深圳文化中心音乐厅空调自控系统设计浅析

公共建筑随着社会的进步正向着更高的水平发展，如何有效、经济地提高公共场所的空气品质对于广大设计人员而言具有重要的意义。音乐厅或剧院是文化类公共建筑的典型代表，它们通常都处于建筑物的内区，具有高大、复杂和相对封闭的内部空间。为保证每个听(观)众的舒适性，设计一套优秀的空调装置和自控系统就显得十分重要。

置换通风非常适用于高大的空间，但因其特殊的送回风方式，对空调装置的自控系统也提出了不同的要求。我们在深圳文化中心音乐厅大厅的设计实践中，采用了具备自控系统的置换通风方式，并着重分析了其工作特点、研讨了自控方案的取舍。本文将结合此项目讨论其设计思路与要点。

1 工程简介

深圳文化中心项目由日本矶崎新株式会社主持设计，包括音乐厅和中心图书馆等组成的多功能公共设施。其中音乐厅和大厅(以下简称音乐厅)容纳1800座，用反音墙(板)分隔成标高不同的25个区域。

音乐厅处于建筑物内区；舞台区和听众区下各设有一贯通的空气槽(视为巨大的静压箱，)平衡空调送风压力；听众区采用椅脚送风，舞台区采用地面送风、屋顶回风(即置换通风)；为防止不同高差的听众区域间气流的相互影响，在落差较大的舞台区域，分别由四台组合空调机组送风；考虑到厅内人员的舒适性，提高了空调送风温度，每台空调机组都设置了电加热器(深圳地区不提供市政热源)；因土建条件的限制，新风量较少，不能做到过渡季全新风运行；音乐厅屋顶设有两台排风机，分别排走舞台面光区和屋顶最高处的热量。

本工程采用两台离心式冷水机组做冷源，其中一台配有变频调节装置。

2 设计准备

2.1 简单系统原则

确定音乐厅空调自控系统的解决方案，首先要面对繁多的系统变量。例如：如何补偿音乐厅听众人数的变化和不同演出要求下的灯光负荷变化(即热湿负荷的变化)对空调系统风量和冷量的影响；如何减小空调系统运行时噪音对现场演出的影响；厅内大量温湿度传感器对测量可信度及装饰效果的影响；为了节能而减小新风量对厅内空气环境的影响；作为一个巨大的热惯性系统，以数小时计的时间常数对自控调节时效性的影响等等。其中引入了控制论中的简单系统原则--即系统越简单，变量越少，则整个系统越稳定，过渡期也越短。厮自控系统实施方案，应该尽量简化系统变量，减少控制环节，找出一个切实可行的自控解决方案。

2.2 负荷性质分析

不同座率造成的人体显热、潜热负荷变化和演出照明灯光的变化是音乐厅内主要的空调负荷变化。与通常的空调系统不同，这种变化并不是时刻存在的，在特定时间(演出时)内负荷是相对稳定的。这种负荷性质使得自控系统对系统内的风机调控处于一种微小的、稳定的状态上。所以，尽管音乐厅是一种典型的大惯性系统，可理论上并不要求在控制环节上额外增加微分环节进行补偿。

2.3 预冷阶段

音乐厅属于建筑物内区，特有的双层围护结构既隔声又保温。在演出前经过预冷阶段后，厅内空气温度达到设计送风温度所要求的20℃左右。此后，自控系统再根据入场听众和灯光负荷进行调节控制，这样就避免了系统极限调节的工况，降低了对控制系统、空调设备参数的要求。在演出过程中，厅内空调系统受外界影响很小。冬季时，预冷时间酌情缩短。经过调试和试运行阶段，操控人员会掌握不同季节时音乐厅所需的预冷时间，并写入控制程序中。

2.4 风量平衡

在音乐厅的空调系统中，维持风量平衡和厅内正压是保证空调调节效果的必要条件，是控制回风杨转速跟踪送风杨转速变化、以及控制排风机转速的基本依据。如果因新风量减少或排风量增加过多，打破了风量平衡，会造成外界热空气渗入厅内、回风温度升高，冷冻水盘管阀门开度不断增大，使得能耗持续增加。如回风温度过高，超出系统调控范围，会使系统各部件在极限状态工作，失去控制作用。

3 设计过程

3.1 温度测量点的选取

与通常的空调自控系统不同，置换通风方式需要采集厅内温度和送风温度两个测量值。为避免厅内温度梯度(置换通风方式会使厅内空气形成自下而上越来越高的温度分布)的影响，取得最高的系统效率，提高温度采样的可信度，温度测量点的选取十分重要。

考虑人的生理特点，以最靠近处于坐姿的人头部(呼吸区)的空气温度，即距地约1.1m高度设置温度传感器为宜。传感器装设在每个听众区域和舞台区周围的反射墙中，尽量减少对室内装修的影响。每个空调机组送风分区的测量值经加权平均后作为厅内平均温度、送入该空调机组控制器的后续程序处理。本工程厅内平均温度设计值为24℃±10℃。

音乐厅各区温度传感器数量见下表：

音乐厅各区温度传感器数量表

置换通风方式对空调送风温度的稳定性要求较高。音乐厅空调的送风道由各空调机组引出，经空气槽分别到达四个空调分区下面，在各风道末端设消音体段和出风口。为保证采集送风温度的精确度和可信度，我们将送风温度传感器设于送风道末端出风口，导线沿风道表面敷设。导线不设在风道内，是由于导线穿过风道消音段比较困难，并要避免风流过带动导线产生噪声。送风温度采集数据的处理过程与厅内平均温度的处理过程相同，处理结果作为送风平均温度。本工程送风平均温度设计值为20℃。

因音乐厅内温度传感器数量较多，连线较长，为保证其可靠的工作，我们特意在空气槽中增设了DDC装置，就近接收并处理各温度传感器的信息。空气槽中的DDC通过楼宇自控系统的C-BUS总线同空调机组的DDC装置相连。

3.2新风阀开度控制

因土建条件的限制，音乐厅的新风量不能做到过渡季全新风运行，其设计值只是略大于规范中的卫生标准。因此在自控调节时，为了节能而减少新风量不仅效果不甚明显，而且还增加了排风机转速同新风阀开度的联动控制环节，使系统变复杂，这无疑是不明智的。为了保证厅内的空气质量，我们提出在演出过程中，保持新风最大化的原则，并据此将新风阀由电动调节阀改为电动开关阀。演出时全开，其它时间全关。新风阀开关量控制简化了控制环节，满足了空调要求并减低了造价。

3.3 风机控制

3.3.1 组合空调器送内机的控制

控制送风机的转速就是控制送风量。如不考虑个体差异，消除音乐厅内每个听众的热负荷需要固定的送风温度和风量，但音乐厅的上座率不是固定的。半场演出时，有人座位会受到无人座位冷风的影响，且整个调节空间的温度会降低。因此，空调机组送风机转速只能靠平均室温调整。考虑到厅内的风量平衡，调节量不宜太大，也不能过低。为满足空气调节对送风机的要求，我们选用能连续调节风机转速的变频调速器。

3.3.2 组合空调器回风机的控制

为了降低厅内背景噪声，用于音乐厅的空调机组全部采用双风机系统。为了便于调控，维持风量平衡，回风机也采用双风机系统。为了便于调控，维持风量平衡，回风机也采用了变频调速器。在自控系统控制送风机的转速回风量同送风量的差值维持恒定值--即新风量。理论上讲，当送风机转速足够低时，回风机会因转速过低造成几乎无回风量的情况。为了保证音乐厅内空气品质，我们在控制算法中限定了回风机的最低转速。

3.3.3 屋顶排风机的联动

音乐厅设置排风机主要有以下几项功能：及时排出演出面光灯具和屋顶最高处的热量；提高厅内空气品质；维持厅内风量平衡。排风机的安装位置距音乐厅较近，要尽可能减小风机噪音对厅内演出的影响。因此在满足演出排风量要求后，应尽量选用较低的转速。我们在设计阶段只给出排风量的参考值，实际值在现场调试时确定。而采用变频器给排风机供电，正为此提供了方便。

在演出场间休息时，排风机全速运行，强制换气。

3.4 温度控制

3.4.1 冷水盘管阀门开度控制

在通常的空调自控系统中，冷水盘管阀门开度一般由回风温度或室内温度控制。但这两种方式都不适于本项目。音乐厅的空调回风口设于顶部，回风温度并不能反映听众区的实际情况。加入回风温度信号，相当于将音乐厅巨大的时间常数引入了闭环控制环节，无疑会使整个系统的品质因数变坏。而厅内平均温度已用来控制送风机转速，不能再控制冷水盘管阀门开度。

在音乐厅这样一个相对封闭的空间中，冷水盘管的主要作用是控制厅内温度和空气相对湿度。一般采用的方法是间接控制法(定露点)和直接控制法(变露点)两种。我们注意到，在演出时，音乐厅内听众数量稳定，散湿量波动不大；但不同演出的上座率变化较大，即实际运营中音乐厅内产湿量波动较大。对于这种产湿量变化较大的情况，只能由厅内平均相对湿度来直接控制冷水盘管阀门开度。相对湿度传感器设置在音乐厅内(厅内相对湿度传感器与厅内温度传感器设在一起)，其信号直接连至一设于空气槽中的DDC，数据处理算法同处理厅内温度相同。这种方案成本提高不多，控制直接，算法也简单，效果能得到保证。

3.4.2 电加热器的控制

经冷水盘管处理后的空气如直接由椅脚风口送入厅内，由于温度过低会引起听众的不适。因此，为音乐厅提供空调的每一台组合空调机组都设置了电加热器。每套电加热器分为5段或6段。通过调节电加热器的工作段数，使得空调机组送风温高保持在20℃左右，保证听众脚部不会有冰凉感。在设计中我们没有找到可以无级调节的电加热器，将电加热器设为5段或6段也是综合考虑了控制算法、配电设计和空调设计的要求。但由模拟型的输入参数(送风温度)控制数字型的输出参数(电加热器的段数)，要在控制算法中增加逻辑判断环节。

3.4.3 温度补偿

在音乐厅的空调自控系统设计中，我们主要考虑了两种温度补偿措施。

(1)设定温度的补偿：考虑到音乐厅处于建筑物内区，又是断续使用，厅内空气各项参数受每天日照影响小，受季节变换影响大。因此，要求在冬季时，将厅内平均温度和送风平均温度适当降低，节约能耗。此外，在夏季，当厅内听(观)众人数太少，送风机工作在最低允许转速，而厅内平均温度仍在继续降低时，要适当提高送风平均温度的设定值，保证听(观)众的舒适性；

(2)送风温度的补偿：主要为获得较高的调节品质，克服系统运行和调节中存在的滞后现象。这种补偿可以较早地根据测到的新风温湿度、冷冻水温度和水量、送风量等参数的变化做出较高的校正和调节动作(微分调节)，减少这些干扰对厅内送风平均温度的影响，防止控制系统产生振荡。系统实际工作中，冷冻水温度和水量等参由冷水机组控制系统提供。

4 实现工艺

音乐厅的空调自控系统是楼宇自控系统的主要组成部分。设备采用美国Honeywell公司第四代建筑物集成管理系统(EBI)作为管理平台，配合Excel5000系列现场控制器，通过三条C-BUS总线对全楼相关设备进行监控。该系统支持LonWorks和BACnet标准。主机采用一台服务器，配备WindowsNT操作系统、SQL Server7.0数据库，可显示风格的控制界面。全楼设有1000余个监控点。

下面总结一下音乐厅空调自控系统的工作过程：

4.1 预冷阶段

新风阀、排风机关闭、电加热器断开，送风机和回风机运行最大转速、冷冻水盘管阀门全开，使音乐厅尽快降温到送风平均温度设定值。

4.2 演出阶段

(1)新风阀全开(新风最大化)，排风机低速运行；

(2)送风机根据厅内平均温度调节转速，回风机跟踪送风机转速的变化而变化，使得送风量和回风量的差值维持一个恒值(即新风量)；

(3)根据厅内相对平均湿度调节冷冻水盘管阀门开度，控制厅内相对湿度，保证舒适性；

(4)根据空调机组送风温度调节电加热器的段数，使送风平均温度维持在20左右℃。

4.3 场间休息阶段

排风机高速运行，加快音乐厅换气。