控制原理

二次回风系统属于全空气集中式空调系统，典型的二次回风系统及其控制系统组成见图1。

二次回风系统空气处理过程见图2，状态点W的新风与状态点N的一次回风混合后达到状态点l，经表冷器处理到机器露点L，再与二次回风混合，提高送风温度到达送风状态点O。一定量的送风进入室内，去除室内的热湿负荷，保证室内空气达到设计状态点N。随着室外气象条件的变化和室内热扰的变化，状态点W，热湿比和空调负荷都会发生变化，必须对二次回风系统的运行调节才能保证室内空气状态点，也才能实现运行节能。与传统一次回风系统相比，二次回风系统除需要确定新回风混合比以外，还需通过一定的逻辑关系控制一次回风与二次回风的比例，以达到控制送风温度的目的。

2. 二次回风系统运行与控制策略

对于广州地区，大空间公共建筑的室内空调系统的运行需求主要考虑制冷，二次回风系统的运行工况根据制冷机是否需要开启，分为过渡季工况和空调季工况。

2.1 过渡季工况控制策略

过渡季节不需要开启制冷机，仅靠新风去除室内的冷负荷，一般工程上根据室外空气焓值低于室内设计点的焓值来确定，并以最大新风量运行，即采用简单的开环控制，仅仅根据室外参数来控制冷冻水比例积分二通阀、一次回风阀、二次回风阀的开度。这种运行方式必然使得室内的热环境在某些时段不能满足热舒适的要求，某些时段风量过大，不节能。应细化控制策略，将简单的开环控制策略转变为闭环反馈控制，满足热舒适的要求并实现节能。

（1）新风不足以去除室内的冷负荷，造成室内空气焓值高于设计值，应按空调工况运行。此种情况一般都会发生，运行工况的确定按图3进行。

（2）新风温度低于设计送风温度，影响了舒适，应采用新风回风混合的方式运行，送风量是变化的，需要相应调节风机频率，节省风机电耗。此种情况一般都会在某时段发生。

（3）新风温度高于设计送风温度，采用最大新风量运行，造成室内空气焓值低于设计值，应采用变新风量运行，节省风机电耗。此种情况是否发生取决于室外空气焓值和室内负荷特点，某些地区和建筑可能不会出现，需根据具体工程具体分析。

（4）室外温度偏低，最小新风量情况下，室内空气焓值仍低于设计值，需要加热新风，即由过渡季工况转为采暖工况，在广州地区出现的时间较短，一般不考虑此种情况。

二次回风系统过渡季运行时，排风量一般需加大，因此需要设置足够的机械排风或可开启的门窗，否则将无法实现全新风运行。过渡季运行控制策略见图4。

2.2 空调工况控制策略

空调工况下制冷机运行，室内热扰变化，则热湿比发生变化，或者热湿比不变，但冷负荷的数值发生了变化，原来的送风温度和送风量不能和房间负荷匹配，必然导致室内状态偏离设计值。另一方面由于新风状态发生变化，将引起送风状态变化，也将导致室内状态点偏离设计值。应及时调节制冷量和送风量以适应，空调运行工况下的控制必须根据室内状态、送风温度的反馈，采用闭环反馈控制，无法根据室外参数来简单控制。控制设计遵循“以回风焓值控制回水管比例积分二通阀开度，以送风温度控制二次回风量”的思路。空调季节运行控制框图见图5。

图5 空调工况的控制框图

（1）新风与一次回风的总风量不变，新风量满足室内人员的需求，室内人员变化时，根据一次回风的CO ₂ 浓度调节新风量，一次回风也相应调节；

（2）供冷量和室内空调负荷要匹配，室内空调负荷变化时，根据一次回风的焓值调节冷冻水流量，机器露点L点发生相应的变化；

（3）送风温度不变，机器露点L点变化时，调节二次回风量；

（4）根据送风量，调节风机运行频率。

2.3 应注意的问题

（1）空调与自控专业应密切配合。空调专业除向自控提供控制点表外，更重要的是应提供控制思路及控制策略，以便于自控深化设计及编程。

（2）应注意湿度传感器的使用。湿度传感器一般的测量范围是小于95%的，当湿度传感器用于测量室外湿度时，遇到雨天容易超出量程，达到饱和。而湿度传感器一旦达到饱和，尤其是反复多次的话，就不能恢复原有测量精度了。当然，如果湿度传感器一直用于室内，而没有出现饱和的情况，还是很准确的。

（3）室内负荷虽然体现在焓上，但一般民用空调，热湿比较大，可以忽略潜热负荷。为简化可以通过温度而不是焓值来控制。

3. 节能潜力分析

以某体育馆为例，某侧看台室内冷负荷90kW，湿负荷36kg/h，室外计算干球温度33.5℃，湿球温度27.7℃，新风量4000m ³ /h，室内设计温度26℃，相对湿度60%。

采用二次回风系统，根据室内空气处理过程，选冷风柜总风量25000m ³ /h，冷量90kW，风机全压600Pa，额定转速960rpm，轴功率7.4kW，铭牌功率11kW。

3.1 节省再热能耗

若采用一次回风系统，空气处理至机器露点后，为满足送风温差需经再热至21℃送风状态点。机器露点与送风状态点焓差6.48kJ/kg，冷风柜所需总再热量8.4kW。表冷器除承担室内冷负荷外，应额外处理8.4kW冷量以免再热量影响室内设计参数，表冷器承担的额外冷负荷造成制冷机及水泵等增加电耗约2.1kW。故该一次回风系统共增加能耗10.5kW。

以全年运行时间600小时计算，二次回风系统较一次回风加再热系统节电约6300kWh，约占全年空调总能耗的20%。

3.2 节省风机能耗

二次回风系统属于变风量定温差系统，当部分负荷时，送风量相应减少，若采用变频风机，节能量相当可观。根据风机的相似律，当实际运行的转速r与额定转速rm不同时，其实际功率N与额定功率Nm之间的关系为：

空调季节部分负荷下，冷风柜应按室内工况调节运行频率。根据相关计算，全年空调运行状态中，负荷率超过90％的时间仅为6％，而负荷率30％～70％占全年运行时间约60％。冷风柜若工频运行全年耗电4440kWh，而根据全年冷负荷变化变频运行只需耗电约890kW.h，全年可节约用电3550kWh，节电71％。

4 结论

通过“以回风焓值控制回水管比例积分二通阀开度，以送风温度控制一二次回风比例”的控制思路，可实现二次回风冷风柜既能满足室内冷负荷需求，又能满足下送风舒适性要求。为减少送风温差而加大了系统送风量，对风系统的节能要求应更加予以重视。随着能源价格的不断上涨，采用变频技术带来的经济效益更为显著。