置換通風非常適用于高大的空間，但因其特殊的送回風方式，對空調裝置的自控系統(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計實踐中，采用了具備自控系統(tǒng)的置換通風方式，并著重分析了其工作特點、研討了自控方案的取舍。本文將結合此項目討論其設計思路與要點。

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

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

　　本工程采用兩臺離心式冷水機組做冷源，其中一臺配有變頻調節(jié)裝置。

　　2 設計準備2.1 簡單系統(tǒng)原則確定音樂廳空調自控系統(tǒng)的解決方案，首先要面對繁多的系統(tǒng)變量。例如：如何補償音樂廳聽眾人數(shù)的變化和不同演出要求下的燈光負荷變化（即熱濕負荷的變化）對空調系統(tǒng)風量和冷量的影響；如何減小空調系統(tǒng)運行時噪音對現(xiàn)場演出的影響；廳內大量溫濕度傳感器對測量可信度及裝飾效果的影響；為了節(jié)能而減小新風量對廳內空氣環(huán)境的影響；作為一個巨大的熱慣性系統(tǒng)，以數(shù)小時計的時間常數(shù)對自控調節(jié)時效性的影響等等。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，則整個系統(tǒng)越穩(wěn)定，過渡期也越短。廝自控系統(tǒng)實施方案，應該盡量簡化系統(tǒng)變量，減少控制環(huán)節(jié)，找出一個切實可行的自控解決方案。

　　2.2 負荷性質分析不同座率造成的人體顯熱、潛熱負荷變化和演出照明燈光的變化是音樂廳內主要的空調負荷變化。與通常的空調系統(tǒng)不同，這種變化并不是時刻存在的，在特定時間（演出時）內負荷是相對穩(wěn)定的。這種負荷性質使得自控系統(tǒng)對系統(tǒng)內的風機調控處于一種微小的、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)進行補償。

　　2.3 預冷階段音樂廳屬于建筑物內區(qū)，特有的雙層圍護結構既隔聲又保溫。在演出前經(jīng)過預冷階段后，廳內空氣溫度達到設計送風溫度所要求的20℃左右。此后，自控系統(tǒng)再根據(jù)入場聽眾和燈光負荷進行調節(jié)控制，這樣就避免了系統(tǒng)極限調節(jié)的工況，降低了對控制系統(tǒng)、空調設備參數(shù)的要求。在演出過程中，廳內空調系統(tǒng)受外界影響很小。冬季時，預冷時間酌情縮短。經(jīng)過調試和試運行階段，操控人員會掌握不同季節(jié)時音樂廳所需的預冷時間，并寫入控制程序中。

　　2.4 風量平衡在音樂廳的空調系統(tǒng)中，維持風量平衡和廳內正壓是保證空調調節(jié)效果的必要條件，是控制回風楊轉速跟蹤送風楊轉速變化、以及控制排風機轉速的基本依據(jù)。如果因新風量減少或排風量增加過多，打破了風量平衡，會造成外界熱空氣滲入廳內、回風溫度升高，冷凍水盤管閥門開度不斷增大，使得能耗持續(xù)增加。如回風溫度過高，超出系統(tǒng)調控范圍，會使系統(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 設計過程3.1 溫度測量點的選取與通常的空調自控系統(tǒng)不同，置換通風方式需要采集廳內溫度和送風溫度兩個測量值。為避免廳內溫度梯度（置換通風方式會使廳內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，溫度測量點的選取十分重要。

　　考慮人的生理特點，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高度設置溫度傳感器為宜。傳感器裝設在每個聽眾區(qū)域和舞臺區(qū)周圍的反射墻中，盡量減少對室內裝修的影響。每個空調機組送風分區(qū)的測量值經(jīng)加權平均后作為廳內平均溫度、送入該空調機組控制器的后續(xù)程序處理。本工程廳內平均溫度設計值為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)量表廳內空調分區(qū)廳內溫濕度傳感器數(shù)量送風溫度傳感器數(shù)量舞臺區(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

　　置換通風方式對空調送風溫度的穩(wěn)定性要求較高。音樂廳空調的送風道由各空調機組引出，經(jīng)空氣槽分別到達四個空調分區(qū)下面，在各風道末端設消音體段和出風口。為保證采集送風溫度的精確度和可信度，頤墻�祟^縹露卻�羔咓蓹局]頭緄濫┒順齜緲�，导线沿肪i辣礱娣笊琛5枷卟簧柙詵緄濫�，是由釉懠蠂\┕�肪i老�音秱稳絺b�难，并要避免肪岟过带动导线产生噪声�K頭縹露炔杉�数臼~拇��砉�程与厅恼~驕�温儿o拇��砉�程相同，储�斫峁�作为祟^縉驕�温度�1竟こ趟頭縉驕�温度设计值�？0℃。

　　因音樂廳內溫度傳感器數(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了DDC裝置，就近接收并處理各溫度傳感器的信息�？諝獠壑械腄DC通過樓宇自控系統(tǒng)的C-BUS總線同空調機組的DDC裝置相連。

　　3.2新風閥開度控制因土建條件的限制，音樂廳的新風量不能做到過渡季全新風運行，其設計值只是略大于規(guī)范中的衛(wèi)生標準。因此在自控調節(jié)時，為了節(jié)能而減少新風量不僅效果不甚明顯，而且還增加了排風機轉速同新風閥開度的聯(lián)動控制環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)變復雜，這無疑是不明智的。為了保證廳內的空氣質量，我們提出在演出過程中，保持新風最大化的原則，并據(jù)此將新風閥由電動調節(jié)閥改為電動開關閥。演出時全開，其它時間全關。新風閥開關量控制簡化了控制環(huán)節(jié)，滿足了空調要求并減低了造價。

　　3.3 風機控制3.3.1 組合空調器送內機的控制控制送風機的轉速就是控制送風量。如不考慮個體差異，消除音樂廳內每個聽眾的熱負荷需要固定的送風溫度和風量，但音樂廳的上座率不是固定的。半場演出時，有人座位會受到無人座位冷風的影響，且整個調節(jié)空間的溫度會降低。因此，空調機組送風機轉速只能靠平均室溫調整�？紤]到廳內的風量平衡，調節(jié)量不宜太大，也不能過低。為滿足空氣調節(jié)對送風機的要求，我們選用能連續(xù)調節(jié)風機轉速的變頻調速器。

　　3.3.2 組合空調器回風機的控制為了降低廳內背景噪聲，用于音樂廳的空調機組全部采用雙風機系統(tǒng)。為了便于調控，維持風量平衡，回風機也采用雙風機系統(tǒng)。為了便于調控，維持風量平衡，回風機也采用了變頻調速器。在自控系統(tǒng)控制送風機的轉速回風量同送風量的差值維持恒定值——即新風量。理論上講，當送風機轉速足夠低時，回風機會因轉速過低造成幾乎無回風量的情況。為了保證音樂廳內空氣品質，我們在控制算法中限定了回風機的最低轉速。

　　3.3.3 屋頂排風機的聯(lián)動音樂廳設置排風機主要有以下幾項功能：及時排出演出面光燈具和屋頂最高處的熱量；提高廳內空氣品質；維持廳內風量平衡。排風機的安裝位置距音樂廳較近，要盡可能減小風機噪音對廳內演出的影響。因此在滿足演出排風量要求后，應盡量選用較低的轉速。我們在設計階段只給出排風量的參考值，實際值在現(xiàn)場調試時確定。而采用變頻器給排風機供電，正為此提供了方便。

　　在演出場間休息時，排風機全速運行，強制換氣。

　　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自控系統(tǒng)中，冷水盤管閥門開度一般由回風溫度或室內溫度控制。但這兩種方式都不適于本項目。音樂廳的空調回風口設于頂部，回風溫度并不能反映聽眾區(qū)的實際情況。加入回風溫度信號，相當于將音樂廳巨大的時間常數(shù)引入了閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，無疑會使整個系統(tǒng)的品質因數(shù)變壞。而廳內平均溫度已用來控制送風機轉速，不能再控制冷水盤管閥門開度。

　　在音樂廳這樣一個相對封閉的空間中，冷水盤管的主要作用是控制廳內溫度和空氣相對濕度。一般采用的方法是間接控制法（定露點）和直接控制法（變露點）兩種。我們注意到，在演出時，音樂廳內聽眾數(shù)量穩(wěn)定，散濕量波動不大；但不同演出的上座率變化較大，即實際運營中音樂廳內產濕量波動較大。對于這種產濕量變化較大的情況，只能由廳內平均相對濕度來直接控制冷水盤管閥門開度。相對濕度傳感器設置在音樂廳內（廳內相對濕度傳感器與廳內溫度傳感器設在一起），其信號直接連至一設于空氣槽中的DDC，數(shù)據(jù)處理算法同處理廳內溫度相同。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口送入廳內，由于溫度過低會引起聽眾的不適。因此，為音樂廳提供空調的每一臺組合空調機組都設置了電加熱器。每套電加熱器分為5段或6段。通過調節(jié)電加熱器的工作段數(shù)，使得空調機組送風溫高保持在20℃左右，保證聽眾腳部不會有冰涼感。在設計中我們沒有找到可以無級調節(jié)的電加熱器，將電加熱器設為5段或6段也是綜合考慮了控制算法、配電設計和空調設計的要求。但由模擬型的輸入?yún)��?shù)（送風溫度）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 溫度補償在音樂廳的空調自控系統(tǒng)設計中，我們主要考慮了兩種溫度補償措施。

　　（1）設定溫度的補償：考慮到音樂廳處于建筑物內區(qū)，又是斷續(xù)使用，廳內空氣各項參數(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，將廳內平均溫度和送風平均溫度適當降低，節(jié)約能耗。此外，在夏季，當廳內聽（觀）眾人數(shù)太少，送風機工作在最低允許轉速，而廳內平均溫度仍在繼續(xù)降低時，要適當提高送風平均溫度的設定值，保證聽（觀）眾的舒適性；

　�。�2）送風溫度的補償：主要為獲得較高的調節(jié)品質，克服系統(tǒng)運行和調節(jié)中存在的滯后現(xiàn)象。這種補償可以較早地根據(jù)測到的新風溫濕度、冷凍水溫度和水量、送風量等參數(shù)的變化做出較高的校正和調節(jié)動作（微分調節(jié)），減少這些干擾對廳內送風平均溫度的影響，防止控制系統(tǒng)產生振蕩。系統(tǒng)實際工作中，冷凍水溫度和水量等參由冷水機組控制系統(tǒng)提供。

　　4 實現(xiàn)工藝音樂廳的空調自控系統(tǒng)是樓宇自控系統(tǒng)的主要組成部分。設備采用美國Honeywell公司第四代建筑物集成管理系統(tǒng)（EBI）作為管理平臺，配合Excel5000系列現(xiàn)場控制器，通過三條C-B US總線對全樓相關設備進行監(jiān)控。該系統(tǒng)支持LonWorks和BACnet標準。主機采用一臺服務器，配備WindowsNT操作系統(tǒng)、SQL Server7.0數(shù)據(jù)庫，可顯示風格的控制界面。全樓設有1000余個監(jiān)控點。

　　下面總結一下音樂廳空調自控系統(tǒng)的工作過程：

　　4.1 預冷階段新風閥、排風機關閉、電加熱器斷開，送風機和回風機運行最大轉速、冷凍水盤管閥門全開，使音樂廳盡快降溫到送風平均溫度設定值。

　　4.2 演出階段（1）新風閥全開（新風最大化），排風機低速運行；

　�。�2）送風機根據(jù)廳內平均溫度調節(jié)轉速，回風機跟蹤送風機轉速的變化而變化，使得送風量和回風量的差值維持一個恒值（即新風量）；

　�。�3）根據(jù)廳內相對平均濕度調節(jié)冷凍水盤管閥門開度，控制廳內相對濕度，保證舒適性；

　　（4）根據(jù)空調機組送風溫度調節(jié)電加熱器的段數(shù)，使送風平均溫度維持在20左右℃。

　　4.3 場間休息階段排風機高速運行，加快音樂廳換氣。