建筑設備自動化教材主編：PPT制作：二o一六年八月武漢科技大學李玉云第四章空調系統的控制

新風機組監控系統4.1

4.2

概述

風機盤管控制系統4.3調

空調機組自動控制系統4.44.1概述4.1.1集中空調系統的特點1.多干擾性熱干擾室外干擾；室內干擾；能源及冷、熱源的干擾。濕干擾室內散濕量的波動以及新風含濕量的變化；露點恒濕空調系統在運行過程中進入水冷式表面冷卻器內的冷水溫度變化壓力變化或者兩者同時變化直接蒸發式表面冷卻器內蒸發壓力的變化噴水室的噴水溫度與壓力的波動一次混合后空氣溫度的變化等因素描述空氣狀態的兩個主要參數:溫度和濕度,并不是完全獨立的兩個變量。在溫、濕度都有要求的空調系統中,組成自動控制系統時應充分注意這一特性。2.溫、濕度相關性空調技術中對空氣的處理過程具有很強的季節性。一年中,至少要分為冬季、過渡季和夏季。在室內外條件發生顯著變化時,要適時地改變運行方式,即進行運行工況的轉換。

3.多工況4.1.2集中空調自動控制系統的特點2.多工況相互轉換方式的控制整體的控制性跨行業、跨系統集成隨著集中空調系統的發展需求而發展計算機技術、通信技術及自動控制系統技術的發展4.1.3集中空調自動控制系統1.集中空調自動控制系統的設計根據空調系統的用途來設計相應的空調自動控制系統；在滿足設計標準的前提下,盡可能地節省能源；設備可靠性高、維修方便；節省人力。集中空調自動控制系統的設計原則設計者需掌握自動控制技術、網絡技術,熟悉空調技術,了解相關專業知識。設計方法與流程集中空調設計方法與流程2.集中空調自動控制系統的基本內容及目標對以空調區域為主要調節對象的空調系統的溫度、濕度及其他有關參數進行自動檢測、自動調節及有關信號的報警、聯鎖保護控制,以保證空調系統始終在最佳工況點運行,滿足空調區域、工藝條件所要求的環境條件。按給定值分類：可以分為恒值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。按系統的回路分類：可以分為單回路控制系統和多回路控制系統。按系統的結構分類：可以分為開環系統和閉環系統。按節能效果分類：可以分為變設定值控制、新風補償控制、設備臺數控制及焓值控制等。按所使用的控制器分類,一般可以分為以下兩種:3.集中空調自動控制系統的分類模擬儀表自動控制系統；直接數字控制系統。4.集散型能量管理系統集散型能量管理系統的能量管理和控制程序可以在現場控制器內執行,即可以獨立于中央站而運行,在中央站停止運行時,也不受影響。這些程序可以通過同層總線,從其他控制器讀取共享的輸入,并用來控制本控制器的輸出。4.2新風機組監控系統按新風量分類：有定新風量系統與變新風量系統。按被控參數分類：送風溫度控制、送風相對濕度控制、防凍控制、二氧化碳濃度控制、露點控制及焓值控制等新風機組控制系統一般采用PI控制器。4.2.1送風溫度控制被控量：新風出口溫度——保持冬、夏季不同的恒定值為原則。送風溫度適用場合：該新風機組是以滿足室內衛生要求而不是負擔室內負荷來使用的情況。操作量：冬季操作量、夏季操作量,注意：必須考慮控制器冬、夏季工況的轉換問題。送風溫度控制系統組成：由控制設備與新風系統組成,包括溫度傳感器TE、溫度控制器TC、空氣冷卻器/空氣加熱器、空氣冷卻器/空氣加熱器的執行器TV101、新風閥門TV102組成。送風濕度控制系統組成：由控制設備與新風系統組成,包括濕度傳感器HE、濕度控制器HC、加濕器電動調節閥HV101、加濕器等組成。系統組成1.新風機組模擬儀表自動控制系統送風溫度控制系統工作原理：溫度傳感器TE將送風溫度信號送至控制器TC-1,與設定值比較,根據比較結果按已定的控制規律輸出相應的電壓信號,通過轉換開關TS-1按冬/夏季工況控制電動調節閥門TV101的動作,改變冷、熱水量,維持送風溫度恒定。夏季工況,通過控制冷水溫度,同時降溫除濕。送風濕度控制系統工作原理：在冬季工況,濕度傳感器HE通過濕度控制器HC-1控制加濕閥HV101,改變蒸汽量來維持送風濕度恒定。夏季工況,通過控制冷水溫度,同時降溫除濕。工作原理送風溫度控制系統與送風濕度控制系統一般采用單回路控制系統,控制器一般采用PI控制器。壓差開關PdS測量過濾網兩側的壓差,通過壓差超限報警器PdA發出聲、光報警信號,通知管理人員更換過濾器或進行清洗。新風閥門通過電動風閥執行機構TV102與風機聯鎖,當風機起動后,閥門自動打開;當風機停止運轉時,閥門自動關閉。TS為防凍開關,當冬季加熱器后風溫等于、低于某一設定值時,TS的常閉觸點斷開,使風機停轉,新風閥門自動關閉,防止空氣冷卻器凍裂。當防凍開關恢復正常時,應重新起動風機,打開新風閥,恢復機組工作。2.新風機組DDC自動控制系統監測功能風機的狀態顯示、故障報警;測量風機出口空氣溫濕度參數,以了解機組是否將新風處理到要求的狀態;測量新風過濾器兩側壓差,以了解過濾器是否需要更換;檢查新風閥狀況,以確定其是否打開。根據要求起/停風機；（遠控）自動控制空氣-水換熱器水側調節閥,以使風機出口空氣溫度達到設定值。水閥應在連續控制器輸出AO信號控制下,連續調節電動調節閥,以控制風溫;也可以采用三位PI控制器的兩個DO輸出通道控制,一路控制電動執行器正轉,開大閥門,另一路使執行器反轉,關小閥門。為了解準確的閥位位置,還通過一路AI輸入通道測量閥門的閥位反饋信號。自動控制蒸汽加濕器調節閥,使冬季風機出口空氣相對濕度達到設定值。利用AO信號控制新風電動風閥,也可以用DO信號控制新風電動風閥。控制功能在冬季,當某種原因造成熱水溫度降低或熱水停止供應時,為了防止機組內溫度過低,凍裂空氣-水換熱器,應由防凍開關TS發出信號通過DDC系統自動停止風機,同時關閉新風閥門。打開熱水閥,當熱水恢復供應時,應能重新起動風機,打開新風閥,恢復機組的正常工作。風機停機,風閥、電動調節閥同時關閉;風機起動,電動風閥、電動調節閥同時打開。DDC系統控制器通過其內備的通信模塊,可使DDC系統進入同層網絡,與其他DDC系統控制器進行通信,共享數據信息;也可以進入分布式系統,構成分站,完成分站監控任務,同時與中央站通信。聯鎖及保護功能顯示新風機組起/停狀況,送風溫、濕度,風閥、水閥狀態。

通過中央控制管理機起/停新風機組,修改送風參數的設定值。

當過濾器兩側的壓差過大、冬季熱水中斷、風機電動機過載或其他原因停機時,還可以通過中央控制管理機管理報警。

自動/遠動控制。風機的起/停及各個閥門的調節均可由現場控制機與中央控制管理機操作,也可以無線控制。集中管理功能適用場合：直流式系統。溫度傳感器設于被控房間的典型區域內或設于排風管道（但設定值要修正）。4.2.2室內溫度控制適用場合：新風機組在設計時承擔了部分室內負荷。一般情況下，采用送風溫度控制，過渡季的某些時間段，為避免

房間過冷(供冷水工況時),或過熱(供熱水工況時),這時應采用室內溫度控制。4.2.3送風溫度與室內溫度的聯合控制4.2.2

CO2濃度控制各房間均設CO2濃度控制器,根據室內二氧化碳濃度控制其新風支管上的電動風閥的開度，以保證室內適量新風量;為了防止系統內靜壓過高,在總送風管上設置靜壓控制器控制風機轉速。A區：制冷工況，（新風焓＞回風焓），故應采取最小新風量，減少制冷機負荷。應根據室內空氣CO2濃度控制最低新風量或給定最小新風量，以保證衛生條件的要求。B區：制冷工況，，（新風焓<回風焓），應采取最大新風量，充分利用自然冷源，以減輕制冷機負荷。B區與C區的交界線：在此線上新風帶入的冷量恰與室內負荷相等，制冷機負荷為零，停止運行。4.2.3

根據焓值控制新風量D區：即minOA線以下，空調系統進入采暖工況。該區使用最小新風量，從而減少熱源負荷。E區：采暖工況，且新風焓比室內空氣焓值高的工況。當然，這種情況出現的機率少。如遇此情況應盡量采用新風。C區：制冷工況，因室外新風焓進一步降低，可利用一部分回風與新風相混合，即可達到要求的送風狀態。此時可不啟動制冷機，完全依靠自然冷源來維持制冷工況。圖中minOA線是利用最小新風量與回風混合可達到要求的送風溫度。4.3風機盤管控制系統4.3.1.風機轉速控制風機盤管控制系統屬于單回路模擬儀表控制系統,多采用電氣式溫度控制器。其傳感器與控制器組裝成一個整體,可應用在客房、寫字樓、公寓等場合。風機盤管控制系統一般不進入集散控制系統。但有通信功能的產品,可與集散控制系統的中央站通信。風機盤管風機所配的電動機均采用中間抽頭,通過接線,可實現對其風機的高、中、低三速運轉的控制。三速控制是由使用者通過手動三速開關來選擇的,也稱為手動三速控制。4.3.2室溫控制溫控器手動轉換在各個溫控器上設置冬/夏季手動轉換開關,使得夏季時供冷運行,冬季時供熱運行。統一區域手動轉換對于同一朝向或相同使用功能的風機盤管,如果管理水平較高,也可以把轉換開關統一設置,集中進行冬/夏季工況的轉換,這樣各溫控器上可取消供人工操作使用的轉換開關。自動轉換如果使用要求較高,而又無法做到統一轉換,則可在溫控器上設置自動冬、夏季轉換開關。兩管制風機盤管控制系統工況轉換常見做法:風機盤管溫度控制,采用位式控制,有時也采用P或PI控制。控制規律4.4空調機組自動控制系統4.4.1定風量空調自動控制系統定風量空調自動控制系統的控制方法：送風量不變,通過改變送風溫、濕度來滿足室內負荷變化。當送風量一定時，改變送風溫度來改變送入室內的冷量（或熱量）的空調系統為定風量空調系統。露點送風夏季工況(在h-d圖上的表示)1.變露點自動控制系統變露點空調機組自動控制系統原理圖變露點溫度自動控制系統由溫度傳感器TE、溫度控制器、空氣冷卻器/空氣加熱器、執行器V1(帶閥門定位器)及空調風系統組成。濕度自動控制系統由濕度傳感器HE、濕度控制器、加濕器、執行器V2以及房間對象組成。

自動控制系統組成模擬儀表控制系統說明為了測量房間溫、濕度,可以在房間代表點設置溫、濕度傳感器,也可以在回風管道內設置溫、濕度傳感器,用以測量房間內的平均溫、濕度，但要注意設定值修正。由于室內的熱、濕負荷并不是恒定值,露點值隨室內余熱余濕的變化而變化,故該系統稱為變露點溫度控制系統。DDC監控系統定風量空調系統的DDC監控圖空調機新風溫、濕度。空調機回風溫、濕度。分別在DDC系統和中央站上顯示。送風機出口溫、濕度。分別在DDC系統和中央站上顯示,當超溫、超濕時報警。過濾器壓差超限報警。采用壓差開關測量過濾器兩端壓差,當壓差超限時,壓差開關閉合報警,提醒維護人員清洗過濾器。防凍保護控制。采用防凍開關監測表冷器后(按送風方向)風溫,當溫度低于5℃時報警,提醒維護人員(或聯鎖)采取防凍措施。如果風道內安裝了風速開關,還可以根據它來預防凍裂危險。當風機電動機由于某種故障停止,而風機起動的反饋信號仍指示風機開通時,或風速開關指示風速度過低,也應關閉新風閥,防止外界冷空氣進入。檢測內容送風機、回風機狀態顯示、故障報警。送風機的工作狀態是采用壓差開關監測的,風機起動,風道內產生風壓,送風機的送、回風管壓差增大,壓差開關閉合,空調機組開始執行順序起動程序。此外,還有手/自動和風機電動機故障顯示。回水電動調節閥、蒸汽加濕閥開度顯示。自動控制內容空調回風溫度自動控制系統。回風溫度自動控制系統的任務是控制室內溫度滿足設計工況。它把測量的回風溫度送入DDC系統控制器與給定值比較,根據溫度偏差,由DDC系統按PID規律調節空氣冷卻器/空氣加熱器的回水調節閥開度,以達到控制冷水(或熱水)水量,使房間溫度保持在一定值。為了節能和舒適,把溫度傳感器測量的新風溫度作為前饋信號加入回風溫度自動控制系統,組成新風補償自動控制系統。回風濕度自動控制系統。回風濕度自動控制與溫度自動控制相同,濕度傳感器應優先考慮設于典型房間區域或回風管道上。新風電動閥、回風電動閥及排風電動閥的比例控制。把回風溫、濕度傳感器和新風溫、濕度傳感器信號輸入DDC系統控制器,進行回風及新風焓值計算,按新風和回風的焓值比例控制回風閥的開度。空調機組起動順序控制。送風機起動→新風閥開啟→回風機起動→排風閥開啟→回水調節閥開啟→加濕閥開啟。

空調機組停機順序控制。送風機停機→關加濕閥→關回水閥→停回風機→新風閥、排風閥全關→回風閥全開。

火災停機。火災時,由建筑物自動控制系統發出停機指令,統一停機。聯鎖控制2.定露點自動控制系統定露點自動控制系統由一個集中式空氣處理系統給n個空氣區(例如：a區和b區)送風,而且不同區域室內熱負荷差別較大,需增設再熱盤管(或電加熱器)加熱,分別調節不同區的溫度。由于散濕量比較小或兩區散濕量差別不大,可用同一機器露點溫度來控制室內相對濕度。此系統屬于定露點控制系統,可應用在余熱變化而余濕基本不變的場合。空氣處理過程及控制點的選擇

夏季

1—室內空氣狀態

2—室外空氣狀態

3—混合點

4—露點

5—送風狀態

冬季1'—室內空氣狀態2'—室外空氣狀態2″—一次加熱后狀態3'—混合點4'—露點5'—送風狀態空氣處理過程控制原理圖控制點——被控量：室內溫度控制點（分別設在不同的空調區域，例如：a區和b區）；送風溫度控制點(一般設在二次加熱器SR2后面的總風管內)露點溫度控制點(一般設在淋水室出風口擋水板后面)這種系統多應用在工藝空調上。控制系統:室溫控制系統送風溫度控制系統露點溫度控制系統操作量：視工藝而定分四個單回路控制系統:a區室溫控制系統、b區室溫控制系統送風溫度控制系統、露點溫度控制系統。定露點自動模擬儀表控制系統原理圖3.根據焓值控制新風量焓值控制器TC-3的輸入信號有新、回風的干球溫度和相對濕度信號,即回風溫度傳感器TE102與濕度變送器HE102,新風溫度傳感器TE101與濕度變送器HE101,均接在TC-3輸入端上,TC-3根據新、回風溫、濕度計算焓值,并比較新、回風焓值,輸出0~10V(PI)信號控制執行機構,再通過機械聯動裝置使新、回、排風門按比例開啟。焓值自動控制原理圖焓控制器輸出與閥位的關系焓值控制器實質上是焓比較器。焓值控制器與閥門定位器配合,用一個控制器控制三個風門,實現分程控制。分程控制就是用一個控制器控制兩個以上的執行器或者兩個以上的控制器控制一個執行器。圖中的熱水閥與冷水閥開度由室內溫度控制器控制。溫、濕度傳感器可以直接采用焓值傳感器。焓值自動控制系統框圖4.4.2變風量空調自動控制系統變風量空調系統是一種通過自動改變送入空調區域的送風量,來調節室內溫、濕度的全空氣空調系統。變風量空調自動控制系統由空氣處理系統、自動控制設備及DDC控制器組成。空氣處理系統包括空氣處理機、風管系統(新風/排風/送風/回風管道)、變風量末端設備(變風量空調箱)。典型的變風量控制系統示意圖測量控制區域溫度,通過末端溫度控制器設定末端送風量值。測量送風量,通過末端風量控制器控制末端送風閥門開度。控制加熱裝置的調節閥或控制電加熱器的加熱量。控制末端風機起停(并聯型末端)。再設空調機組送風參數(送風溫度、送風量或者送風靜壓值)。上傳數據到中央控制管理計算機系統或從中央控制管理計算機系統下載控制設定參數。1.變風量末端裝置控制功能變風量末端裝置：空調箱與控制設備主要有以下控制功能:2.變風量末端裝置分類常溫送風變風量空調系統(送風溫度11~16℃,通常為13℃)。低溫送風變風量空調系統(送風溫度4~11℃)：變風量空調系統按送風溫度分類:單風道型變風量系統、風機動力型變風量系統(串聯式、并聯式)、使用精美變風量風口的變風量系統、誘導型變風量系變統、地板送風變風量系統、不同形式變風量末端混合使用的變風量系統等。風量空調系統按變風量末端形式分類:超低溫送風(送風溫度4~5℃);中低溫送風(送風溫度6~8℃);高低溫送風(送風溫度9~11℃)。高溫送風變風量空調系統(送風溫度16~19℃)。

壓力有關型變風量末端的控制設備包括溫度傳感器、控制器、風閥驅動器。溫度差直接控制風閥開度,改變送入房間的風量。但風量變化值不僅與開度有關,還與進風口處的靜壓有關,當末端入口壓力變化時,通過末端的風量會發生變化,但壓力有關型末端則要等到風量變化改變了室內溫度才動作,在時間上要滯后。壓力無關型變風量末端裝置的控制設備由溫度傳感器、控制器、風閥驅動器和風量傳感器組成。控制原理是:根據溫度差計算所需風量,與實測風量比較,控制風閥開度。其特點是:不管進風口處靜壓是否改變,都將保持恒定的送風量;增加了風量控制的穩定性,并允許最小和最大風量設定。變風量空調系統按變風量末端控制形式分類：單風道基本型變風量末端裝置

單風道基本型變風量末端裝置a)控制原理示意圖b)控制特性TC為末端裝置的溫度控制器,FC為末端裝置風量控制器,V為末端裝置的風閥執行器。在夏季,按曲線1運行,在冬季,按曲線2運行。變風量末端裝置串級控制系統控制原理：實測的室內溫度送至溫控器TC,并與溫度設定值比較,溫控器TC根據溫度差計算送風量的設定值,送給風量控制器FC,FC根據風量的實測值與設定值之差按預定的控制規律去控制風閥V的開度,使送入房間的冷(熱)量與室內的負荷相匹配。特點：串級控制系統與單回路控制系統相比,結構上增加了一個副控制回路,其特點是可改善對象特性,抗干擾能力強,從而提高了系統的控制質量。按有無風機分類：有基本型風機動力型(FanPoweredBox,FPB),FPB又分為串聯風機型并聯風機型按單、雙風道分類：有單風道型雙風道型3.變風量末端裝置的控制單風道基本型變風量末端裝置組成：由進風管、風速傳感器、風閥、執行機構、控制器、閥軸、保溫材料、箱體等部分工作原理：進風管中,設有一個十字形皮托管,其功能是測量風管內的全壓和靜壓,根據兩者之差,求出動壓后可得到風速,進而可求出末端裝置的送風量。單風道基本型變風量末端裝置風機動力型變風量末端裝置串聯式串聯式風機動力型變風量末端裝置a)控制原理示意圖b)控制特性(帶再加熱)

c)控制系統圖風機與來自空氣處理機的一次風相當于串聯。工作原理：在制冷模式下,溫控器根據空調區域設定溫度,通過控制器調節一次風風量,在最小與最大風量范圍內變化,通過吊頂吸入的二次風也相應地增大或減小,但末端送風機風量基本不變。在制熱模式下,實際溫度低于溫度設定值時,一次風保持最小風量,最大比例地引入吊頂中溫度相對較高的二次風,來提高空調區域溫度,當空調區域溫度更低時,輔助加熱設備起動,將末端混合風加熱后送出,提高送風溫度,保證空調區域溫度逼近設定值。串聯式風機動力型變風量末端是變送風溫度、定送風量、壓力無關型末端。變風量末端的風機在系統運行時是連續運行的串聯型風機動力型,是幾乎不變的(除非采用ECM電動機),這樣就無法根據負荷變化節省末端風機的運行能耗。但一次風處于最小送風量時,室內仍具有很好的氣流組織形式。串聯式風機動力型變風量末端的送風是一次風和二次回風混合后送出來的,所以,特別適用于低溫送風變風量空調系統中。但在低溫送風系統中,應注意在末端箱體內加絕熱內襯,以防當低溫空氣流過時使金屬外表面出現結露現象。特點并聯式風機與來自空氣處理機的一次風呈并行形式,即只有二次風經過末端風機。并聯式風機動力型變風量末端裝置a)控制原理示意圖b)控制特性(帶再加熱)風機以間歇方式運行。在制冷模式下,風機停止運行,溫控器根據空調區域設定溫度,通過控制器調節一次風風量,在最小與最大風量范圍內變化,與單風道變風量末端的運行情況相同。在制熱模式下,空調區域溫度低于風機起動設定值時,一次風減至最小風量,風機起動,風機引入吊頂中溫度相對較高的二次風,利用回風余熱來提高空調區域溫度,當空調區域溫度更低時,輔助加熱設備起動,將二次風加熱并與一次風混合后送出,或將一次風與二次風混合風加熱后送出來提高空調區域溫度。工作原理：并聯式風機動力型變風量末端是壓力無關型變風量末端,在制冷模式下,變送風量、定溫度送風;在制熱模式下,定送風量、一般是定送風溫度,但也有變送風溫度送風模式。更節能,噪聲也相對更低;并聯式風機動力型變風量末端,主要使用在外區需要采用盤管再熱的情況下,還可以使用在內區一些需要利用二次回風來克服室內新風不足或過冷的情況下;不太適用于低溫送風變風量空調系統中。特點：空調機組的控制內容：4.空調機組的控制總送風量控制;送風溫、濕度的控制;回風量控制;新風量/排風量控制。定靜壓變溫度控制原理圖TC—溫度控制器PC—靜壓控制器INV—變頻器T—溫度傳感器V—執行器定靜壓變溫(定靜壓法)送風機的控制系統主要控制原理:在保證系統風管上某一點(或幾點平均,常在離風機約2/3處)靜壓一定的前提下,室內要求風量由VAV所帶風閥調節;系統送風量由風管上某一點(或幾點平均)靜壓與該點所設定靜壓的偏差按已定的控制規律控制變頻器,通過變頻器調節風機轉速來確定。同時還可以根據送風溫度控制器改變送風溫度來滿足室內環境舒適性的要求。特點：系統送風量由某點靜壓值來控制,不可避免會使風機轉速過高,達不到最佳節能效果;當VAV所帶風閥開度過小時,氣流通過的噪聲加大,影響室內環境；在管網較復雜時,靜壓點位置及數量很難確定,往往憑經驗,科學性差,且節能效果不好。盡量使VAV風閥處于全開(80%~90%)狀態,把系統靜壓降至最低,因而能最大限度地降低風機轉速,以達到節能目的。變靜壓法控制思想：根據變風量末端風閥的開度,階段性地改變風管中壓力測點的靜壓設定值,在適應流量要求的