专利名称：一种无变风量末端装置的变风量空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及集中式空调变风量空调系统，特别适用于一种无变风量末端装置的变风量节能型空调系统。
背景技术：
现有的集中式空调变风量空调系统，是带有变风量末端装置(VAVBOX)——变风量箱的空调系统，它与常规的空调系统相比，是节能10％以上的节能型空调系统。它特别适合于高档的智能化办公大楼、大型建筑物内区、室温需要个别调节以及适应像SARS病房那样有特种要求的场合。但变风量末端装置(VAVBOX)价格高、控制系统复杂，系统初投资高，(见文献马俊良.民用建筑空调设计.化学工业出版社，2003-7及王家隽.变风量系统控制浅谈.全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集p136)限制了VAV空调系统在我国、在普通集中式空调系统中的应用。图1所示为传统的有变风量末端装置的变风量空调系统(以后简称VAV)流程图。该空调系统包括三个控制回路1、变风量末端VAVBOX控制回路，它完成4个任务房间温度控制，向楼控系统报告变风量调节阀的开度和风量及和楼控系统的联网通讯；2、送风温度控制系统由空调机AHU、送风管上的温度传感器T和冷水管上的电动双通调节阀和搂控系统中的控制软件组成；3.送风管静压控制系统由送风管是静压传感器P、风机F1、变频器IV和搂控系统中的控制软件组成。
在传统的VAV空调系统是以“量”的调节跟踪房间负荷变化的。它的控制分两个部分一是根据房间温度和设定温度的偏差调节变风量末端装置VAVBOX的开度，使送风量和负荷大小相适应，末端变风量调节系统是完整的闭环温度控制系统；二是空气处理机AHU控制系统，它有两个控制回路一个控制回路是送风静压P的控制回路，当某一个VAVBOX末端发生变化使得送风管上特性点的静压P偏离设定值时，根据静压偏差的大小，通过变频器IV控制风机F1的转速，使总送风量与总负荷大小相适应，使静压P又回到设定值附近。另一个控制回路是送风温度T(在空气处理机AHU出口处)控制回路，当负荷发生变化，引起送风温度T偏离给定值，根据偏差的大小，调节冷(热)水电动两通阀M的开度，改变进入空气处理机AHU的冷(热)水量，使送风温度又回到设定值附近，保证送风的“质”(即送风温度T)不变。在控制中保持送风压力P不变的目的是为了减小一个房间的变风量末端装置调节时对其他房间的干扰。理论上可以证明，定压变风量变频风机的节能只和送风量的一次方成正比，因此节能的效果是有限的。
为了提高节能效果，随着电子控制技术和网络技术的进步，发展出一种AHU的“最小静压”控制方法。(参见文献陈向阳.变风量空调系统的自动控制.暖通空调，97.3)在“最小静压”法控制系统中，VAVBOX变为昂贵的智能终端(现在，国外智能型VAVBOX成套产品售价平均为6500元，国内产品达不到国外产品的性能(暖通空调网上资料))，它除了能够根据室内负荷调节送风量外，还有很强的联网功能，时时向大楼楼控系统(BAS)报告VAVBOX的流量和风阀的开度，BAS根据每个VAVBOX送来的信号计算判断空调系统中风阀的大部分是否达到定义中全开的地步，如果没有，BAS探索式的将送风风压P再降低一点，直到大部分的风阀都达到定义中全开的地步，系统也就达到了“最小静压”。由于“最小静压”法中大部分的风阀都达到定义中全开程度，节流损失少，因此比传统的定静压、变流量VAV空调系统更节能。但在系统的结构上对楼控系统来说，每一个VAVBOX起码有两个模拟输入(AI)点和自身带的微处理器，需要约为2000元RMB，每个VAVBOX的流量传感器和风阀开度传感器需要至少3000元RMB左右，有联网功能的RS232或RS485接口及其驱动软件，又需要500元左右，可想而知，如果VAV系统非常大，它的子VAV系统非常多，VAVBOX也将非常多，BAS系统复杂且不说，整个VAV空调系统的造价将不是一般用户能够承受的了的，况且由于总风管送风静压控制系统的控制方程组是不封闭的，决定了控制过程是探索性的，使得控制软件的程序结构趋于复杂。仔细分析造成这个状态的原因，是传统VAV空调系统是按专业模块、按一个一个元件的功能用“片面思考”的理念构成的，系统集成有缝，造成VAV空调系统整体运行的不那么自然、和谐、有序、均衡。
鉴于经济、技术上的原因，上述传统的有VAVBOX的VAV空调系统推广应用受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构相对简单合理，操作简便，造价成本低廉，节约能源，性能优良，简化控制的一种无变风量末端装置的变风量空调系统。实现发明目的技术方案是这样解决的包括总负荷变化信息提取系统、总风阻变化信息提取系统、静态水力平衡调节系统、负荷跟随控制系统、系统水支路静态水力平衡调节系统，本发明的改进之处在于还包括由空调系统中的送风总管上的温度变送器、风量变送器和回风总管上的温度变送器组成的空调系统总负荷变化信息提取系统；送风机进出口或在系统总送风管、回风管间压差变送器和送风总管上的风量变送器组成的空调系统总风阻变化信息提取系统；每一条送风支路上的手动调节阀和送风口组成的支路静态水力平衡调节系统；回风管上的温度变送器、风机和变频器组成的系统负荷跟随控制系统；手动水量两通调节阀和空气处理机盘管组成的无电动双通调节阀节能空调系统水支路静态水力平衡调节系统。
本发明与现有技术相比，是用“系统思考”的理念，从无变风量末端装置(VAVBOX)的变风量(VAV)空调系统的整体全局设计构筑每一个子系统的功能和子系统间的关联，从而使发明的VAV系统整体的结构、运行更为合理、自然、协调，涌现出传统VAV空调系统无法企及的新的特性低廉的造价、显著的节能效果和无变风量末端装置(VAVBOX)的简约的VAV系统结构。这种VAV空调系统构成方案为普及性能优良的、节能显著的变风量(VAV)空调系统，开辟出一条新的路径。本技术方案的初期投资与能耗两项指标与现有技术相比，均有显著的、实质性的进步和特点，如果广泛应用于现有空调系统的改造和新建空调系统的设计，将会有很好的经济效益、社会效益和环境效益。
图1为有VAV调节阀的VAV空调系统结构示意图；图2为无VAV调节阀的VAV空调系统结构示意图；图3为现时空调设计中风管比摩阻计算图。
具体实施例方式
附图2为本发明的一个具体实施例。
下面结合附图对本发的技术方案内容作进一步说明参照图2所示，一种无变风量末端装置的变风量空调系统装置，包括总负荷变化信息提取系统、总风阻变化信息提取系统、静态水力平衡调节系统、负荷跟随控制系统、系统水支路静态水力平衡调节系统，还包括VAV空调系统中的送风总管上的温度变送器T、风量变送器F和回风总管上的温度变送器T组成的空调系统总负荷变化信息提取系统；送风机F1进出口或在系统总送回风间压差变送器ΔP和送风总管上的风量变送器F组成的VAV空调系统总风阻变化信息提取系统；每一条送风支路上的手动调节阀AV和送风口AO组成的支路静态水力平衡调节系统；回风管上的温度变送器T、风机F1和变频器IV组成的系统负荷跟随控制系统；手动水量两通调节阀WV和空气处理机盘管AHU组成的无电动双通调节阀节能空调系统水支路静态水力平衡调节系统。在空气处理机AHU出口主管段上安装总风量风量计(F)和在每一条支路管中串联手动风量平衡调节阀(AV)。
在VAV空调系统设计中，是把空调负荷特性和空调要求近似的区域划分成一个空调区，因此本发明假定一个子VAV空调系统各个末端房间的负荷变化是同步的。舒适性空调系统中，人的感觉迟钝，负荷同步调节可以满足大部分人的舒适性的要求。
本发明是用“系统思考”的理念，从无变风量末端装置(VAVBOX)的变风量(VAV)空调系统的整体全局设计构筑每一个子系统的功能和子系统间的关联，从而使系统整体的结构、运行更为合理、自然、协调，涌现出传统VAV空调系统无法企及的新的特性。用普通的价格便宜的风口、手动风量平衡调节阀AV，代替传统VAV系统中昂贵的变风量末端装置(VAVBOX)，把取消的各个末端风量测量传感器F、风阀开传感器的功能，用放到总送风管上的一个总风量风量计F来代替，用送风机进出口的压差变送器ΔP代替送风总管特性点上的压力变送器P，这样就构成了无变风量末端装置(VAVBOX)的变风量(VAV)空调系统。
本专利发明是借用了本人提出的以下两个推论延伸发明的。
本专利发明人在先200410073119.8的申请专利中，用“系统思考”的理念，从理论上已经证明并提出了在阻力平方区，水路系统中任何阻力元件的综合阻力系数S(管道的综合阻力系数Si或局部阻力元件综合阻力系数Sj)只和其几何参数有关，而和通过它的流量大小无关的新的理念。
本专利发明人在先200410073119.8的申请专利中，已经从理论上证明了水路系统在最节能的完全相似工况运行的充分必要条件是，在(ΔPt-H0)——L(ΔPt——水泵压头，Pa；H0——水环路系统静压头，Pa；L——水泵流量，m3/s)坐标系统中总的综合阻力系数St在运行过程中保持恒定不变。
根据流体力学原理，气流的马赫数M＝0.3时，气体当作不可压缩流体来处理，带来的误差仅有4.46％，完全可以满足工程计算精度的要求。暖通空调中遇到的空气流速最大不过15m/s，马赫数只有M＝0.044，当作不可压缩流体来处理，带来的计算误差只有0.1％，所以空调系统中的空气完全可以当作不可压缩流体来处理，不会带来工程上不允许的计算误差。因此根据“系统思考”理念在不可压缩流体——水的系统中证明得到的上述两个推论，也完全适用于中央空调风路的设计计算。只是对于风路系统，风回路系统的静压差H0可以忽略，而当成闭式风环路系统。另外，风管截面形状很少是圆形的，这时就要和传统的计算方法一样，用当量直径的概念，并用本发明人在先200410073119.8的申请专利中提出的方法，进行风管阻力、风机压头、流量、设计工况点风机性能、变工况点性能、选择风机预后结果的简单而准确计算等。根据上述分析，对于风路系统，可以将上述水系统的结论改述如下在阻力平方区，风路系统中任何阻力元件的综合阻力系数S(风管综合阻力系数Si或局部风管阻力元件综合阻力系数Sj)只和其几何参数有关。图3所示为传统风管阻力比摩阻计算图，图上的阻力-流量特性曲线(logp-logL图)全是直线，已经说明风管综合阻力系数和通过它的风量大小无关，这个结论在现时空调工程上早已这样默认并应用，因此在这个前提下进行的工程计算在理论上是完全合理的。
风路系统在最节能的、完全相似的工况运行的充分必要条件是，风系统总的综合阻力系数St在运行过程中保持恒定不变。
这两个推论背后的深刻含义是风路系统要在最节能的全相似工况运行，风系统里没有一个可以改变几何参数的调节风阀，当然也包括在变工况几何参数可以改变的变风量末端装置(VAVBOX)。这就是发明无VAVBOX的变风量空调(VAV)系统的理论依据。
回风温度的变化本质上是由于环境温度tao变化引起的，它和建筑结构、建筑形体系数、用途、维护结构的热工性能很有关系(这些就是传热系数K、外墙面积F的内涵)，所以把风系统当成一个统一的整体、用系统思考的理念去处理，是客观实际的反映。
如果在总的风路系统控制中，跟踪风系统送风、回风的温度差(ta2-ta1)恒定跟踪系统负荷的变化，用调节风机变频器IV的频率改变送风机F1转速，即改变风机压头ΔP，由于VAV系统中没有一个可以改变几何参数的阻力元件，系统中总风管、支风管的综合阻力系数S均不变，VAV系统便会自动地在最节能的完全相似工况点上工作，同时使每个房间的风口的流量成比例同步的变化，满足负荷变化的要求。风机在全相似工况最节能的机理是在完全相似工况，送风机F1的功耗和转速的三次方成正比，其物理含义就是风路系统各个手动风量平衡调节阀AV的开度事先都在合理的最大，风系统节流损失最小。
无VAVBOX装置的VAV系统要达到这个理想的目的，投入运行前的风路静态水力平衡统调是非常重要的。在无VAVBOX装置的VAV系统静态水力平衡统调时，是在时均负荷率58％的工况，用手动风量平衡调节阀AV将各自末端风口AO的风量调整到额定流量的58％，并验证测量房间的气流组织情况，保证VAV系统大部分运行时间都能够满足空调要求(当然，也可以在VAV系统最小的流量，即在40％～50％额定流量下进行房间气流组织的调整)。系统统调从最远端开始，直到近端的最后一个风口为止。这样反复调整几次，直到整个VAV系统精确达到静态水力平衡。这样做的目的是给风路系统每一个支风管、总风管寻求一个合理的最小综合阻力系数S。
下面列举两个实例说明本发明与现有技术空调系统初期安装费用及运行费用进行对比，就能了解本发明的优势所在。
例1以下计算是对一个典型的全空气空调系统，风机额定容量为0.823kW，空调全年平均负荷率为58％。假定空调系统全年总运行时间为2400h，电费单价为1.00元/kWh。(本例子采用的是上海山武株式会社“VAV/VWV空调的节能控制技术”2004-4-9在中国制冷展上的讲稿中的例子)。
对于一个传统的全空气定压、定风量系统，额定功耗为0.823kW，全年电费1975.2元/y；对于一个传统的全空气有变风量末端装置(VAVBOX)的VAV空调系统，是定压、变流量系统，平均功耗为0.49kW，全年电费1176元/y，是定压、定风量系统能耗的59.5％；对于本专利发明的一个全空气无变风量末端装置(VAVBOX)的VAV空调系统，是变压、变流量全相似系统，平均功耗为0.161kW，全年电费385.4元，是定压、定风量空调系统功耗的19.5％，是定压、变流量系统能耗的32.8％，节能率为67.3％，节能效果非常显著。
例2对于一个有变风量末端装置(VAVBOX)一般规模的变风量(VAV)空调系统，假定有300个变风量末端装置(VAVBOX)，如果每个VAVBOX负担40m2的空调面积(相当于两个标准开间)，估算空调面积在12000m2，折合建筑面积15000m2。
对于有变风量末端装置(VAVBOX)的VAV空调系统，300个进口变风量末端VAVBOX约需要投资195万元，配套楼控系统(BAS)联网功能，约需要投资15万元，变风量末端装置和楼控系统的联网功能软件等，总的投资约210万元；对于无变风量末端装置(VAVBOX)的VAV空调系统，每一个标准开间(约20m2)有一个常用的高质量的散流器AO加手动风量平衡调节阀AV，市场价约500元一套，整个VAV系统风口、风阀需要投资约30万元。较有变风量末端装置(VAVBOX)的VAV空调系统，节约变风量末端装置和楼控系统的AI接口、联网等功能的投资约180万元。无变风量末端装置(VAVBOX)的VAV空调系统仅在变风量末端装置、楼控系统的AI接口、联网功能方面的初投资额度，只是传统VAV系统的14.3％，VAV系统初期投资降低的非常显著。
权利要求
1.一种无变风量末端装置的变风量空调系统，包括总负荷变化信息提取系统、总风阻变化信息提取系统、静态水力平衡调节系统、负荷跟随控制系统、系统水支路静态水力平衡调节系统，其特征在于还包括由(VAV)空调系统中的送风总管上的温度变送器(T)、风量变送器(F)和回风总管上的温度变送器(T)组成的空调系统总负荷变化信息提取系统；送风机(F1)进出口或在系统总送风管、回风管间压差变送器(ΔP)和送风总管上的风量变送器(F)组成的(VAV)空调系统总风阻变化信息提取系统；每一条送风支路上的手动风量平衡调节阀(AV)和送风口(AO)组成的支路静态水力平衡调节系统；回风管上的温度变送器(T)、风机(F1)和变频器(IV)组成的系统负荷跟随控制系统；手动水量两通调节阀(WV)和空气处理机盘管(AHU)组成的无电动双通调节阀节能空调系统水支路静态水力平衡调节系统。
2.根据权利要求1所述的一种无变风量末端装置的变风量空调系统，其特征在于整个变风量空调系统没有一个用于负荷调节的变风量末端装置。
3.根据权利要求1所述的一种无变风量末端装置的变风量空调系统，其特征在于在总送风管处和总回风管处提取空调总负荷变化信息并精确追踪空调系统总负荷的变化。
4.根据权利要求1所述的一种无变风量末端装置的变风量空调系统，其特征在于风机(F1)时时自发地在最节能的全相似的工况运行。
5.根据权利要求1所述的一种无变风量末端装置的变风量空调系统，其特征在于系统中各个末端风口(AO)是同步追踪负荷变化的。
全文摘要
本发明公开无变风量末端装置变风量空调系统。包括空调系统中送风总管上温度变送器、风量变送器和回风总管上温度变送器组成空调系统总负荷变化信息提取系统；送风机进出口压差变送器和送风总管上的风量变送器组成的空调系统总风阻变化信息提取系统；每一条送风支路上的手动调节阀和送风口组成的支路静态水力平衡调节系统；回风管上的温度变送器、风机和变频器组成的系统负荷跟随控制系统；手动水量两通调节阀和空气处理机盘管组成的无电动双通调节阀节能空调系统水支路静态水力平衡调节系统。本发明运用“系统思考”的理念，去掉了变风量末端装置，使新VAV系统具有结构简约、造价低、节能效果显著的特点。
文档编号F24F3/06GK1632397SQ20041007325
公开日2005年6月29日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者曹琦, 张晨, 曹秋云, 曹春丽 申请人:曹琦