深圳文化中心音樂廳空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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　　置換通風(fēng)非常適用于高大的空間，但因其特殊的送回風(fēng)方式，對(duì)空調(diào)裝置的自控系統(tǒng)也提出了不同的要求。我們在深圳文化中心音樂廳大廳的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，采用了具備自控系統(tǒng)的置換通風(fēng)方式，并著重分析了其工作特點(diǎn)、研討了自控方案的取舍。本文將結(jié)合此項(xiàng)目討論其設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)。

　　1 工程簡介深圳文化中心項(xiàng)目由日本磯崎新株式會(huì)社主持設(shè)計(jì)，包括音樂廳和中心圖書館等組成的多功能公共設(shè)施。其中音樂廳和大廳（以下簡稱音樂廳）容納1800座，用反音墻（板）分隔成標(biāo)高不同的25個(gè)區(qū)域。

　　音樂廳處于建筑物內(nèi)區(qū)；舞臺(tái)區(qū)和聽眾區(qū)下各設(shè)有一貫通的空氣槽（視為巨大的靜壓箱，）平衡空調(diào)送風(fēng)壓力；聽眾區(qū)采用椅腳送風(fēng)，舞臺(tái)區(qū)采用地面送風(fēng)、屋頂回風(fēng)（即置換通風(fēng)）；為防止不同高差的聽眾區(qū)域間氣流的相互影響，在落差較大的舞臺(tái)區(qū)域，分別由四臺(tái)組合空調(diào)機(jī)組送風(fēng)；考慮到廳內(nèi)人員的舒適性，提高了空調(diào)送風(fēng)溫度，每臺(tái)空調(diào)機(jī)組都設(shè)置了電加熱器（深圳地區(qū)不提供市政熱源）；因土建條件的限制，新風(fēng)量較少，不能做到過渡季全新風(fēng)運(yùn)行；音樂廳屋頂設(shè)有兩臺(tái)排風(fēng)機(jī)，分別排走舞臺(tái)面光區(qū)和屋頂最高處的熱量。

　　本工程采用兩臺(tái)離心式冷水機(jī)組做冷源，其中一臺(tái)配有變頻調(diào)節(jié)裝置。

　　2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備2.1 簡單系統(tǒng)原則確定音樂廳空調(diào)自控系統(tǒng)的解決方案，首先要面對(duì)繁多的系統(tǒng)變量。例如：如何補(bǔ)償音樂廳聽眾人數(shù)的變化和不同演出要求下的燈光負(fù)荷變化（即熱濕負(fù)荷的變化）對(duì)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量和冷量的影響；如何減小空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)噪音對(duì)現(xiàn)場演出的影響；廳內(nèi)大量溫濕度傳感器對(duì)測量可信度及裝飾效果的影響；為了節(jié)能而減小新風(fēng)量對(duì)廳內(nèi)空氣環(huán)境的影響；作為一個(gè)巨大的熱慣性系統(tǒng)，以數(shù)小時(shí)計(jì)的時(shí)間常數(shù)對(duì)自控調(diào)節(jié)時(shí)效性的影響等等。其中引入了控制論中的簡單系統(tǒng)原則——即系統(tǒng)越簡單，變量越少，則整個(gè)系統(tǒng)越穩(wěn)定，過渡期也越短。廝自控系統(tǒng)實(shí)施方案，應(yīng)該盡量簡化系統(tǒng)變量，減少控制環(huán)節(jié)，找出一個(gè)切實(shí)可行的自控解決方案。

　　2.2 負(fù)荷性質(zhì)分析不同座率造成的人體顯熱、潛熱負(fù)荷變化和演出照明燈光的變化是音樂廳內(nèi)主要的空調(diào)負(fù)荷變化。與通常的空調(diào)系統(tǒng)不同，這種變化并不是時(shí)刻存在的，在特定時(shí)間（演出時(shí)）內(nèi)負(fù)荷是相對(duì)穩(wěn)定的。這種負(fù)荷性質(zhì)使得自控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)調(diào)控處于一種微小的、穩(wěn)定的狀態(tài)上。所以，盡管音樂廳是一種典型的大慣性系統(tǒng)，可理論上并不要求在控制環(huán)節(jié)上額外增加微分環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。

　　2.3 預(yù)冷階段音樂廳屬于建筑物內(nèi)區(qū)，特有的雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)既隔聲又保溫。在演出前經(jīng)過預(yù)冷階段后，廳內(nèi)空氣溫度達(dá)到設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度所要求的20℃左右。此后，自控系統(tǒng)再根據(jù)入場聽眾和燈光負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，這樣就避免了系統(tǒng)極限調(diào)節(jié)的工況，降低了對(duì)控制系統(tǒng)、空調(diào)設(shè)備參數(shù)的要求。在演出過程中，廳內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)受外界影響很小。冬季時(shí)，預(yù)冷時(shí)間酌情縮短。經(jīng)過調(diào)試和試運(yùn)行階段，操控人員會(huì)掌握不同季節(jié)時(shí)音樂廳所需的預(yù)冷時(shí)間，并寫入控制程序中。

　　2.4 風(fēng)量平衡在音樂廳的空調(diào)系統(tǒng)中，維持風(fēng)量平衡和廳內(nèi)正壓是保證空調(diào)調(diào)節(jié)效果的必要條件，是控制回風(fēng)楊轉(zhuǎn)速跟蹤送風(fēng)楊轉(zhuǎn)速變化、以及控制排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基本依據(jù)。如果因新風(fēng)量減少或排風(fēng)量增加過多，打破了風(fēng)量平衡，會(huì)造成外界熱空氣滲入廳內(nèi)、回風(fēng)溫度升高，冷凍水盤管閥門開度不斷增大，使得能耗持續(xù)增加。如回風(fēng)溫度過高，超出系統(tǒng)調(diào)控范圍，會(huì)使系統(tǒng)各部件在極限狀態(tài)工作，引起系統(tǒng)“中？quot；，失去控制作用。

　　3 設(shè)計(jì)過程3.1 溫度測量點(diǎn)的選取與通常的空調(diào)自控系統(tǒng)不同，置換通風(fēng)方式需要采集廳內(nèi)溫度和送風(fēng)溫度兩個(gè)測量值。為避免廳內(nèi)溫度梯度（置換通風(fēng)方式會(huì)使廳內(nèi)空氣形成自下而上越來越高的溫度分布）的影響，取得最高的系統(tǒng)效率，提高溫度采樣的可信度，溫度測量點(diǎn)的選取十分重要。

　　考慮人的生理特點(diǎn)，以最靠近處于坐姿的人頭部（呼吸區(qū)）的空氣溫度，即距地約1.1m高度設(shè)置溫度傳感器為宜。傳感器裝設(shè)在每個(gè)聽眾區(qū)域和舞臺(tái)區(qū)周圍的反射墻中，盡量減少對(duì)室內(nèi)裝修的影響。每個(gè)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)分區(qū)的測量值經(jīng)加權(quán)平均后作為廳內(nèi)平均溫度、送入該空調(diào)機(jī)組控制器的后續(xù)程序處理。本工程廳內(nèi)平均溫度設(shè)計(jì)值為24℃±10℃。

　　音樂廳各區(qū)溫度傳感器數(shù)量見下表：

　　音樂廳各區(qū)溫度傳感器數(shù)量表廳內(nèi)空調(diào)分區(qū)廳內(nèi)溫濕度傳感器數(shù)量送風(fēng)溫度傳感器數(shù)量舞臺(tái)區(qū) 2 1聽眾區(qū)1區(qū) 7 5聽眾區(qū)2區(qū) 6 6聽眾區(qū)3區(qū) 4 7

　　置換通風(fēng)方式對(duì)空調(diào)送風(fēng)溫度的穩(wěn)定性要求較高。音樂廳空調(diào)的送風(fēng)道由各空調(diào)機(jī)組引出，經(jīng)空氣槽分別到達(dá)四個(gè)空調(diào)分區(qū)下面，在各風(fēng)道末端設(shè)消音體段和出風(fēng)口。為保證采集送風(fēng)溫度的精確度和可信度，頤墻?頭縹露卻?釁魃櫨謁頭緄濫┒順齜緲冢?枷哐胤緄辣礱娣笊琛5枷卟簧柙詵緄濫冢?怯捎詰枷嘰┕?緄老?舳偽冉俠?眩?⒁?苊夥緦鞴???枷卟??肷?K頭縹露炔杉??蕕拇?砉?逃胩?諂驕?露鵲拇?砉?滔嗤???斫峁?魑?頭縉驕?露取1竟こ趟頭縉驕?露壬杓浦滴？0℃。

　　因音樂廳內(nèi)溫度傳感器數(shù)量較多，連線較長，為保證其可靠的工作，我們特意在空氣槽中增設(shè)了DDC裝置，就近接收并處理各溫度傳感器的信息。空氣槽中的DDC通過樓宇自控系統(tǒng)的C-BUS總線同空調(diào)機(jī)組的DDC裝置相連。

　　3.2新風(fēng)閥開度控制因土建條件的限制，音樂廳的新風(fēng)量不能做到過渡季全新風(fēng)運(yùn)行，其設(shè)計(jì)值只是略大于規(guī)范中的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此在自控調(diào)節(jié)時(shí)，為了節(jié)能而減少新風(fēng)量不僅效果不甚明顯，而且還增加了排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速同新風(fēng)閥開度的聯(lián)動(dòng)控制環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)變復(fù)雜，這無疑是不明智的。為了保證廳內(nèi)的空氣質(zhì)量，我們提出在演出過程中，保持新風(fēng)最大化的原則，并據(jù)此將新風(fēng)閥由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改為電動(dòng)開關(guān)閥。演出時(shí)全開，其它時(shí)間全關(guān)。新風(fēng)閥開關(guān)量控制簡化了控制環(huán)節(jié)，滿足了空調(diào)要求并減低了造價(jià)。

　　3.3 風(fēng)機(jī)控制3.3.1 組合空調(diào)器送內(nèi)機(jī)的控制控制送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就是控制送風(fēng)量。如不考慮個(gè)體差異，消除音樂廳內(nèi)每個(gè)聽眾的熱負(fù)荷需要固定的送風(fēng)溫度和風(fēng)量，但音樂廳的上座率不是固定的。半場演出時(shí)，有人座位會(huì)受到無人座位冷風(fēng)的影響，且整個(gè)調(diào)節(jié)空間的溫度會(huì)降低。因此，空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速只能靠平均室溫調(diào)整?？紤]到廳內(nèi)的風(fēng)量平衡，調(diào)節(jié)量不宜太大，也不能過低。為滿足空氣調(diào)節(jié)對(duì)送風(fēng)機(jī)的要求，我們選用能連續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速器。

　　3.3.2 組合空調(diào)器回風(fēng)機(jī)的控制為了降低廳內(nèi)背景噪聲，用于音樂廳的空調(diào)機(jī)組全部采用雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。為了便于調(diào)控，維持風(fēng)量平衡，回風(fēng)機(jī)也采用雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。為了便于調(diào)控，維持風(fēng)量平衡，回風(fēng)機(jī)也采用了變頻調(diào)速器。在自控系統(tǒng)控制送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速回風(fēng)量同送風(fēng)量的差值維持恒定值——即新風(fēng)量。理論上講，當(dāng)送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速足夠低時(shí)，回風(fēng)機(jī)會(huì)因轉(zhuǎn)速過低造成幾乎無回風(fēng)量的情況。為了保證音樂廳內(nèi)空氣品質(zhì)，我們在控制算法中限定了回風(fēng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速。

　　3.3.3 屋頂排風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)音樂廳設(shè)置排風(fēng)機(jī)主要有以下幾項(xiàng)功能：及時(shí)排出演出面光燈具和屋頂最高處的熱量；提高廳內(nèi)空氣品質(zhì)；維持廳內(nèi)風(fēng)量平衡。排風(fēng)機(jī)的安裝位置距音樂廳較近，要盡可能減小風(fēng)機(jī)噪音對(duì)廳內(nèi)演出的影響。因此在滿足演出排風(fēng)量要求后，應(yīng)盡量選用較低的轉(zhuǎn)速。我們在設(shè)計(jì)階段只給出排風(fēng)量的參考值，實(shí)際值在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)確定。而采用變頻器給排風(fēng)機(jī)供電，正為此提供了方便。

　　在演出場間休息時(shí)，排風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，強(qiáng)制換氣。

　　3.4 溫度控制3.4.1 冷水盤管閥門開度控制在通常的空調(diào)自控系統(tǒng)中，冷水盤管閥門開度一般由回風(fēng)溫度或室內(nèi)溫度控制。但這兩種方式都不適于本項(xiàng)目。音樂廳的空調(diào)回風(fēng)口設(shè)于頂部，回風(fēng)溫度并不能反映聽眾區(qū)的實(shí)際情況。加入回風(fēng)溫度信號(hào)，相當(dāng)于將音樂廳巨大的時(shí)間常數(shù)引入了閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，無疑會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)變壞。而廳內(nèi)平均溫度已用來控制送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不能再控制冷水盤管閥門開度。

　　在音樂廳這樣一個(gè)相對(duì)封閉的空間中，冷水盤管的主要作用是控制廳內(nèi)溫度和空氣相對(duì)濕度。一般采用的方法是間接控制法（定露點(diǎn)）和直接控制法（變露點(diǎn)）兩種。我們注意到，在演出時(shí)，音樂廳內(nèi)聽眾數(shù)量穩(wěn)定，散濕量波動(dòng)不大；但不同演出的上座率變化較大，即實(shí)際運(yùn)營中音樂廳內(nèi)產(chǎn)濕量波動(dòng)較大。對(duì)于這種產(chǎn)濕量變化較大的情況，只能由廳內(nèi)平均相對(duì)濕度來直接控制冷水盤管閥門開度。相對(duì)濕度傳感器設(shè)置在音樂廳內(nèi)（廳內(nèi)相對(duì)濕度傳感器與廳內(nèi)溫度傳感器設(shè)在一起），其信號(hào)直接連至一設(shè)于空氣槽中的DDC，數(shù)據(jù)處理算法同處理廳內(nèi)溫度相同。這種方案成本提高不多，控制直接，算法也簡單，效果能得到保證。

　　3.4.2 電加熱器的控制經(jīng)冷水盤管處理后的空氣如直接由椅腳風(fēng)口送入廳內(nèi)，由于溫度過低會(huì)引起聽眾的不適。因此，為音樂廳提供空調(diào)的每一臺(tái)組合空調(diào)機(jī)組都設(shè)置了電加熱器。每套電加熱器分為5段或6段。通過調(diào)節(jié)電加熱器的工作段數(shù)，使得空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫高保持在20℃左右，保證聽眾腳部不會(huì)有冰涼感。在設(shè)計(jì)中我們沒有找到可以無級(jí)調(diào)節(jié)的電加熱器，將電加熱器設(shè)為5段或6段也是綜合考慮了控制算法、配電設(shè)計(jì)和空調(diào)設(shè)計(jì)的要求。但由模擬型的輸入?yún)?shù)（送風(fēng)溫度）控制數(shù)字型的輸出參數(shù)（電加熱器的段數(shù)），要在控制算法中增加邏輯判斷環(huán)節(jié)。

　　3.4.3 溫度補(bǔ)償在音樂廳的空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們主要考慮了兩種溫度補(bǔ)償措施。

　?。?）設(shè)定溫度的補(bǔ)償：考慮到音樂廳處于建筑物內(nèi)區(qū)，又是斷續(xù)使用，廳內(nèi)空氣各項(xiàng)參數(shù)受每天日照影響小，受季節(jié)變換影響大。因此，要求在冬季時(shí)，將廳內(nèi)平均溫度和送風(fēng)平均溫度適當(dāng)降低，節(jié)約能耗。此外，在夏季，當(dāng)廳內(nèi)聽（觀）眾人數(shù)太少，送風(fēng)機(jī)工作在最低允許轉(zhuǎn)速，而廳內(nèi)平均溫度仍在繼續(xù)降低時(shí)，要適當(dāng)提高送風(fēng)平均溫度的設(shè)定值，保證聽（觀）眾的舒適性；

　?。?）送風(fēng)溫度的補(bǔ)償：主要為獲得較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)，克服系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)節(jié)中存在的滯后現(xiàn)象。這種補(bǔ)償可以較早地根據(jù)測到的新風(fēng)溫濕度、冷凍水溫度和水量、送風(fēng)量等參數(shù)的變化做出較高的校正和調(diào)節(jié)動(dòng)作（微分調(diào)節(jié)），減少這些干擾對(duì)廳內(nèi)送風(fēng)平均溫度的影響，防止控制系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。系統(tǒng)實(shí)際工作中，冷凍水溫度和水量等參由冷水機(jī)組控制系統(tǒng)提供。

　　4 實(shí)現(xiàn)工藝音樂廳的空調(diào)自控系統(tǒng)是樓宇自控系統(tǒng)的主要組成部分。設(shè)備采用美國Honeywell公司第四代建筑物集成管理系統(tǒng)（EBI）作為管理平臺(tái)，配合Excel5000系列現(xiàn)場控制器，通過三條C-B US總線對(duì)全樓相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。該系統(tǒng)支持LonWorks和BACnet標(biāo)準(zhǔn)。主機(jī)采用一臺(tái)服務(wù)器，配備WindowsNT操作系統(tǒng)、SQL Server7.0數(shù)據(jù)庫，可顯示風(fēng)格的控制界面。全樓設(shè)有1000余個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。

　　下面總結(jié)一下音樂廳空調(diào)自控系統(tǒng)的工作過程：

　　4.1 預(yù)冷階段新風(fēng)閥、排風(fēng)機(jī)關(guān)閉、電加熱器斷開，送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)運(yùn)行最大轉(zhuǎn)速、冷凍水盤管閥門全開，使音樂廳盡快降溫到送風(fēng)平均溫度設(shè)定值。

　　4.2 演出階段（1）新風(fēng)閥全開（新風(fēng)最大化），排風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行；

　?。?）送風(fēng)機(jī)根據(jù)廳內(nèi)平均溫度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，回風(fēng)機(jī)跟蹤送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，使得送風(fēng)量和回風(fēng)量的差值維持一個(gè)恒值（即新風(fēng)量）；

　?。?）根據(jù)廳內(nèi)相對(duì)平均濕度調(diào)節(jié)冷凍水盤管閥門開度，控制廳內(nèi)相對(duì)濕度，保證舒適性；

　?。?）根據(jù)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)電加熱器的段數(shù)，使送風(fēng)平均溫度維持在20左右℃。

　　4.3 場間休息階段排風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，加快音樂廳換氣。