全空气空调系统自控与节能

如何既能满足人们的舒适与健康性要求，又最大限度地节省能源，是空调业人士孜孜以求的目标。在我们过去的设计中，通常采用根据室内参数调节冷（热）媒流量的方式，达到室内需要的温湿度，满足人们一定的舒适性要求。负荷侧水系统的变流量方式为冷源侧水系统的运行调节提供了一种调节方式，但其本身并不是节能的主要手段。因为定流量系统也可以通过负荷计算，使主机根据需要在部分负荷下运行，达到节能，变流量水系统仅对二级泵水系统的负荷侧水泵的调节提供了条件，还远不能满足节能的需要。

商场、餐厅、会议室等大空间的空调一般采用全空气空调系统，这类建筑冷负荷大，是空调中的耗能大户，具有很大的节能潜力。以下就某一多功能宴会厅的空调设计做一探讨。

1、负荷特点及能耗分析

1.1 负荷特点

多功能宴会厅面积700m²，舒适性要求较高，室内设计温度为夏季25℃，冬季23℃；室内设计相对湿度为夏季≤60%，冬季≥40%；设计客流量为500人，其设计负荷见下表：

表1

当客流量减少时，以减少50%为例，其负荷变化如下：

表2

当季节变化时，如过渡季的典型情况，围护结构负荷、新风负荷接近为0，其负荷情况（设计客流量下）如下：

表3

由以上三表可以看出，多功能宴会厅冷热负荷有以下特点：

（1）围护结构冷热负荷很小，新风负荷、人体负荷较大，分别占约50%和30%。

（2）随客流量变化，冷热负荷变化很大。

（3）冬季虽然负荷为热负荷，但在设计客流量下室内负荷为冷负荷，说明送风温度应低于室内温度，当客流量低于设计条件的某一比例时，室内负荷转为热负荷，需送热风。

1.2 综合能耗分析

空调系统总能耗除由负荷引起的能耗外（主要体现在制冷机电能或热能消耗上），还包括冷热媒输配电能消耗（水泵和风机）。冷却水系统能耗在此不做讨论，就本工程而言，制冷机、循环水泵、空调风机能耗如下：

表4

由表4看出，对于全空气空调系统而言，其风机的能耗占有相当大的比例。

根据负荷特点和能耗分析，从自动控制角度来讲，全空气空调系统节能途径主要有以下三个：

（1）减少负荷，节约制冷机电耗。

a、根据客流量变化，随时调节新风量，将新风调至满足需要的最小量。

b、根据季节变化，充分利用自然冷源，过渡季利用室外新风。

c、制冷系统根据负荷大小自控运行（本文不做讨论）。

（2）减少冷热媒输送能耗，对于设二级泵的空调水系统，负荷侧水系统水泵变频调速运行。

（3）减少风系统风机能耗，根据需要变频调节风机风量。这是空调系统末端设备节能的主要途径。

2、自控数学模型的建立

2.1 空调系统的要求

（1）考虑过渡季全新风的可能及新风量变化的要求，采用双风机系统。

（2）送、回风机采用变频调速风机。

（3）水系统设电动二通阀，水流量自动调节。

（4）新、回风阀为电动调节阀，调节新回风比。

2.2 自控数字模型

（1）根据室内温度信号控制风机转速，根据室内湿度控制加湿量。

本人曾偿试在通常变水流量自控的基础上将风机改为双速或多速风机，手动控制，可以达到一定的节能效果，但这种方式劳动强度大，可操作性差，后决定采用变风量系统。对于多房间的变风量系统，一般采用变风量末端装置，室温由变风量末端装置调节，空调风量根据送风管压力变化信号变频调节。由于变频的目的是为了在保证室内设计温度的前提下减少送风量，对于单一房间来说，室内温度信号（回风温度）自然可以成为变频调节器的动作依据。利用温度信号直接控制风机转速可以看作一种简化的变风量系统。

（2）根据空调器出风温度控制二通阀开度。

在这种控制模型里，二通阀的主要目的是为了根据负荷需要调节冷热媒流量，以保证不同末端在系统总流量变化时的不同需要，并为二级泵运行及一级泵系统阶段式的流量调节创造条件。由于风量随负荷变化而变化，出风温度设定为一个定值是可行的，用出风温度做为二通阀的调节依据是可靠的。

（3）以CO₂浓度做为调节新风量的依据。

CO₂浓度虽然不能完全反映室内空气的污染程度，但在现阶段我国国情下，以CO₂浓度做为调节新风量的依据是合理的，考虑到其它污染的存在，如装修污染等，可以将CO₂浓度的控制标准适当提高。

新风量大小由新回风阀开启比例来调节。

2.3 空调系统自控原理图

空调系统的自动控制是一个非常复杂的工作，除以上需要调节的参数外，还包括很多运行管理方面的自动控制和自动检测，本文不做讨论。以下为自控原理简图：

3、存在的问题及看法

3.1 新回风固定比例是否可行

由于风阀控制较困难，许多人不愿意控制新风阀，一种说法认为，客流量越大，负荷越大，总送风量和新风量相应增大，可以固定新回风比例。在夏季设计条件下客流量与新风量成正比关系，客流量与总风量接近正比关系，固定新风比例对新风量影响较小。但随着室外气象条件的变化，如当室内负荷为热负荷时，热负荷的变化与客流量的变化呈相反的趋势，随着客流量增加，室内热负荷减小，总风量相应减少，造成新风量不足。

3.2 如何保证最小新风量

（1）为保证稀释建筑材料等其它污染源散发的有害物及维持室内正压，空调系统应保证最小新风量，这可以通过限定变频器的最小频率以及限定新风阀的最小开度来实现。当风机在设定的最小频率下工作时，送风量不能再减少，自控系统应自动切换，由二通阀调节水量来控制室温；当二通阀全开时，再切换至风量控制。

（2）冬季当客流量较大时，室内热负荷减小，如果根据室温调节风量，送风量可能很小，即使新风阀全开，也不能保证新风量需要。这就要求新风阀设限位开关，当其达全开状态时，说明总风量太小，不能满足新风量要求，需将CO₂浓度信号自动切换控制风机，加大风量。

3.3 如何做到制冷机节能与风机节能的统一

在过渡季，室外温度低于室温，充分利用自然能源是有效节能的重要方式，此时在最大新风状态下利用自然能源最充分。但此时风机电耗处于最大状态，是按小风量运行（开制冷机）还是按最大风量运行就有个经济比较的问题。本人在这方面没有经验，希望与大家共同探讨。

3.4 加强自动控制的同时，势必增加一次性投资，消耗一次能源，总体是否节能，节多少能，应经过经济比较方可确定。

3.5 不必要时，尽量避免采用全空气系统。

4、结语

空调自动控制能较大程度地提高建筑环境的舒适度，最大限度地节约能源。随着自控技术的发展以及自控设备价格的降低，自动控制将更广泛地应用于空调行业。

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