VAV空调系统全面数字化控制理论（TDC）

【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 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 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。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 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，m3/h；Q为喷嘴等标定设备实测一次风量，m3/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，m3/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L0(L0=∑Gi-run)与设计最大风量QMAX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，QMAX)的函数关系；

2：计算VAV BOX末端某一时刻所测风量之和L0(L0=∑Gi-run)；

3：根据L0/QMAX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f0和△f。

3.2.3：预测转速f0的确定

理论上f0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f0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=8500m3/h，落在35-40Hz分频区内，我们就可以确定f0=35Hz。

3.2.4：步长法—修正转速△f的确定方法之一

从f0的确定我们可以看出，f0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= f0+△f

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

则：△f=0 f= f0+△f

若： （∑Gi-demand-∑Gi-run）/∑Gi-run＜-1%

则：△f=-1 f= f0+△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）*△f0

则：f= f0+△f

3.3：高级控制策略——模糊控制与神经 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 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；