采暖通风空气调节系统自动控制

1  建筑设备监控系统暖通空调控制的三层网络结构

1.1  确定控制系统和网络总体方案

（1）确定控制系统控制器、微控制器类型，如无特殊要求，选择DDC控制器。

（2）确定控制器、微控制器、智能输入输出模块的通信总线类型，优先考虑现场总线。

（3）根据图1规定的网络结构，建立三层网络，图中信息通道连接应予以明确。

         

图1 建筑设备监控系统网络结构图

1.2  控制器（可编程的通用控制器）

1.3  微控制器（嵌入式控制器，专用控制器）

1.4  变频器

1.5  执行器

1.6  传感器

（1.2～1.6略）

2  采暖通风及空气调节系统自动控制

2.1  新风机

新风机主要用于给风机盘管空调房间提供新风，也可以作为直流式空调系统的空调机。有两管制新风机和四管制新风机，有定风量新风机和变新风量新风机。

2.1.1 主要参数

风量（m ³ /h），水流量（L/s），盘管水压降（kPa），水管接管直径（mm），机外静压（Pa），见表1。

表1 新风机组典型产品数据（York-YSE）

         

2.1.2  控制内容

（1）新风阀连锁控制：风机启动，新风阀全开；风机停止，新风阀关闭。

（2）风机起停控制：时间程序或手动控制。

（3）空气过滤器堵塞报警。

（4）防冻开关报警和连锁控制：低于设定值5℃时，防冻开关动作，停止风机，关闭新风阀，热水阀全开，发出报警信号。

（5）送风温度显示及设定值控制：根据送风温度设定值（直流式空调机为室内温度设定值），比例积分连续调节冷水阀或热水阀开度，见表2 。

表2 新风机冷水热水调节阀控制的典型比例带和积分时间

         

（6）送风湿度显示及设定值控制：根据送风湿度设定值（直流式空调机为室内湿度设定值），开关控制加湿阀或比例积分控制连续调节加湿阀开度。

（7 ）CO ₂ 浓度控制：新风量可根据室内室外空气CO ₂ 浓度差决定。在变风量直流式空调机新风系统中，根据设在室内的CO ₂ 浓度变送器输出可连续调节变速新风风机速度，减少新风量输入以达到节能目的。国家标准《商场（店）书店卫生标准》GB9670-88规定的CO ₂  浓度为1500×10 ^-6 ，因此，室内CO ₂  浓度可设定为1500 ×10 ^-6 （0.15% ），城市的室外CO ₂  浓度约为300×10 ^-6 ～400×10 ^-6 ，根据表3 的数据，可以决定每人最少新风量为18m ³ /h（《采暖通风与空气调节设计规范》GB J-1997规定每人最少新风量为17m ³ /h，但正准备修改为20～30m ³ /h，此时，室内室外CO ₂ 平均浓度差允许值为700×10 ^-6 ）。

表3 CO ₂ 平均浓度差允许值与最小新风量

         

2.1.3  常规仪表选择要求

（1）四管制热水阀或冷水阀应按照最大空调冷热水流量分别计算流量系数，确定冷水和热水阀门口径，热水阀应选等百分比流量特性阀。

（2）两管制按照最大空调冷冻水流量计算流量系数，确定阀门口径，选用等百分比流量特性阀。

（3）蒸汽加湿阀有开关式和连续调节式两种，连续调节式根据蒸汽流量计算流量系数，确定阀门口径，蒸汽阀应选线性流量特性阀。

（4）封闭式空调水系统中，阀门执行器关断压力以空调水泵净扬程作为设计依据。

（5）送风温度检测宜采用风管式热电阻温度传感器，应使感温元件位于送风管道中心位置。热电阻宜采用IEC751 B级精度Pt1000铂电阻（0℃时1000Ω，二线制），允许偏差（0.30+0.005|t|）℃，式中t 为测量温度；要求精密测量时，可使用IEC751 A级精度Pt100 铂电阻（0℃时100Ω，三线制），允许偏差（0.15+0.002|t|）℃，式中t 为测量温度。

（6）当新风机用作直流式空调机时，温度传感器应该安装在室内，选用墙挂式温度传感器。宜采用热电阻温度传感器，热电阻宜采用IEC751 B级精度Pt1000 铂电阻（0℃时1000Ω，二线制），允许偏差（0.30+0.005|t|）℃，式中t 为测量温度；要求精密测量时，可使用IEC751 A 级精度Pt100 铂电阻（0℃时100Ω，三线制），允许偏差（0.15+0.002|t|)℃，式中t为测量温度；对于极精密测量可以使用特殊供货的1/3 IEC751 B级Pt100 铂电阻（0℃时100Ω，三线制），允许偏差（0.10+0.0017|t|）℃，式中t为测量温度。

（7）送风湿度检测宜采用风管式、输出为直流4～20mA或0～10V的电容湿度变送器，测量精度在相对湿度RH30%～70%时应为3% 。

（8）当新风机用作直流式空调机时，湿度变送器应该安装在室内，宜选用输出为直流4～20mA或0～10V的电容湿度变送器，测量精度在相对湿度RH30%～70% 时应为3%。

（9）当新风机用作直流式空调机时，CO ₂ 浓度变送器应该安装在室内，宜选用C O ₂ 浓度输入为0～2000×10 ^-6 、输出为直流4～20mA或0～10V的CO ₂ 浓度变送器，测量精度不低于2%。

2.2  风机盘管机组(FCU)

风机盘管机组是可与新风机配套使用的空调末端设备，包括空调水盘管系统和一台三速风机。

2.2.1  主要参数

（1）名义风量：标准状态（大气压101.3kPa，温度20℃，密度1.2kg/m ³ ）时的风量（m ³ /h ）。

（2）名义供冷量：规定工况下的总除热量（显热及潜热），单位W 或kW 。

（3）名义供热量：规定工况下的总显热量，单位W或kW，见表4 。

表4 国家标准《风机盘管机组》JB/T4283-91

         

2.2.2  控制内容

（1）风机盘管机组一般由开关式温度控制器自动控制电动水阀通断，手动三速开关控制风机的高、中、低三种风速转换；风机启停与电动水阀连锁，两管制冬夏均运行的风机盘管设手动控制冬夏切换开关。通常，温度控制器与三速开关、冬夏切换开关制作成为一个整体。

（2）风机盘管机组微控制器是专用控制器，可以提供四管制的热水阀、冷冻水阀连续调节控制和风机三速控制，冬夏自动切换（两管制）微控制器提供以太网或现场总线通信接口，构成现场网络层，是开放式系统，中央工作站能够进行集中监控，最大限度节约能耗。

2.3  空调机

空调机是集中空调系统，在运行中，使用一部分回风，为了人员卫生条件，又必须采用一定量的新风。空调机有定风量空调机和变风量空调机，有两管制空调机和四管制空调机。

2.3.1  主要参数

风量（m ³ /h ）、水流量（L/s）、盘管水压降（kPa）、水管接管直径（mm）、机外余压（Pa），见表5。

表5 空调风机组典型产品数据（York）

         

2.3.2  控制内容

（1）新风阀连锁控制：风机启动，新风阀全开；风机停止，新风阀关闭。

（2）新风阀最小开度控制：根据不少于人员所需新风量以及补偿排风和保持室内正压所需风量两项中的较大值作为系统最少新风量，或保持室内空气CO ₂ 浓度在设定值范围，使新风阀保持最小开度。

（3）焓值控制（新风阀开度控制）：对新风和回风进行焓值计算，自动选择空气来源（新风、回风或者二者按合理比例混风），使流进冷却盘管的热负荷最小，是焓值控制的目的。当室外空气焓值小于室内空气焓值，同时，室外空气干球温度小于室内干球温度，此时，新风阀保持全开控制（夏季至冬季的过渡季节），或新风阀保持变新风比开度控制（冬季至夏季的过渡季节），以达到最大限度使用新风作为冷源。

（4）新风阀、回风阀连锁控制：二者开度之和保持100%。

（5）风机启停控制：时间程序或手动控制。

（6）空气过滤器堵塞报警。

（7）防冻开关报警和连锁控制：低于设定值5℃时，防冻开关动作，停止风机，关闭新风阀，热水阀全开，发出报警信号。

（8）回风（或室内）温度显示及设定值控制：根据回风（或室内）温度设定值，比例积分连续调节冷水阀或热水阀开度，见表6。

表6 空调机冷水热水调节阀控制的典型比例带和积分时间

         

（9）回风（或室内）湿度显示及设定值控制：根据送风湿度设定值，控制加湿阀开关或连续调节加湿阀开度。

（10）当单回路调节不能满足系统控制要求时，宜采用双回路串级调节系统，主回路以回风温度为主参数构成主环，副回路以送风温度为副参数构成副环，以主参数回风温度重调副参数送风温度设定点，提高控制系统调节品质，满足精密空调要求。

（11）采用变速风机的变风量空调机组，送风量的控制有以下三种方法：

定静压控制法：根据送风静压设定值控制变速风机转速。静压传感器可以安装在风机出口位置、距送风机出口67%送风管道位置或送风管道倒数第二个（VAV Box）的位置，由系统调试单位决定。

变静压法：尽可能使送风管道静压值处于最小状态，但所有变风量末端箱的风阀开度均应处于85%～99%之间，见表7。

表7 变静压控制策略

         

风量法：以所有变风量末端箱实时风量之和，跟踪风机转速，改变送风量。

注1：国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005“条文说明”5.5.7 对变风量空调系统有以下说明：变风量采用风机变速是最节能的方式。尽管风机变速的做法投资有一定的增加，但对于采用变风量系统的工程而言，这点投资应该是有保证的，其节能带来的效益能够较快地回收投资。风机变速采用的方法有定静压法、变静压法和总风量控制法。第一种方法的控制最简单，运行最稳定，但节能效果不如后两种；第二种方法是最节能的，但需要较强的技术和控制软件的支持；第三种介于第一、第二种之间。就一般情况来说，采用第一种方法已经能够节省较大的能源。但如果为了进一步节能，在经过充分论证控制方案和技术可靠时，可采用变静压模式。

注2：变频器VFD（Variable Frequency Drive）是交流笼式感应电动机调节速度和转矩的重要设备，尤其在建筑设备应用方面，对水泵和风机类平方率负载的调速控制，可以节能达到速度变化三次方的比率，即电动机速度降低一半，电能可以节约1-0.53 =1-0.125= 87.5%（当自动控制系统采用使水泵或风机的管路阻力始终处于最小状态的控制方法时，即所谓变水量空调系统水泵变水阻力控制或变风量空调系统风机变静压控制，实际节能效果将接近这个理论计算结果。

（12）变风量系统中为保持最小新风量，应配合空调专业，采取相应自动控制措施：增加新风流量计、连续控制空调机新风阀开度，增加专用定风量新风机维持最小新风量，等等。

（13）CO ₂ 浓度控制：新风量可根据室内室外空气CO ₂ 浓度差决定，根据设在室内的CO ₂ 浓度变送器输出可连续调节新风风阀开度，减少新风量输入以达到节能目的。国家标准《商场（店）书店卫生标准》GB 9670-88 规定的CO ₂  浓度为1500PPM，因此，室内CO ₂  浓度可设定为1500×10 ^-6 （0.15%），城市的室外CO ₂ 浓度约为300PPM～400PPM，根据表3 的数据，可以决定每人最小新风量为18m ³ /h（《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ-1997 规定每人最小新风量为17m ³ /h，但正准备修改为20～30m ³ /h，此时，室内室外CO ₂ 平均浓度差允许值为700×10 ^-6 ）。

（14）洁净室内压力控制：通常调节送、回（排）风量，使洁净室维持一定的正压；不同等级的洁净室之间的压差，应不小于5Pa，洁净区与室外的压差，应不小于10Pa（《洁净厂房设计规范》GB50073-2001 6.2.2）。

（15）医院洁净手术部各类洁净用房室内压力控制：通常调节送、回（排）风量使洁净用房维持一定的正压；相互连通的不相同洁净度级别的洁净室之间，洁净度高的用房应对洁净度低的用房保持相对正压，最大静压差不应大于30Pa；医院洁净手术部对其相通的非洁净区应保持不小于10Pa的正压；对室外或与室外直接相通的区域应保持不小于15Pa的正压（《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2002 4.0.2）。

2.3.3  仪表选择要求

（1）四管制空调机，热水阀或冷水阀应按照最大空调冷热水流量分别计算流量系数，确定冷水和热水阀门口径，热水阀应选等百分比流量特性阀。

（2）两管制空调机，按照最大空调冷冻水流量计算流量系数，确定阀门口径，选用等百分比流量特性阀。

（3）蒸汽加湿阀有开关式和连续调节式两种，连续调节式根据蒸汽流量计算流量系数，确定阀门口径；蒸汽阀应选线性流量特性阀。

（4）封闭式空调水系统中，阀门执行器关断压力以空调水泵净扬程作为设计依据。

（5）回风温度检测宜采用风管式热电阻温度传感器，应使感温元件位于送风管道中心位置。热电阻宜采用IEC751 B 级精度Pt1000 铂电阻（0℃时1000Ω，二线制），允许偏差（0.30+0.005|t|）℃，式中t 为测量温度；要求精密测量时，可使用IEC751 A级精度Pt100 铂电阻（0℃时100Ω，三线制），允许偏差（0.15+0.002|t|）℃，式中t为测量温度；对于极精密测量可以使用特殊供货的1/3 IEC751 B级Pt100 铂电阻（0℃时100Ω，三线制），允许偏差（0.10+0.0017|t|）℃，式中t 为测量温度。

（6）室内温度检测，温度传感器应该安装在室内气流稳定的地方，选用墙挂式温度传感器。宜采用热电阻温度传感器，热电阻宜采用IEC751B 级精度Pt1000 铂电阻（0℃时1000Ω，二线制），允许偏差（0.30+0.005|t|）℃，式中t 为测量温度；要求精密测量时，可使用IEC751 A 级精度Pt100 铂电阻（0℃时100 Ω，三线制），允许偏差（0.15+0.002|t|）℃，式中t 为测量温度；对于极精密测量可以使用特殊供货的1/3 IEC751 B 级Pt100 铂电阻（0℃时100Ω，三线制），允许偏差（0.10+0.0017|t|）℃，式中t 为测量温度。

（7）回风湿度检测宜采用风管式、输出为直流4～20mA或0～10V的电容湿度变送器，测量精度在相对湿度RH30%～70%时应为3%。

（8）室内湿度检测，湿度变送器应该安装在室内气流稳定的地方，宜选用输出为直流4～20mA或0～10V 的电容湿度变送器，测量精度在相对湿度R H 3 0%～70% 时应为3% 。

（9）回风管道CO ₂ 浓度检测，宜选用CO ₂ 浓度输入为0～2000×10 ^-6 （0～3.6g/m ³ ）、输出为直流4～20mA或0～10V的风道式CO ₂ 浓度变送器，测量精度不低于2%。

（10）室内CO ₂  浓度检测，宜选用CO ₂ 浓度输入为0～2000×10 ^-6 、输出为直流4～20mA或0～10V的墙挂式CO ² 浓度变送器，测量精度不低于2% 。

（11）室内室外压差检测，宜选用输入为0～±25Pa、输出为直流4～20mA或0～10V墙挂式微差压变送器，测量精度不低于±1%。

2.4  变风量末端箱

2.4.1  概述

（1）分类：分单风道型、双风道型、风机动力型、变频风机型，根据控制原理可分为与送风压力有关型和与送风压力无关型，见图2、图3。

         

图2 压力有关型变风量末端箱

         

图3 压力无关型变风量末端箱

（2）基本结构：包括箱体、风系统调节阀门、风速传感器、热水盘管、电热盘管、串联或并联风机、控制器（通常均配置一体化DDC控制器）。变风量末端箱选择参考见表8。

表8 变风量末端箱选择参考

         

（3）风量末端箱选型步骤

◆ 确定房间送风量：根据房间的冷热负荷、设定温度和所要求的送风温度，计算房间送风量；

◆ 确定机组型号：送风量大于房间所需送风量；

◆ 确定再热盘管：电热盘管或热水盘管；

◆ 估算机外余压：按下游侧管网的不同情况，估算组成末端的低速空气分布系统所需的机外静压值；

◆ 确定进口静压：一次风管网所需静压与一次风风阀所需最小静压之和，通常最大进口静压为500～750Pa。

（4）风量末端箱控制要点

◆ 常变风量末端箱风量少于等于6800m ³ /h，为提高控制系统稳定性，进风口管道内最小流速应大于1.8m/s，但应小于15m/s，以减少风管压力损失和减少噪声；

◆ 系统主风机的标准工况点，使系统总风量处于最大负荷的60%～80%，系统最小风量，应满足控制室内相对湿度、最小新风和气流组织的要求；也可按房间最大风量30% ～40% 选取，不能追求节能减少总风量，因为风量越少，节能效果越不显著，容易引起风机不稳定；

◆ 系统压力：是保证低噪声、较精确的流量调节和节能的最有效方法；

◆ 加热方式：为避免气流分层现象，出风温度应小于8.4℃，以使顶棚气流分布不影响居住者舒适。

（5）典型变风量末端箱产品见表9。

表9 典型变风量末端箱产品

         

2.4.2  控制内容

（1）毕托管：测量风道内空气全压值与静压值之差，由微控制器（专用控制器）进行开平方运算，可求出空气流速；用空气流速乘以风道截面积，即可得到变风量末端箱的实时风量（也可以使用超声波流量计，直接测量变风量末端箱的实时风量）。

（2）微控制器已经内置所有关于变风量末端箱控制的应用程序，通常通过工程应用编程软件即可完成全部控制应用。

2.4.3  常规仪表选择

（1）毕托管通常已经由变风量末端箱的供应商整体式安装在箱内，提供有全压和静压的引出软管，使用时，接在微控制器上的接口即可；测量精度5%。

（2）超声波流量计精度5%。

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