书城教材教辅智能建筑环境设备自动化
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第31章 暖通空调系统及其监控(9)

离心式风机的特点是风压高,风量可调,相对噪声较低,可将空气进行远距离输送。适用于要求低噪声、高风压的场合。按离心风机的出口方向可分为右旋和左旋。从电动机一端正视,叶轮顺时针旋转称为右旋,逆时针方向旋转称为左旋。

(2)轴流风机

空气在通过风机时,其气流运动方向与风机中心轴始终成平行状态(空气沿轴向流动),这种风机安装简单,直接与风管相连,占用空间较小。因此,其用途广泛。在侧墙上安装的排风扇也属于轴流式风机的一种类型。

轴流式风机的特点是风压较低,风量较大,噪声相对较大,耗电少,占地面积小,便于维修。

(3)斜流及混流式风机

轴流式风机风量大、风压小,离心式风机风压大、但风量偏小。这两种风机有时会受到一些限制。斜流及混流式风机通过改变叶片形状,使气流在进入风机后,既有部分轴流作用,又产生部分离心作用,提供中等风压和中等风量。因此,这两种风机的性能介于轴流式风机和离心式风机之间。安装与轴流式风机相似,接管方便,占用空间较小。

3.风管的形式和材料

(1)风管的材料

普通空调多用薄钢板、铝合金板或镀锌钢板制作为风道。在某些体育馆、影剧院也用砖或混凝上预制风道。另外,也可用木板、塑料板作为风道。在新型空调中,也有用玻璃纤维板或两层金属间加隔热材料的预制保温板做成风道,但造价较高。

(2)风管的形式

常用的风管有圆形和矩形两种形式。其中,矩形风管容易和建筑配合,但保温加工较困难;圆形风管阻力小,省材料,保温制作方便。还有一种椭圆形风管,它兼有矩形和圆形风管的优点,但需要专用设备进行加工,造价较高。

4.风管的保温

风管的保温是为了减少管道的能量损失,防止管道表面产生结露现象,并保证进入空调房间的空气参数达到规定值。常用的保温结构由防腐层、保温层、防潮层、保护层组成。

防腐层一般涂一至两道防腐漆。保温层目前为阻燃性聚苯乙烯或玻璃纤维板,及较新型的高倍率独立气泡聚乙烯泡沫塑料板,其具体厚度应参阅有关手册进行计算。保温层和防潮层都要用钢丝或箍带捆扎后,再敷设保护层。保护层可用水泥、玻璃纤维布、木板或胶合板包裹后捆扎。设置风管及制作保温层时,应注意其外表的美观和光滑,尽量避免露天敷设和被太阳直晒。

5.风口的作用及形式

(1)送风口

送风口的作用是将送风状态的空气均匀地送入空调房间。常用的送风口有以下几种类型。

①侧送风口。侧送风口是指安装在空调房间侧墙或风道侧面上、可横向送风的风口。它有格栅风口、百叶风口、条缝风口等几种类型。其中用的最多的是活动百叶风口,分为单层百叶、双层百叶和三层百叶三种。

②散流器。散流器是一种安装在顶棚上的送风口,其送风气流从风口向四周呈辐射状送出。

根据出流方向的不同分为平送散流器和下送散流器。平送散流器送出的气流是贴附着顶棚向四周扩散,适用于房间层高较低、恒温精度较高的场合。下送散流器送出的气流是向下扩散,适用于房间的层高较高、净化要求较高的场合。

③孔板送风口。送入静压箱的空气通过开有一些圆形小孔的孔板送入室内。孔板送风口的主要特点是送风均匀,气流速度衰减快。孔板送风口适用于要求工作区气流均匀、流速小、区域温差小和洁净度较高的场合,如高精度恒温室和平行流洁净室。

④喷射式送风口。喷射式送风口是一个渐缩的圆锥台形短管,其特点是风口的渐缩角很小,风口无叶片阻挡,噪声小、紊流系数小、射程长,适用于大空间公共建筑的送风,如体育馆、影剧院等场合。

为了提高送风口的灵活性,喷射式送风口可做成既能调节风量,又能调节出风方向的球形转动风口。这种风口主要用于飞机、汽车等场合。

(2)回风口

回风口由于汇流速度衰减很快、作用范围小,故其吸风速度的大小对室内气流组织的影响很小。回风口的类型较少,常用的有格栅、单层百叶、金属网格等形式,但要求能调节风量和定型生产。

4.5.3空气处理系统的监控功能

参照《智能建筑设计标准》(GB/T50314-2000)中对空气处理系统的监控功能要求,建筑设备自动化系统对空气处理系统的监控有如下功能要求:

风机状态显示;

送回风温度测量;

室内温、湿度测量;

过滤器状态显示及报警;

风道风压测量;

启/停控制;

过载报警;

冷、热水流量调节;

加湿控制;

风门控制;

风机转速控制;

风机、风门、调节阀之间的连锁控制;

室内CO2浓度监测;

寒冷地区换热器防冻控制;

送回风机与消防系统的联动控制。

根据智能建筑的不同等级,相应的空气处理系统应具有上述全部或部分的监控功能。

4.5.4空调机组的监控

建筑设备自动化系统的监控对象是全空气空调系统,新、回风按一定比例进行混合,在空调机组内进行各项参数处理后,直接将处理好的空气送至需要进行空调的房间内使用。

从控制调节的角度看,与新风机组相比有如下3点不同:控制调节对象是房间内的温、湿度;要求房间的温、湿度全年均处于舒适区范围内,同时还要研究系统节能的控制方法;有回风回到空调机组(不同于新风机组系统),新、回风比还可以变化,因此在过渡季节应尽量利用回风,以减少运行费用,降低运行成本。

该系统的监测管理、连锁、防冻保护等与前面讨论的新风机组类似,本节对监控原理仅作一简单概述,而对不同之处将做详细分析。

1.监控原理概述

空调机组主要有新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、换热盘管、送风机、回风机、加湿器组成。

控制系统中的现场设备由现场控制器、新风温度传感器、新风湿度传感器、回风温度传感器、回风湿度传感器、送风温度传感器、送风湿度传感器、防冻开关、压差开关、电动调节阀、风阀执行器组成,此外还有装设在室内的温、湿度传感器和空气品质传感器。控制原理如下。

①电动风阀与送风机、回风机连锁控制,当送风机、回风机关闭时,电动风阀(新风、回风、排风风阀)都关闭。新风阀和排风阀动作同步,与回风阀动作相反。根据新风、回风及送风焓值的比较,调节新风阀和回风阀开度。当风机启动时,新风阀打开;风机关闭时,新风阀同时关闭。

②当过滤网两侧压差超过设定值时,压差开关送出过滤器堵塞信号,并报警。

③当冬季温度太低时,防冻开关送出信号,风机和新风阀关闭,防止盘管冻裂。当防冻开关正常时,应重新启动风机,打开新风阀,恢复正常工作。

④送风温度传感器检测到送风温度实际值,与控制器设定的温度比较,经PID计算后,输出相应的模拟信号,控制水阀的开度,使实测温度达到设定温度。

⑤送风湿度传感器检测到送风湿度实际值,与控制器设定的湿度比较,经PID计算后,输出相应的模拟信号,控制加湿阀的开度,使实测湿度达到设定湿度。如果加湿设备使用加湿器,则控制变为数字信号,控制加湿器的启停。

⑥风机的监测状态为手/自动状态,运行状态和故障状态,由现场控制器内置程序控制风机启/停。

⑦送风机、回风机的启停顺序为:启动时先开送风机,延时后开回风机;停止运行时先关回风机,延时后关送风机。

2.新、回风比的控制模式

新、回风比即混合空气中新、回风的比例。在空调机组中,为了调节新回风比,对新风、排风、回风3个风门都要进行单独的连续调节。根据质量守恒定理,通过新风门的空气流量与通过排风门的空气流量相等,因此控制时新风门开度与回风门开度之和保持为100%,排风阀与回风阀的开度之和也为100%。增大新风比例可以提高室内空气的品质和舒适度,而提高回风比例可以起到节能效果,因此在控制新、回风比例时需要兼顾舒适度与节能两个因素进行综合考虑。在空气处理机工作时,一般不允许新风门全关,需要设定最小新风门开度,最小新风门开度一般为10%~15%左右。对空调机组中的新风门和回风门的开度控制,工程中经常采用的控制策略有以下几种。

(1)节能优先控制模式

节能优先的控制思想是,只要换热盘管水阀没有处于关断状态,则将新风门开至最小开度以节约能源。具体实施时多根据工况和空气温度(当设有湿度传感器及加湿设备时应用焓值替代)进行判断。在过渡季节,盘管水阀处于关断状态,新风门全开。夏季工况,当室外温度大于回风温度时,盘管水阀必然打开,关闭新风门至最小开度;当室外温度小于等于回风温度时,盘管水阀关闭,新风门全开。冬季工况的判别逻辑与夏季工况相反。

(2)PID控制模式

通过回风温度与设定温度的差值对新风门开度进行PID控制。通过改变PID参数,可以调整此控制策略的节能、舒适倾向。

(3)有级控制模式

PID控制模式虽然先进,但参数整定困难。另一种简便、直观的控制方式是将回风温度与设定温度的差值划分为若干区域,每个区域对应不同的新风门开度。如在夏季工况下,可采用如图4-56所示的控制逻辑。具体区域的划分及对应的新风门开度可根据实际工程情况加以确认。当仅区分回风温度大于或小于设定温度两个区域,且一个区域对应新风门全开,另一个区域对应新风门最小开度时,有级控制模式实际上就退化成节能优先控制模式了。

3.室内温湿度的控制方法

空调机组不同于新风机组只需对送风温度进行控制,它控制的是相应空调区域的温度环境。因此,空调机组的控制目标是回风温度或室内温度。一般地,可认为回风温度为室内温度的平均值。

为提高控制精度和响应速度,空调机组的盘管水阀通常采用双闭环串级PID模型进行控制。首先根据设定温度与回风温度的差值通过PID算法确定理想的送风温度;然后再由理想送风温度与实际送风温度的差值确定盘管水阀开度。这种双PID的串级控制方法在控制精度与响应速度上都要优于由设定温度与回风温度的差值直接确定盘管水阀开度的单PID闭环控制。

对于室内湿度的控制也采用“串级PID调节”,方法类似,请读者自行分析。

4.室内空气状态的确定方法

对于舒适性建筑,并非要求室内空气状态恒定于一点,而是允许在较大范围内浮动。例如,温度为24℃~28℃,相对湿度在40%~65%之间,风速不大于0.3m/s,均满足舒适性要求。这样,当室外状态偏低时,室内相应靠近此域的下限;室外状态偏高时,室内则靠近此域的上限。当室外处于此域附近时,则尽可能多用新风,使室内状态随外界空气状态变化。这样既可最大限度地节能,又可提高室内空气品质和舒适程度。这样,可以在每个时刻根据新、回风状态及室内状态确定最适宜的送风状态,既保证房间空气状态处于舒适区,又使空气处理能耗最小。当房间允许的舒适域范围较大时,与固定的室内设定状态相比,这样做节能效果十分显着。

4.5.5变风量系统的监控

空调机组必须与相应的风管配送网络及末端设备配合才能组成完整的空调系统。根据末端设备的控制方式,可以将空调机组分为定风量(Constant Air Volume,CAV)系统与变风量(Variable Air Volume,VAV)系统两大类。

1.定风量系统与变风量系统的介绍

(1)定风量空调系统

最简单的风管配送网络及末端不设任何其他装置,经空调机组处理后的空气直接由风管配送网络按比例送至各送风口。由于各送风口不具备任何调节能力,如果送风机为非变频的,则送至各送风口的风量基本不变(忽略室内气压变化对送风量的影响)。工程中常将这种系统称为定风量空调系统。

对于定风量空调系统而言,一般仅适合应用在大空间区域,如会议厅、餐厅、大堂等。这些区域各送风口的控制范围内占用情况及温、湿度设定值相同,可以由一台或多台空调机组统一控制。但对于独立、分割空间,如办公区域等,往往无法满足各区域的个性化需求。对于一些仅存在占用情况不同,一旦处于占用状态,温、湿度设定值相同的独立、分割空调区域,如一些病房区域、仓库区域等,可以在送风口末端安装开关风阀。

当空调区域处于占用状态时,打开开关风阀进行控制,当空调区域空闲时关闭开关风阀以节约能源。送风机运行频率根据各末端风阀的开关状态进行确定,保证各末端送风量基本恒定。这种系统仍然属于定风量空调系统。

(2)变风量系统

由于建筑物内空调系统耗电很大,节能运行在建筑设备自动化系统中就显得格外重要。变风量系统于20世纪60年代诞生在美国,70年代石油危机后在欧美和日本得到广泛应用。变风量系统因为其节能以及可分区调节等优点,目前在国外建筑中已经得到非常普遍的应用,从20世纪90年代末进入中国大陆以来,逐步得到了发展,近几年在国内智能建筑中也得到了越来越广泛的应用。