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铮夏春海朱颖心日本株式会会社山武徐国海摘要：近年来ccommisssioniing在建筑节能能改造方面得得到了广泛的的重视和应用用，它帮助设设计者和户主主实现HVAC系统的设计计目的，并提提高系统运行行效率。由于于VAV控制系统具具有巨大节能能潜力但同时时又比较复杂杂，其性能验验证成为commiissionning研究的重点点也是难点。已已有众多学者者开展了关于于VAV系统commiissionning的研究。本本文在大量实实践的基础上上提出适合VAV控制系统性性能验证的目目标控制法（objecctivecontrrolmeethod，OCM）。此方法法从末端运行行效果入手，通通过逐步的诊诊断和分析，最最终找到运行行故障症结。作作者以北京发发展大厦变风风量系统为例例，利用OCM法对其2005运行问题做做出诊断，验验证了该方法法的可行性，同同时在实例分分析的基础上上对控制系统统huntiing问题的原因因做出了分析析。该案例作作为国内较为为全面完整的的commiissionning实例，其结结论和经验将将对国内commiissionning的发展发挥挥积极的作用用。关键词：VAVV控制系统性性能验证，OCM，Huntiing引言20世纪70年年代，美国和和英国开始开开展建筑性能能验证（BuilddingCCommisssioniing）的实践。Cx是指通过诊诊断、调试和和改造等方法法确保建筑性性能满足业主主和用户的需需求并提供完完整的技术文文档的过程，其其保证全生命命周期内建筑筑在能源消耗耗、室内环境境质量、对周周围环境的影影响、建筑设设备系统的维维护管理等方方面都保持较较优的运行和和使用状况REF_Ref113954145\r\h\*MMERGEFFORMATT[1]。变风风量（VAV）系统是空空调系统中的的一种重要的的组成形式，它它具有很大的的节能潜力，同同时也具有复复杂的控制系系统和繁杂的的设备构成。因因此对VAV系统的实际际运行效果分分析及故障诊诊断是空调系系统Cx十分重要的的组成部分。国内外许多学者者研究了HVAC系统故障诊诊断[2][[3]，但是由于于空调形式的的多样性和系系统的复杂性性，这些方法法在实用性上上有所欠缺。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系统故障障可能来自以以下几方面原原因：系统设设计选型问题题、设备失灵灵、传感器故故障、信号传传输故障、控控制系统策略略问题等。已已有的VAV系统性能验验证的研究通通常是在大量量监测数据的的基础上，通通过计算机程程序模拟诊断断传感器故障障等问题，关关于如何在运运行阶段诊断断控制系统策策略和系统设设计选型问题题的研究却较较少见。本文文则在长期commiissionning实践的基础础上，重点分分析如何在运运行阶段通过过对控制系统统运行效果的的评价，进而而对系统设计计选型问题、设设备失灵问题题、控制系统统失灵或信号号传输错误等等问题做出诊诊断，并提出出目标控制法法（objecctivecontrrolmeethod，OCM），从而实实现对VAV控制系统全全面系统的commiissionning。VAV系统运行行性能验证的的OCM法对VAV系统的的commiissionning是一个循序序渐进的过程程，它包括对对控制系统运运行性能的评评价，室内热热环境状况的的评价，能耗耗状况分析等等内容（如REF_Ref131170517\h图图1图1所示）。首首先需要确认认VAV控制系统能能否按照设计计目标运行，如如果目标控制制较好则对室室内舒适性进进行评价（因因为末端传感感器实测温度度能满足设计计要求，并不不能完全说明明室内热环境境状况较好），如如果目标控制制不好则利用用OCM法对VAV控制系统进进行诊断，找找出症结所在在。最后分析析此VAV系统的耗能能状况和节能能潜力。图SEQ图表\*ARABIC1VAVV系统控制系系统诊断图图SEQ图表\*ARABIC22压力无关关型末端VAV控制系统的OCM诊断流程本文重点研究用用于VAV控制系统诊诊断的OCM法，该方法法的前提是控控制系统测试试、记录和采采集的数据无无误，即传感感器故障的问问题已经解决决。所谓OCM法是指以VAV控制系统的的控制目标作作为判断依据据，根据控制制目标实现与与否进入下级级控制目标的的判断分析，在在经过多级控控制目标判断断分析后最终终找到问题症症结。以压力力无关型末端端VAV控制系统为为例，其OCM分析逻辑图图如REF_Ref130994996\h图2图2所示。压力力无关型VAV控制系统从从末端温度控控制情况入手手，当末端温温度不满足时时则进入OCM诊断方法。通通过对第一级级目标“末端风量满满足”满足与否进进行判断，进进而判断“要求风量达达到最大（小小）”或“风阀开度达达到最大（小小）”，前者可能能存在的原因因有系统振荡荡、末端选型型片小、同一一末端负责不不同区域、AHU水量供应不不足、末端需需求风量设定定不对、送风风温度控制问问题等，而后后者可能存在在的原因有风风机选型不合合理、风道阻阻力过大（风风道阻塞、风风道设计不合合理等）、系系统振荡（导导致系统震荡荡的原因比较较复杂，将在在实例中进一一步分析）、风风机转速控制制策略不当、风风阀调节失灵灵等。由上述述两类问题可可知，尽管从从现象上看是是控制系统不不能满足要求求或者说控制制目标没有实实现（末端实实测温度控制制在设定温度度附近），但但从导致该现现象的原因看看却并非全是是控制系统的的原因，还包包括设计的问问题和VAV系统本身存存在的弊端（比比如各末端负负荷要求不一一致时产生的的振荡现象），利利用OCM方法可以分分清问题的实实质，为后续续的改进措施施指明方向。对对于设备失灵灵、风道阻塞塞等问题可以以立即查找原原因进行故障障清除；对于于末端选型不不合理、风机机选型不合理理等问题则需需要结合能耗耗分析判断其其问题的严重重性从而决定定是否更换设设备；对于信信号传输问题题则需要检查查控制设备并并作相应维修修，对于控制制策略的问题题，则需要经经过一段时间间的连续监控控分析后，确确定控制策略略改进的方案案；对于水量量供应不足的的问题，则需需要对水系统统进行进一步步的OCM分析；对于于系统振荡（Huntiing）、同一末末端负责不同同区域等问题题，则在短期期内并不能很很好解决，只只能通过一定定措施降低其其影响程度。实例分析下面通过一个实实际案例介绍绍OCM的应用方法法。同时对系系统Huntiing问题的原因因进行分析。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。图SEQ图表\*ARABIC33北京发发展大厦外观观图图SEQ图表\*ARABIC44发展大大厦空调分区区图发展大厦VAVV系统控制方方法发展大厦为压力力无关型变风风量系统。其其变风量控制制系统主要由由VAV末端控制环环节、VAV集中管理单单元、空调箱箱控制环节和和中央监视器器四个环节构构成（REF_Ref130991945\h\\*MERRGEFORRMAT图图5图5）。下面简简单介绍其核核心控制策略略。VAV末端控制制：一个区域域（空调箱）连连接若干个带带风量、温度度传感器的VAV末端。根据据其负责分区区的室温偏差差调节风阀开开度，从而追追随实际空调调负荷来确定定即刻送风量量,再将各末端端的即刻风量量和末端控制制状态信号传传递给集中管管理单元；集集中管理单元元计算出需求求总风量后将将此信号送至至空调箱控制制器；空调箱箱控制器根据据需求总风量量确定风机转转速。风机修正：当有有一个末端处处于“静压不足”状态时，风风机转速适当当增大；当所所有末端处于于“静压过剩”状态时，风风机转速适当当减小；其他他情况风机转转速不做修正正。变送风温度：如如果即使运行行最小风量室室温仍然偏低低／高,送风温度(Roaddreseet)控制将根据据由末端控制制器提供的各各VAV末端所负担担分区的空调调状态,通过集中管管理单元计算算和判断并把把空调状态信信号传给空调调箱控制器。空空调箱控制器器重新计算并并确定适当的的送风温度值值,即提高／降降低送风温度度设定值，通通过控制水侧侧电动阀开度度确保实测送送风温度满足足设定值要求求。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图SEQ图表\*ARABIC55变风量控控制环节图OCM应用———控制效果评评价以B12东南外外区过渡季运运行工况为例例，此区域共共连接2个VAV末端。取正正常工作日8:00～18:00的数据，计计算室内设定定温度与传感感器测试温度度之间偏差的的平均值以及及设定风量与与实测风量的的偏差平均值值，结果如REF_Ref130993651\h\*MEERGEFOORMAT表1表1所示。表SEQ表格\*ARABIC1B122东南外区过过渡季控制性性能汇总过渡季(5.11～5.31))VAV16VAV17设定温度(℃))25.525.5温度偏差(℃))1.40.1风量偏差(×1100%)0.010.02由REF_Ref130993651\h\*MMERGEFFORMATT表1表1可得VAV16平均温度偏偏差达到1.4度，不满足足控制要求，因因此进入VAV控制系统的OCM诊断方法。图SEQ图表\*ARABIC66VAVV16过渡季VAV控制系统OCM诊断流程第一步：末端风风量满足根据REF_Ref130993651\h\*MERGEEFORMAAT表1表1，VAV16风量平均偏偏差只有1%，即末端风风量能够满足足要求。第二步：要求风风量常达到最最大（小）由REF_Ref130993765\h图7图7可得得，5月VAV16有75%时间需求风风量为最大值值，可见“要求风量常常达到最大”。图SEQ图表\*ARABIC775月月份VAV16要求风量百百分比累计图图第三步：要求风风量来回震动动从典型日VAVV16风量参数变变化图（REF_Ref130993951\h\*MEERGEFOORMAT图8图8）可得，当VAV16室内温度不不满足的时候候设定送风量量一直维持在在最大值，该该步判断结果果为“否”。图SEQ图表\*ARABIC885月月20日VAV16末端参数变变化情况图第四步：送风温温度相应变化化且满足设定定值从REF_Ref130994051\h\*MMERGEFFORMATT图9图9可以看出此此时供冷量不不足，设定送送风温度已经经降低且达到到12度，而实际际送风温度不不能达到，平平均高3度，因此该该步判断结果果为“否”。AHU水量不足是是造成其温度度不满足的原原因。图SEQ图表\*ARABIC995月月20日B12送风温度满满足情况第五步：是否存存在温度传感感器位置放置置问题：是。查看末端的位置置及传感器位位置（REF_Ref128144270\h\\*MERRGEFORRMAT图图10图10）发现VAV17的传感器位位于单独隔开开的小房间，而VAV16则位于大开间无隔断的办公间。设计的最初意图是考虑VAV17同时负责大办公间部分区域负荷和小办公间负荷，并且优先保证小办公间的室内温度。但由于小办公间的负荷较小，往往在小办公间满足要求时，大办公间还未能满足要求，但此时VAV17的送风量开始减小（中午12点以后），其VAV17对大办公间的贡献较小，导致大办公间的负荷大部分均由VAV16承担，表现为VAV16出力不够导致室内偏热。图SEQ图表\*ARABIC1010B12VVAV16，VAV17传感器位置置图诊断结果：1..AHU水量不足；2.传感器位置置不具代表性性。OCM应用———Huntinng分析Huntinng问题是VAV系统中普遍遍存在的问题题，作者在OCM分析中将其其列为系统问问题（REF_Ref130994996\h\\*MERRGEFORRMAT图图2图2）。本文以B10冬季运行状状况为例，利利用OCM方法简单讨讨论出现Huntiing问题的原因因。此空调箱共连接接6个VAV末端。取冬冬季典型工作作日8:00～18:00的数据，统统计温度、风风量满足情况况如REF_Ref131249539\h\**MERGGEFORMMAT表2表2所示：表SEQ表格\*ARABIC22B110内区冬季典典型日控制性性能汇总VAV12VAV13VAV18VAV19VAV20VAV21设定温度(℃))252525252525温度偏差(℃))0.00.0-0.5风量偏差(×1100%)0.020.010.040.020.020.02由REF_Ref131249539\h\*MMERGEFFORMATT表2表2可得VAV18平均温度偏偏差达到-0.8度，不满足足控制要求，因因此进入VAV控制系统的OCM诊断方法。图SEQ图表\*ARABIC1111VVAV16过渡季VAV控制系统OCM诊断流程第一步：末端风风量满足根据REF_Ref131249539\h\*MERGEEFORMAAT表2表2，VAV18风量平均偏偏差只有4%，即末端风风量能够满足足要求。第二步：要求风风量常达到最最大（小）由REF_Ref131258998\h\*MMERGEFFORMATT图12图12可得，12月VAV16有50%时间要求风风量为最小值值，可见“要求风量常常达到最小”。图SEQ图表\*ARABIC121212月份VAV16要求风量百百分比累计图图第三步：要求风风量来回震动动从典型日VAVV18风量参数变变化图（REF_Ref130993951\h\*MEERGEFOORMAT图8图8）可以看出出要求风量来来回震动，该该步判断结果果为“是”。即系统存存在Huntiing问题。图SEQ图表\*ARABIC13131月26日VAV16末端参数变变化情况图诊断结果：1..Huntting问题。Huntingg问题原因分分析：B10当日AHHU控制情况如如REF_Ref130995050\h\*MERGEEFORMAAT图14图14所示，整整日送风温度度在22～28℃之间波动，同同时各个末端端设定温度均均为25℃。当日所有有末端几乎都都在最小风量量附近变化，因因此需要改变变送风温度，当当处于供冷状状态时，有的的末端温度低低于设定温度度，因此需要要提高送风温温度；当高于于25℃，处于供热热状态时，有有的末端又偏偏热需要降低低送风温度，于于是送风温度度降低；直到到低于室内设设定温度又出出现反复。如如此反复，导导致当日风机机转速、水阀阀开度和末端端阀门开度均均出现不稳定定动作。即所所谓的Huntiing问题。图SEQ图表\*ARABIC14141月26日B10AHHU参数变化图图通过对案例的研研究发现，Huntiing问题出现的的直接原因是是一个AHU连接的VAV末段同时出出现供冷供热热情形，同时时送风温度又又能够满足控控制需求。导致这一原因的的情况有三个个：1.末端负荷较较小（常出现现在过渡季或或内区）;2.各个VAVBOOX设定温度差差别过大；3.分区不妥。其中3属于设计计问题，可以以解决；2属于人为的的因素，可以以尽量避免；；1属于VAV自控系统的的特殊问题，需需要改进控制制系统。此情情况下可以通通过迟滞设计计或者扩大室室内温度满足足域来避免或或减小。总结本文提出了一种种VAV控制系统验验证的目标控控制法（OCM），利用此此方法可以诊诊断VAV控制系统出出现问题的实实质原因，为为后续commiissionning指明方向。作作者通过实例例分析详细介介绍了控制较较复杂的压力力无关型VAV系统的OCM法（对于压压力相关型等等VAV形式可以省省略方法中与与阀位有关的的判断流程，或或根据目标控控制原则及实实际情况对OCM诊断流程做做进一步修改改）。同时，本本文通过实例例分析总结了了VAV系统出现Huntiing问题的几种种原因。本文提出的OCCM法基于传感感器故障问题题已经解决，用用于分析的测测试数据不存存在较大误差差（文中选取取的实例在进进OCM方法之前已已经进行了测测试数据准确确性验证）。实实际工程中，传传感器故障问问题的解决还还得依赖运行行阶段的实测测分析，或者者说传感器性性能验证工作作和OCM法分析在运运行阶段可能能得同时进行行，如何在这这种情况下完完成VAV控制系统的的性能验证将将是后续研究究的重点。致谢在本论文的实测测工作中，得得到了北京发发展大厦设施施科的大力支支持和帮助，在在此谨表感谢谢！参考文献Nakaharra,Noobuo.SStudyandppractiiceonnHVACCsysttemcoommisssioninng.Prroceeddingsofthhe20003-44thInnternaationaalSymmposiuumonHeatiing,VenttilatiinganndAirrCondiitioniing,22003:44-661J.Hyvaarinenn,S.Karkii.Builldingoptimmizatiionanndfauultdiiagnossissouurcebbook.IEAAnnexx(19996)255H.Yoshhida,T.Iwwami,H.Yuuzawa,,M.SSuzukii.TypiicalffaultssofaairconnditiooningssystemmsanddfaulltdettectioonbyARXmmodelandeextenddedKallmanFFilte