变风量控制系统性能验证方法清华大学

EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.变风量控制系统性能验证方法研究清华大学韩铮夏春海朱颖心日本株式会社山武徐国海摘要：近年来commissioning在建筑节能改造方面得到了广泛的重视和应用，它帮助设计者和户主实现HVAC系统的设计目的，并提高系统运行效率。由于VAV控制系统具有巨大节能潜力但同时又比较复杂，其性能验证成为commissioning研究的重点也是难点。已有众多学者开展了关于VAV系统commissioning的研究。本文在大量实践的基础上提出适合VAV控制系统性能验证的目标控制法（objectivecontrolmethod，OCM）。此方法从末端运行效果入手，通过逐步的诊断和分析，最终找到运行故障症结。作者以北京发展大厦变风量系统为例，利用OCM法对其2005运行问题做出诊断，验证了该方法的可行性，同时在实例分析的基础上对控制系统hunting问题的原因做出了分析。该案例作为国内较为全面完整的commissioning实例，其结论和经验将对国内commissioning的发展发挥积极的作用。关键词：VAV控制系统性能验证，OCM，Hunting引言20世纪70年代，美国和英国开始开展建筑性能验证（BuildingCommissioning）的实践。Cx是指通过诊断、调试和改造等方法确保建筑性能满足业主和用户的需求并提供完整的技术文档的过程，其保证全生命周期内建筑在能源消耗、室内环境质量、对周围环境的影响、建筑设备系统的维护管理等方面都保持较优的运行和使用状况REF_Ref113954145\r\h[1]。变风量（VAV）系统是空调系统中的一种重要的组成形式，它具有很大的节能潜力，同时也具有复杂的控制系统和繁杂的设备构成。因此对VAV系统的实际运行效果分析及故障诊断是空调系统Cx十分重要的组成部分。国内外许多学者研究了HVAC系统故障诊断[2][3]，但是由于空调形式的多样性和系统的复杂性，这些方法在实用性上有所欠缺。在VAV系统故障诊断领域，有些学者直接针对VAV系统主要设备（如AHU，风机，水泵等）的故障诊断进行研究[4][5]。在完整的VAV系统运行诊断领域，日本及香港的HarunoriYoshida和JianyingQin学者研究的计算机模拟程序可以诊断出VAV系统常见的几种传感器、监测器的错误[6][7]。VAV系统故障可能来自以下几方面原因：系统设计选型问题、设备失灵、传感器故障、信号传输故障、控制系统策略问题等。已有的VAV系统性能验证的研究通常是在大量监测数据的基础上，通过计算机程序模拟诊断传感器故障等问题，关于如何在运行阶段诊断控制系统策略和系统设计选型问题的研究却较少见。本文则在长期commissioning实践的基础上，重点分析如何在运行阶段通过对控制系统运行效果的评价，进而对系统设计选型问题、设备失灵问题、控制系统失灵或信号传输错误等问题做出诊断，并提出目标控制法（objectivecontrolmethod，OCM），从而实现对VAV控制系统全面系统的commissioning。VAV系统运行性能验证的OCM法对VAV系统的commissioning是一个循序渐进的过程，它包括对控制系统运行性能的评价，室内热环境状况的评价，能耗状况分析等内容（如REF_Ref131170517\h图1图1所示）。首先需要确认VAV控制系统能否按照设计目标运行，如果目标控制较好则对室内舒适性进行评价（因为末端传感器实测温度能满足设计要求，并不能完全说明室内热环境状况较好），如果目标控制不好则利用OCM法对VAV控制系统进行诊断，找出症结所在。最后分析此VAV系统的耗能状况和节能潜力。图SEQ图表\*ARABIC1VAV系统控制系统诊断图图SEQ图表\*ARABIC22压力无关型末端VAV控制系统的OCM诊断流程本文重点研究用于VAV控制系统诊断的OCM法，该方法的前提是控制系统测试、记录和采集的数据无误，即传感器故障的问题已经解决。所谓OCM法是指以VAV控制系统的控制目标作为判断依据，根据控制目标实现与否进入下级控制目标的判断分析，在经过多级控制目标判断分析后最终找到问题症结。以压力无关型末端VAV控制系统为例，其OCM分析逻辑图如REF_Ref130994996\h图2图2所示。压力无关型VAV控制系统从末端温度控制情况入手，当末端温度不满足时则进入OCM诊断方法。通过对第一级目标“末端风量满足”满足与否进行判断，进而判断“要求风量达到最大（小）”或“风阀开度达到最大（小）”，前者可能存在的原因有系统振荡、末端选型片小、同一末端负责不同区域、AHU水量供应不足、末端需求风量设定不对、送风温度控制问题等，而后者可能存在的原因有风机选型不合理、风道阻力过大（风道阻塞、风道设计不合理等）、系统振荡（导致系统震荡的原因比较复杂，将在实例中进一步分析）、风机转速控制策略不当、风阀调节失灵等。由上述两类问题可知，尽管从现象上看是控制系统不能满足要求或者说控制目标没有实现（末端实测温度控制在设定温度附近），但从导致该现象的原因看却并非全是控制系统的原因，还包括设计的问题和VAV系统本身存在的弊端（比如各末端负荷要求不一致时产生的振荡现象），利用OCM方法可以分清问题的实质，为后续的改进措施指明方向。对于设备失灵、风道阻塞等问题可以立即查找原因进行故障清除；对于末端选型不合理、风机选型不合理等问题则需要结合能耗分析判断其问题的严重性从而决定是否更换设备；对于信号传输问题则需要检查控制设备并作相应维修，对于控制策略的问题，则需要经过一段时间的连续监控分析后，确定控制策略改进的方案；对于水量供应不足的问题，则需要对水系统进行进一步的OCM分析；对于系统振荡（Hunting）、同一末端负责不同区域等问题，则在短期内并不能很好解决，只能通过一定措施降低其影响程度。 实例分析下面通过一个实际案例介绍OCM的应用方法。同时对系统Hunting问题的原因进行分析。发展大厦简介北京发展大厦（REF_Ref130991232\h图3图3）是于八十年代兴建的一幢规格较高的写字楼，建筑面积54490m2，高80m，地上20层，地下2层，其中3层到21层为标准办公层（无13层）。标准层东南房间进深为9.05米，西向和北向房间进深均为11.85米，划分为A、B两个大区，每个大区又划分为三个小区（REF_Ref130991805\h图4图4）。末端为VAV系统，压力无关型末端，散流器送风口，利用日本山武公司的变风量自控系统。棉图辛SEQ磁允图银表破\*AR心ABIC由壤3乎3刷伴北京发展大厦串外观图夕图千SEQ妙棋图炎表早\*AR凉ABIC验颈4鸭4漂令发展大厦空调促分区图发展大厦VAV系统控制方法发展大厦为压力无关型变风量系统。其变风量控制系统主要由VAV末端控制环节、VAV集中管理单元、空调箱控制环节和中央监视器四个环节构成（REF_Ref130991945\h图5图5）。下面简单介绍其核心控制策略。么VA魂V狸末端控制：一惨个区域（空调愈箱）连接若干壤个带风量、温锣度传感器莲的雪VA院V骆末端。根据其抖负责分区的室阀温偏差调节风丛阀开度，从而简追随实际空调绑负荷来确定即殊刻送风锅量谋,蚁再将各末端的蚀即刻风量和末皮端控制状态信残号传递给集中肯管理单元；集密中管理单元计欺算出需求总风荐量后将此信号夫送至空调箱控肆制器；空调箱锹控制器根据需碗求总风量确定道风机转速。治风机修正：当王有一个末端处圣于利“捧静压不押足林”豆状态时，风机饲转速适当增大篮；当所有末端丝处话于属“围静压过掉剩乌”厕状态时，风机两转速适当减小汽；其他情况风厕机转速不做修旦正。辜变送风温度：扛如果即使运行蝇最小风量室温也仍然偏低／远高隔,晃送风温粪度将(Road段reset)运绢控制将根据由误末端控制器提码供的忍各壶VA括V赔末端所负担分理区的空调状缓态欢,胆通过集中管理吩单元计算和判盐断并把空调状鸦态信号传给空页调箱控制器。经空调箱控制器立重新计算并确笋定适当的送风您温度工值催,故师即提高／降低狂送风温度设定扭值，通过控制环水侧电动阀开邻度确保实测送页风温度满足设李定值要求。室内温度传感器室内温度传感器VAV末端控制VAV集中管理单元空调箱控制中央监视器放图SEQ图表\*ARABIC房5嘱5敞变风量控制环宣节图上OC讯M搏应如用幅—牢—咏控制效果评价水以及B1叠2拜东南外区过渡饥季运行工况为猾例，此区域共轰连宪接尸2赤个爪VA胀V假末端。取正常认工作宰日脱8:0过0烦～荐18:0箩0栗的数据，计算鬼室内设定温度逼与传感器测试纤温度之间偏差胆的平均值绢以及设定风量葛与实测风量的毙偏差平均值膊，结果如REF_Ref130993651\h遭\*M族ERGEFO蛮RMAT苗表怒1耗表奥1缺所示。趟表SEQ表格\*ARABIC摸1买B1州2许东南外区过渡蜂季控制性能汇宋总谊过渡纺季渡(5.袜1常～雅5.31)教VAV16吃VAV17桥设定温品度饺(料℃咐)露25.5予25.5羊温度偏五差唉(伸℃选)楼1.4义0.1烈风量偏寇差丢(鸭×100%)依0.01呜0.02词由REF_Ref130993651\h耍\*M期ERGEFO词RMAT女表恐1霉表串1胀可滩得亲VAV1森6趣平均温度偏差滑达胆到伟1.键4路度，不满足控威制要求，因此炕进岛入扯VA辈V逝控制系统迅的撇OC序M弓诊断方法。右图SEQ图表\*ARABIC择6把6竞VAV1缘6界过渡挠季化VA做V跪控制系鼻统厚OC估M仓诊断流程唐第一步：末端肃风量满足劫根据REF_Ref130993651\h榨\*M拦ERGEFO喝RMAT煌表解1眼表书1救，耍VAV1改6袜风量平均偏差泻只腐有查1烂%搞，即末端风量木能够满足要求称。横第二步：要求魔风量常达到最吓大（小）丰由REF_Ref130993765\h波图航7跌图编7对可得窝，熄5需月犹VAV1沫6漆有浊75壮%巴时间需求风量绣为最大值，可罪见腐“战要求风量常达变到最残大垮”上。读图SEQ图表\*ARABIC剖7系7絮泽5滔月裕份震VAV1校6竟要求风量百分辩比累计图定第三步：要求叉风量来回震动葡从典型午日燃VAV1稠6悟风量参数变化钟图（REF_Ref130993951\h话\*M毙ERGEFO抱RMAT好图诉8司图东8昏）可得，锣当航VAV1钥6提室内温度不满洪足的时候设定亲送风量一直维河持在最大值，舰该步判断结果厨为界“耐否示”刊。亏图SEQ图表\*ARABIC夕8供8涉葬5鄙月待2财0粒日补VAV1秃6取末端参数变化兼情况图甚第四步：送风俘温度相应变化丈且满足设定值夏从REF_Ref130994051\h抵\*M宇ERGEFO稳RMAT柱图层9度图迫9使可以看出此时渗供冷量不足，哄设定送风温度迎已经降低且达许到颈1隙2惧度，而实际送顺风温度不能达恶到，平均沾高壶3嚷度，因此该步弦判断结果画为赴“糖否族”板。狮AH箭U坡水量不足是造册成其温度不满懂足的原因。初图SEQ图表\*ARABIC食9普9闹摆5言月逐2纷0谷日东B1涂2厨送风温度满足勒情手况愿住第五步：是否跨存在温度传感本器位置放置问委题：是。训查看末端的位搜置及传感器位犁置（REF_Ref128144270\h治\*M工ERGEFO跟RMAT色图唯10景图恐10翅）发牙现饮VAV1海7弹的传感器位于姓单独隔开的小爆房间，乳而晕VAV1坊6环则位于大开间卵无隔断的办公饭间。设计的最适初意图是考爽虑玻VAV1访7酬同时负责大办乘公间部分区域态负荷和小办公杀间负荷，并且僚优先保证小办风公间的室内温服度。但由于小鲜办公间的负荷护较小，往往在睛小办公间满足客要求时，大办顷公间还未能满倡足要求，但此灌时晓VAV1甚7恭的送风量开始陪减小（中谦午喷1袋2恼点以后），帅其渴VAV1也7帐对大办公间的忆贡献较小，导床致大办公间的见负荷大部分均鹰由桃VAV1踢6非承担，表现便为各VAV1纱6围出力不够导致竹室内偏热。虫图SEQ图表\*ARABIC固10美10通B12背VAV1卸6骗，招VAV1与7腹传感器位置图残诊断结果挺：诵1.AH膝U刃水量不足葛；弟2.多阿传感器位置不闭具代表性。抹OC勒M滚应垦用破——枪H习untin奴g冻分析炉Hunti蓄n舞g形问题蹈是盏VA蜜V估系统中普遍存臂在的问题，作蹈者葡在港OC附M免分析中将其列感为系统问题（REF_Ref130994996\h毛\*M墓ERGEFO盲RMAT承图射2删图油2舅）。本文遭以朴B1电0稼冬季运行状况胆为例，利派用岛OC赤M屈方法简单讨论后出很现葡Huntin沙g贯问题的原因。苏此空调箱共连料接林6如个盆VA录V府末端。取冬季柱典型工作完日贵8:0僚0担～馒18:0百0导的数据，统计因温度、风量满念足情况如REF_Ref131249539\h哈\*M片ERGEFO练RMAT混表给2想表亿2蛙所示：支表SEQ表格\*ARABIC鹰2嗽2乐B10变顽内区冬季典型系日控制性能汇灿总宵强VAV12哈VAV13幼VAV18叫VAV19鞠VAV20良VAV21员设定温惭度蜂(管℃味)虑25座25轨25某25刷25动25当温度偏涂差莫(继℃色)庆0.0应0.0然-0.8吗0.5散0.5兰0.5良风量偏您差史(狱×100%)驼0.02钢0.01饼0.04伙0.02府0.02享0.02舌由REF_Ref131249539\h树\*M若ERGEFO贡RMAT通表晓2煌表挂2炼可悼得梳VAV1仙8之平均温度偏差赛达队到塌-0.档8授度，不满足控颗制要求，因此雄进鲁入铃VA边V愉控制系统统的秩OC映M才诊断方法。紧图SEQ图表\*ARABIC殖11奇11茫VAV1暮6奉过渡属季鼻VA让V观控制系芹统沈OC丘M映诊断流程疗第一步：末端悠风量满足非根据REF_Ref131249539\h故\*M流ERGEFO胜RMAT轰表漏2跨表讨2栗，耍VAV1杂8闹风量平均偏差阿只险有板4却%质，即末端风量刊能够满足要求涝。相第二步：要求留风量常达到最辅大（小）匪由REF_Ref131258998\h侨\*M劈ERGEFO舒RMAT疯图旋12忆图微12惑可得蜡，储1求2瞒月网VAV1专6拐有交50窜%粗时间要求风量浅为最小值，可助见冲“虚要求风量常达印到最在小淡”所。坚图SEQ图表\*ARABIC斥12狼12掀1那2烤月女份吵VAV1枝6萌要求风量百分趣比累计图芒第三步：要求摄风量来回震动价从典型套日法VAV1笼8君风量参数变化氧图（REF_Ref130993951\h幸\*M共ERGEFO纹RMAT芹图旁8卷图混8蔑）可以看出要姓求风量来回震席动，该步判断详结果娇为迅“蔑是娇”魄。即系统存惜在彩Huntin超g乓问题。韵图SEQ图表\*ARABIC煮13丸13没馆1悦月术2耻6贞日顶VAV1临6尊末端参数变化陷情况图袭诊断结果岔：兔1.Hun版tin咸g学问题。赏Huntin塞g半问题原因分析循：称B1钳0醋当冶日害AH单U岭控制情况如REF_Ref130995050\h鞋\*M泥ERGEFO球RMAT腥图絮14厚图站14骤所示，整日送乓风温度烘在货2洗2朽～笔2萍8豆℃睬之间波动，同至时各个末端设神定温度均砍为鸣2遭5始℃午。当日所有末揪端几乎都在最巴小风量附近变裁化，因此需要啄改变送风温度挤，当处于供冷缠状态时，有的丽末端温度低于碎设定温度，因铜此需要提高送衫风温度；当高栋于脑2皮5亡℃秀，处于供热状明态时，有的末引端又偏热需要疗降低送风温度杏，于是送风温领度降低；直到叼低于室内设定锦温度又出现反塔复。如此反复伟，导致当日风拐机转速、水阀勾开度和末端阀蓬门开度均出现庭不稳定动作。叛即所谓皮的植Huntin沫g什问题。置图SEQ图表\*ARABIC贞14对14筐较1愿月表2诊6公日出B10AH距U念参数变化图裳幕通过对案例的傻研究发现劝，嚼Huntin慰g刃问题出现的直固接原因是一锣个扰AH纱U击连接标的惨VA配V怎末段同时出现齐供冷供热情形快，同时送风温裕度又能够满足漏控制需求。她导致这一原因营的情况有三个兆：扭1.石写末端负荷较小盼（常出现在过喝渡季或内区惜）馆;2.涉分各可个裕VAVBO肯X拨设定温度差别隶过大肃；苏3.归胳分区不妥。哗其涌中飞3念属于设计问题璃，可以解决否；仰2随属于人为的因雹素，可以尽量秤避免蒙；员1坊属每于舞VA测V蝇自控系统的特顷殊问题，需要床改进控制系统勒。此情况下可杠以通过迟滞设竿计或者扩大室轧内温度满足域退来避免或减小刚。总结侍本文提出了一偶种知VA精V山控制系统验证贼的目标控制法巾（疑OC律M更），利用此方学法可以诊后断养VA顽V凳控制系统出现栋问题的实质原苦因，为后煮续侵commis白sionin寿g检指明方向。作蠢者通过实例分罚析详细介绍了凑控制较复杂的再压力无关冬型义VA视V洁系统超的究OC药M上法（对于压力轻相关型约等段VA租V眉形式可以省略首方法中与阀位冒有关的判断流象程，或根据目饼标控制原则及屿实际情况复对厉OC疲M讲诊断流程做进僚一步修改）。竹同时，本文通洁过实例分析总虾结您了后VA偿V愉系统出锹现槐Huntin诱g绒问题的几种原厌因。售本文提出苦的以OC平M舍法基于传感器重故障问题已经势解决，用于分这析的测试数据丝不存在较大误喊差（文中选取巩的实例在科进口OC缸M厅方法之前已经洞进行了测试数蜂据准确性验证怀）。实际工程响中，传感器故溜障问题的解决住还得依赖运行升阶段的实测分忘析，或者说传辜感器性能验证艺工作采和音OC惩M回法分析在运行个阶段可能得同刺时进行，如何胖在这种情况下白完摔成商VA露V崇控制系统的性姐能验证将是后崇续研究的重点银。致谢掏在本论文的实央测工作中，得浅到了北京发展然大厦设施科的己大力支持和帮星助，在此谨表车感谢！参考文献雨Nakaha某ra,No哄buo耐.Study轻andp降ractic材eonH押VACsy霉stemc售ommiss橡ioning士.不Procee便ding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