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，對空調裝置的自控系統也提出了不同的要求。我們在深圳文化中心音樂(lè )廳大廳的設計實(shí)踐中，采用了具備自控系統的置換通風(fēng)方式，并著(zhù)重分析了其工作特點(diǎn)、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(diǎn)。

　　1 工程簡(jiǎn)介深圳文化中心項目由日本磯崎新株式會(huì )社主持設計，包括音樂(lè )廳和中心圖書(shū)館等組成的多功能公共設施。其中音樂(lè )廳和大廳（以下簡(jiǎn)稱(chēng)音樂(lè )廳）容納1800座，用反音墻（板）分隔成標高不同的25個(gè)區域。

　　音樂(lè )廳處于建筑物內區；舞臺區和聽(tīng)眾區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(fēng)壓力；聽(tīng)眾區采用椅腳送風(fēng)，舞臺區采用地面送風(fēng)、屋頂回風(fēng)（即置換通風(fēng)）；為防止不同高差的聽(tīng)眾區域間氣流的相互影響，在落差較大的舞臺區域，分別由四臺組合空調機組送風(fēng)；考慮到廳內人員的舒適性，提高了空調送風(fēng)溫度，每臺空調機組都設置了電加熱器（深圳地區不提供市政熱源）；因土建條件的限制，新風(fēng)量較少，不能做到過(guò)渡季全新風(fēng)運行；音樂(lè )廳屋頂設有兩臺排風(fēng)機，分別排走舞臺面光區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裝置。

　　2 設計準備2.1 簡(jiǎn)單系統原則確定音樂(lè )廳空調自控系統的解決方案，首先要面對繁多的系統變量。例如：如何補償音樂(lè )廳聽(tīng)眾人數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）對空調系統風(fēng)量和冷量的影響；如何減小空調系統運行時(shí)噪音對現場(chǎng)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；為了節能而減小新風(fēng)量對廳內空氣環(huán)境的影響；作為一個(gè)巨大的熱慣性系統，以數小時(shí)計的時(shí)間常數對自控調節時(shí)效性的影響等等。其中引入了控制論中的簡(jiǎn)單系統原則——即系統越簡(jiǎn)單，變量越少，則整個(gè)系統越穩定，過(guò)渡期也越短。廝自控系統實(shí)施方案，應該盡量簡(jiǎn)化系統變量，減少控制環(huán)節，找出一個(gè)切實(shí)可行的自控解決方案。

　　2.2 負荷性質(zhì)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(lè )廳內主要的空調負荷變化。與通常的空調系統不同，這種變化并不是時(shí)刻存在的，在特定時(shí)間（演出時(shí)）內負荷是相對穩定的。這種負荷性質(zhì)使得自控系統對系統內的風(fēng)機調控處于一種微小的、穩定的狀態(tài)上。所以，盡管音樂(lè )廳是一種典型的大慣性系統，可理論上并不要求在控制環(huán)節上額外增加微分環(huán)節進(jìn)行補償。

　　2.3 預冷階段音樂(lè )廳屬于建筑物內區，特有的雙層圍護結構既隔聲又保溫。在演出前經(jīng)過(guò)預冷階段后，廳內空氣溫度達到設計送風(fēng)溫度所要求的20℃左右。此后，自控系統再根據入場(chǎng)聽(tīng)眾和燈光負荷進(jìn)行調節控制，這樣就避免了系統極限調節的工況，降低了對控制系統、空調設備參數的要求。在演出過(guò)程中，廳內空調系統受外界影響很小。冬季時(shí)，預冷時(shí)間酌情縮短。經(jīng)過(guò)調試和試運行階段，操控人員會(huì )掌握不同季節時(shí)音樂(lè )廳所需的預冷時(shí)間，并寫(xiě)入控制程序中。

　　2.4 風(fēng)量平衡在音樂(lè )廳的空調系統中，維持風(fēng)量平衡和廳內正壓是保證空調調節效果的必要條件，是控制回風(fēng)楊轉速跟蹤送風(fēng)楊轉速變化、以及控制排風(fēng)機轉速的基本依據。如果因新風(fēng)量減少或排風(fēng)量增加過(guò)多，打破了風(fēng)量平衡，會(huì )造成外界熱空氣滲入廳內、回風(fēng)溫度升高，冷凍水盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度不斷增大，使得能耗持續增加。如回風(fēng)溫度過(guò)高，超出系統調控范圍，會(huì )使系統各部件在極限狀態(tài)工作，引起系統“中？quot；，失去控制作用。

　　3 設計過(guò)程3.1 溫度測量點(diǎn)的選取與通常的空調自控系統不同，置換通風(fēng)方式需要采集廳內溫度和送風(fēng)溫度兩個(gè)測量值。為避免廳內溫度梯度（置換通風(fēng)方式會(huì )使廳內空氣形成自下而上越來(lái)越高的溫度分布）的影響，取得最高的系統效率，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）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(gè)聽(tīng)眾區域和舞臺區周?chē)�的反射墻中，盡量減少對室內裝修的影響。每個(gè)空調機組送風(fēng)分區的測量值經(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程序處理。本工程廳內平均溫度設計值為24℃±10℃。

　　音樂(lè )廳各區溫度傳感器數量見(jiàn)下表：

　　音樂(lè )廳各區溫度傳感器數量表廳內空調分區廳內溫濕度傳感器數量送風(fēng)溫度傳感器數量舞臺區 2 1聽(tīng)眾區1區 7 5聽(tīng)眾區2區 6 6聽(tīng)眾區3區 4 7

　　置換通風(fēng)方式對空調送風(fēng)溫度的穩定性要求較高。音樂(lè )廳空調的送風(fēng)道由各空調機組引出，經(jīng)空氣槽分別到達四個(gè)空調分區下面，在各風(fēng)道末端設消音體段和出風(fēng)口。為保證采集送風(fēng)溫度的精確度和可信度，頤墻�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(lè )廳內溫度傳感器數量較多，連線(xiàn)較長(cháng)，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(guò)樓宇自控系統的C-BUS總線(xiàn)同空調機組的DDC裝置相連。

　　3.2新風(fēng)閥開(kāi)度控制因土建條件的限制，音樂(lè )廳的新風(fēng)量不能做到過(guò)渡季全新風(fēng)運行，其設計值只是略大于規范中的衛生標準。因此在自控調節時(shí)，為了節能而減少新風(fēng)量不僅效果不甚明顯，而且還增加了排風(fēng)機轉速同新風(fēng)閥開(kāi)度的聯(lián)動(dòng)控制環(huán)節，使系統變復雜，這無(wú)疑是不明智的。為了保證廳內的空氣質(zhì)量，我們提出在演出過(guò)程中，保持新風(fēng)最大化的原則，并據此將新風(fēng)閥由電動(dòng)調節閥改為電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。演出時(shí)全開(kāi)，其它時(shí)間全關(guān)。新風(fēng)閥開(kāi)關(guān)量控制簡(jiǎn)化了控制環(huán)節，滿(mǎn)足了空調要求并減低了造價(jià)。

　　3.3 風(fēng)機控制3.3.1 組合空調器送內機的控制控制送風(fēng)機的轉速就是控制送風(fēng)量。如不考慮個(gè)體差異，消除音樂(lè )廳內每個(gè)聽(tīng)眾的熱負荷需要固定的送風(fēng)溫度和風(fēng)量，但音樂(lè )廳的上座率不是固定的。半場(chǎng)演出時(shí)，有人座位會(huì )受到無(wú)人座位冷風(fēng)的影響，且整個(gè)調節空間的溫度會(huì )降低。因此，空調機組送風(fēng)機轉速只能靠平均室溫調整�？紤]到廳內的風(fēng)量平衡，調節量不宜太大，也不能過(guò)低。為滿(mǎn)足空氣調節對送風(fēng)機的要求，我們選用能連續調節風(fēng)機轉速的變頻調速器。

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

　　3.3.3 屋頂排風(fēng)機的聯(lián)動(dòng)音樂(lè )廳設置排風(fēng)機主要有以下幾項功能：及時(shí)排出演出面光燈具和屋頂最高處的熱量；提高廳內空氣品質(zhì)；維持廳內風(fēng)量平衡。排風(fēng)機的安裝位置距音樂(lè )廳較近，要盡可能減小風(fēng)機噪音對廳內演出的影響。因此在滿(mǎn)足演出排風(fēng)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(fēng)量的參考值，實(shí)際值在現場(chǎng)調試時(shí)確定。而采用變頻器給排風(fēng)機供電，正為此提供了方便。

　　在演出場(chǎng)間休息時(shí)，排風(fēng)機全速運行，強制換氣。

　　3.4 溫度控制3.4.1 冷水盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度控制在通常的空調自控系統中，冷水盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度一般由回風(fēng)溫度或室內溫度控制。但這兩種方式都不適于本項目。音樂(lè )廳的空調回風(fēng)口設于頂部，回風(fēng)溫度并不能反映聽(tīng)眾區的實(shí)際情況。加入回風(fēng)溫度信號，相當于將音樂(lè )廳巨大的時(shí)間常數引入了閉環(huán)控制環(huán)節，無(wú)疑會(huì )使整個(gè)系統的品質(zhì)因數變壞。而廳內平均溫度已用來(lái)控制送風(fēng)機轉速，不能再控制冷水盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度。

　　在音樂(lè )廳這樣一個(gè)相對封閉的空間中，冷水盤(pán)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(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(lè )廳內聽(tīng)眾數量穩定，散濕量波動(dòng)不大；但不同演出的上座率變化較大，即實(shí)際運營(yíng)中音樂(lè )廳內產(chǎn)濕量波動(dòng)較大。對于這種產(chǎn)濕量變化較大的情況，只能由廳內平均相對濕度來(lái)直接控制冷水盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度。相對濕度傳感器設置在音樂(lè )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，數據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(jiǎn)單，效果能得到保證。

　　3.4.2 電加熱器的控制經(jīng)冷水盤(pán)管處理后的空氣如直接由椅腳風(fēng)口送入廳內，由于溫度過(guò)低會(huì )引起聽(tīng)眾的不適。因此，為音樂(lè )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(guò)調節電加熱器的工作段數，使得空調機組送風(fēng)溫高保持在20℃左右，保證聽(tīng)眾腳部不會(huì )有冰涼感。在設計中我們沒(méi)有找到可以無(wú)級調節的電加熱器，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。但由模擬型的輸入參數（送風(fēng)溫度）控制數字型的輸出參數（電加熱器的段數），要在控制算法中增加邏輯判斷環(huán)節。

　　3.4.3 溫度補償在音樂(lè )廳的空調自控系統設計中，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(lè )廳處于建筑物內區，又是斷續使用，廳內空氣各項參數受每天日照影響小，受季節變換影響大。因此，要求在冬季時(shí)，將廳內平均溫度和送風(fēng)平均溫度適當降低，節約能耗。此外，在夏季，當廳內聽(tīng)（觀(guān)）眾人數太少，送風(fēng)機工作在最低允許轉速，而廳內平均溫度仍在繼續降低時(shí)，要適當提高送風(fēng)平均溫度的設定值，保證聽(tīng)（觀(guān)）眾的舒適性；

　�。�2）送風(fēng)溫度的補償：主要為獲得較高的調節品質(zhì)，克服系統運行和調節中存在的滯后現象。這種補償可以較早地根據測到的新風(fēng)溫濕度、冷凍水溫度和水量、送風(fēng)量等參數的變化做出較高的校正和調節動(dòng)作（微分調節），減少這些干擾對廳內送風(fēng)平均溫度的影響，防止控制系統產(chǎn)生振蕩。系統實(shí)際工作中，冷凍水溫度和水量等參由冷水機組控制系統提供。

　　4 實(shí)現工藝音樂(lè )廳的空調自控系統是樓宇自控系統的主要組成部分。設備采用美國Honeywell公司第四代建筑物集成管理系統（EBI）作為管理平臺，配合Excel5000系列現場(chǎng)控制器，通過(guò)三條C-B US總線(xiàn)對全樓相關(guān)設備進(jìn)行監控。該系統支持LonWorks和BACnet標準。主機采用一臺服務(wù)器，配備WindowsNT操作系統、SQL Server7.0數據庫，可顯示風(fēng)格的控制界面。全樓設有1000余個(gè)監控點(diǎn)。

　　下面總結一下音樂(lè )廳空調自控系統的工作過(guò)程：

　　4.1 預冷階段新風(fēng)閥、排風(fēng)機關(guān)閉、電加熱器斷開(kāi)，送風(fēng)機和回風(fēng)機運行最大轉速、冷凍水盤(pán)管閥門(mén)全開(kāi)，使音樂(lè )廳盡快降溫到送風(fēng)平均溫度設定值。

　　4.2 演出階段（1）新風(fēng)閥全開(kāi)（新風(fēng)最大化），排風(fēng)機低速運行；

　�。�2）送風(fēng)機根據廳內平均溫度調節轉速，回風(fēng)機跟蹤送風(fēng)機轉速的變化而變化，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）；

　�。�3）根據廳內相對平均濕度調節冷凍水盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度，控制廳內相對濕度，保證舒適性；

　�。�4）根據空調機組送風(fēng)溫度調節電加熱器的段數，使送風(fēng)平均溫度維持在20左右℃。

　　4.3 場(chǎng)間休息階段排風(fēng)機高速運行，加快音樂(lè )廳換氣。