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智能建筑中應(yīng)用變風(fēng)量系統(tǒng)的探討
1 VAV的應(yīng)用已成為焦點(diǎn)技術(shù)問題之一VAV系統(tǒng)(變風(fēng)量空調(diào))有突出的優(yōu)點(diǎn):節(jié)能潛力大,控制靈活,可避免冷凍水、冷凝水上頂棚的麻煩等;因此在美國、日本、香港、新加坡等地得到了廣泛的應(yīng)用。然而VAV系統(tǒng)需要精心設(shè)計(jì),精心施工,精心調(diào)試和精心管理,否則有可能產(chǎn)生:新風(fēng)不足,氣流組織不好,房間負(fù)壓或正壓過大,噪聲偏大,系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,節(jié)能效果不明顯等一系列問題;同樣引起了投資者和技術(shù)人員的關(guān)注。 有些業(yè)主焦慮的詢問:“VAV到底是新技術(shù)還是老技術(shù)?可靠不可靠?”說VAV是一項(xiàng)“新技術(shù)”不一定合適:VAV在60年代起源于美國,距今已有三十多年的歷史;我國在七十年代即有人研究VAV系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,并在地下廠房、紡織廠、體育館等建筑中采用過VAV系統(tǒng)。然而,說VAV是經(jīng)過多年實(shí)踐檢驗(yàn)的“老技術(shù)”也不太確切:VAV系統(tǒng)的末端裝置和控制系統(tǒng)本身,以及VAV系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境都發(fā)生了很大的變化。有的廠家提出“三代”的說法,不一定確切,但足以說明產(chǎn)品變化之大。
在八十年代末期我國出現(xiàn)的首批智能建筑中凡曾采用過VAV系統(tǒng)。但由于建設(shè)過程和使用過程中的種種問題,有些工程兩三年后使用單位即取消了變風(fēng)量系統(tǒng)的運(yùn)行方式,相應(yīng)的自控設(shè)備也拆除了;這使得變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)沒有發(fā)揮出來,變風(fēng)量系統(tǒng)附加的投資也成了泡影。
鑒于VAV系統(tǒng)在我國智能建筑高速發(fā)展中的應(yīng)用情況及其特點(diǎn),VAV系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為智能建筑建設(shè)中焦點(diǎn)技術(shù)問題之一,引起了工程界和學(xué)術(shù)界的重視。作者認(rèn)為應(yīng)從分析工程實(shí)例出發(fā),總結(jié)那些代價(jià)昂貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),正確把握VAV技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程和技術(shù)關(guān)鍵,以促進(jìn)這一重要技術(shù)的應(yīng)用平穩(wěn)發(fā)展[1][2]. 2 VAV問題的特點(diǎn)之一:技術(shù)發(fā)展很快VAV空調(diào)系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜,關(guān)鍵是需要實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量原理的末端送風(fēng)裝置(Terminal Box),特別地有關(guān)末端裝置以及整個(gè)VAV系統(tǒng)的自動控制設(shè)備。 早期的VAV裝置是機(jī)械式的,全部控制為模擬式,變風(fēng)量特性依靠節(jié)流來實(shí)現(xiàn),管道靜壓變化的“定風(fēng)量特性”則由彈簧的補(bǔ)償作用來完成,此種機(jī)械式VAV裝置壓損大,精度低,沒有VAV與空調(diào)機(jī)的聯(lián)合控制。此后,則出現(xiàn)了DDC控制并加裝了風(fēng)量檢測的VAV末端裝置,亦即壓力無關(guān)型(Pressure-Independent)末端裝置;此類裝置通常采用室溫送風(fēng)量閥門的串級控制,因而避免了各末端裝置進(jìn)行了調(diào)節(jié)時(shí)的相互影響而且可實(shí)現(xiàn)末端裝置與空調(diào)機(jī)的協(xié)調(diào)控制,以便更舒適和更節(jié)能。
在最近二十年左右的時(shí)間里,不僅VAV末端裝置,而且相應(yīng)的控制系統(tǒng),甚至變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的型式都發(fā)生了很大變化,有關(guān)的新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。
在VAV的發(fā)展和應(yīng)用中,無論是工程上或?qū)W術(shù)上,恐怕都有一個(gè)不同時(shí)期和不同類別產(chǎn)品的“共存”問題。特別是具體問題和具體要求的千差萬別,以及種種經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件比較錯(cuò)綜復(fù)雜,常常會形成不同產(chǎn)品在不同場合或條件下各自的“合理性”。工程實(shí)踐的這種“多樣性”,再加上VAV技術(shù)本身一定程度的復(fù)雜性,使得專業(yè)技術(shù)人員也不容易掌握VAV技術(shù)發(fā)展的全面狀況和發(fā)展趨勢;對于實(shí)際工程應(yīng)用來說則增加了選擇的難度。由于VAV技術(shù)的這種快速發(fā)展,特別是有關(guān)的DDC和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,常常會發(fā)現(xiàn)一些生產(chǎn)廠這遙市場人員不自覺地在推銷一些過時(shí)的產(chǎn)品,甚至專業(yè)研究人員也可能沒有抓準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的主流。3 管道靜壓控制方法分析 在VAV系統(tǒng)中曾經(jīng)普遍采用,目前也仍在應(yīng)用,控制管道靜壓的辦法。
具體做法是:在第一個(gè)空氣末端裝置的75%到100%處設(shè)置靜壓傳感器,通過改變送風(fēng)機(jī)入口的導(dǎo)葉或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的辦法來控制系統(tǒng)靜壓。如果送風(fēng)干管不只一條,則需設(shè)置多個(gè)靜壓傳感器,通過比較,用靜壓要求最低的傳感器控制風(fēng)機(jī)[3].風(fēng)管靜壓的設(shè)定值(主送風(fēng)管道末端最后一個(gè)支管前的靜壓)一般取250-375Pa之間[4][5].控制管道靜壓的好處是有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并排除各末端裝置在調(diào)節(jié)過程中的相互影響。但很顯然,保持系統(tǒng)靜壓維持在設(shè)定值不變,是以消耗風(fēng)機(jī)動力為代價(jià)的。控制管道靜壓的VAV系統(tǒng)與CAV相比是節(jié)能的,但它的風(fēng)機(jī)動力消耗仍很可觀。4 TRAV VAV系統(tǒng)的一種新形式VAV系統(tǒng)的管道靜壓控制方法是歷史條件下發(fā)展起來的。其中管道靜壓和室內(nèi)溫度曾經(jīng)是(有的應(yīng)用甚至依然是)兩個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)節(jié)。為了充分發(fā)揮先進(jìn)的DDC和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所提供的可能性,美國作者T.B.Hartman在自己的著作中提出了TRAV的新概念[6]. TRAV(Terminal Regulated Air Volume,末端調(diào)節(jié)的變風(fēng)量系統(tǒng))和VAV一樣,也是一種變風(fēng)量系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)風(fēng)量來創(chuàng)造舒適環(huán)境。但TRAV不采用VAV中的靜壓調(diào)節(jié),而由末端裝置直接控制送風(fēng)機(jī)。TRAV基于末端裝置實(shí)時(shí)的風(fēng)量需求,采用先進(jìn)的控制軟件,實(shí)施對送風(fēng)機(jī)的控制。
T.B.Hartman在工程中實(shí)踐了這種TRAV系統(tǒng),并獲得了突出的節(jié)能效果。Honeywell公司宣布自己的產(chǎn)品支持TRAV控制[7][8].日本山武公司則把末端風(fēng)量控制與室內(nèi)參數(shù)設(shè)定值的修正結(jié)合起來,作為自己常規(guī)的VAV系統(tǒng)控制方法[9].5 TRAV的特點(diǎn)TRAV系統(tǒng)原理圖如圖2.圖中風(fēng)機(jī)出口處的靜壓傳感器是檢測用的,僅用于壓力上限控制并檢測設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。
TRAV系統(tǒng)和傳統(tǒng)的VAV系統(tǒng)的比較見表1.6 TRAV系統(tǒng)節(jié)能顯著在傳統(tǒng)的VAV系統(tǒng)里,當(dāng)負(fù)荷下降并導(dǎo)致流量減少時(shí),末端風(fēng)閥關(guān)小以節(jié)流,管道內(nèi)靜壓保持不變。而在TRAV系統(tǒng)中,在相同的情況下,末端風(fēng)閥保持打開,而管道靜壓降低。于是在相同的流量下,TRAV系統(tǒng)所要求的風(fēng)機(jī)功率要低得多。
從圖3可以看出,當(dāng)流量降為額定流量的50%時(shí),TRAV所要求的風(fēng)機(jī)功率已下降到額定功率的15%以下。7 TRAV要求精確設(shè)計(jì)TRAV是建筑在“高性能設(shè)計(jì)”(high-performance designs)和“集成控制”(integrated control)、“動態(tài)控制”(dynamic control)等概念的基礎(chǔ)上的。
所謂“動態(tài)控制”,是指有預(yù)測的、隨時(shí)間而變化的控制。就房間的熱狀態(tài)來說,它不要求時(shí)時(shí)熱平衡從而保持房間狀態(tài)于某一“點(diǎn)”,而是充分考慮各種熱因素的相互作用從而保持房間在某一個(gè)舒適范圍。
所謂“集成控制”,是指:設(shè)定點(diǎn)的計(jì)算和控制決定被安排在控制級以上進(jìn)行,控制器只是簡單地用于保持當(dāng)前的設(shè)定值。在高性能控制中不使用控制器的重新設(shè)定(controller resets)和串級控制器。這樣做的目的,是可以集中、統(tǒng)一地考慮與HVAC系統(tǒng)有關(guān)的各種因素,避免傳統(tǒng)方法中各分立模塊獨(dú)立運(yùn)行可能導(dǎo)致的相互沖突,而且有可能最大限度地利用自由冷源(熱源)和建筑物本身的蓄熱放熱作用。因此,集成控制將使系統(tǒng)更穩(wěn)定,而且更舒適、更節(jié)能。
粗放的估算方法很難適應(yīng)“高性能設(shè)計(jì)”。高性能設(shè)計(jì)要求精心地計(jì)算和分析各系統(tǒng)冷熱負(fù)荷和水力狀況的動態(tài)變化情況,并深入地了解設(shè)備產(chǎn)品、DDC控制器以及網(wǎng)絡(luò)特性,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和調(diào)試高舒適低能耗的系統(tǒng)。參考資料[1]施鑒諾,智能建筑中VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制和運(yùn)行,“信息與控制”,1998.2;[2]施鑒諾,智能建筑空調(diào)節(jié)能任重道遠(yuǎn),“智能建筑”No.7,1998.11[3]ASHRAE Application Handbook,1995[4]江善國,美國的空調(diào)程控節(jié)能系統(tǒng),暖通空調(diào),1997增刊;[5]孫寧譯,關(guān)于壓力無關(guān)型末端裝置的討論,“暖通空調(diào)”,1997No6;[6]TBHartman,Direct Digital Controls for HVAC Systems,McGraw-Hill,inc.1993;[7]Honeywell產(chǎn)品資料Excel10變風(fēng)量控制器;[8]Honeywell,建筑物自動化中的開放系統(tǒng),1997.11;[9]日本山武公司,VAV空調(diào)系統(tǒng)控制技術(shù)資料,1998.9.
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