论究变风量空调系统设计

　　摘要：在供冷季中，当某个房间的温度低于设定值时，温控器就会调节变风量末端装置中的风阀开度减少送入该房间的风量。由于系统阻力增加，送风静压会升高。当超过设定值时，静压控制器通过调节送风机入口导叶角度或电机转速减少系统的总送风量。送风量的减少导致送回风量差值的减少，送回风量匹配控制器会减少回风量以维持设定值。风道压力的变化将导致新排风量的变化，控制器将调节新风、回风和排风阀来保持新排风量。

　　关键词：变风量,空调系统,设计,讨论

　　1 变风量系统简介[1]、[2]

　　变风量系统(variable air volume system)本世纪60年代诞生在美国。变风量技术的基本原理很简单，就是通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷。由于空调系统大部分时间在部分负荷下运行，所以，风量的减少带来了风机能耗的降低。变风量系统出现后并没有得到迅速推广，当时美国占主导地们的仍是定风量系统加末端再热和双风道系统。西方70年代爆发的石油危机促使变风量系统在美国得到广泛应用，并在其后20年中不断发展，已经成为美国空调系统的主流，并在其他国家也得到应用。

　　变风量系统有如下优点：

　　·由于变风量系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化，同时在确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用情况，所以能够节约风机运行能耗和减少风机装机容量。

　　·系统的灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑。

　　·变风量系统属于全空气系统，它具有全空气系统的一些优点，可以利用新风消除室内负荷，没有风机盘管凝水问题和霉变问题。

　　图1是一个典型的单风道变风量空调系统。在这个系统中，除了送回风机、末端装置(VAV terminal)、阀门及风道组成的风路外，还有五个反馈控制环路--室温控制、送风静压控制、送回风量匹配控制、新排风量控制及送风温度控制。

　　在冬季，对于有内外区的建筑，内区继续供冷，外区末端装置只提供最小风量以保证新风气流组织，由末端再热装置或其他供暖系统供热。

　　变风量系统不仅限于图1所示的单风道节流型这一种形式，还有旁通型、双风道等形式。广义地讲，只要是风量变化的全空气系统都可以称作变风量系统。

　　我国在80年代初曾经引进过变风量系统，但由于对系统性能不够了解，致使系统不能按设计要求运行。一时间变风量系统的应用和研究停顿了下来。近来，工程师又把目光转向了变风量系统。笔者认为，这其中有两大原因。一是国内目前的定风量系统和风机盘管系统暴露出一些缺点。由于我国目前舒适性空调系统都是没有末端再热的定风量系统，所以，一个送风参数不能满足不同房间的要求。风机盘管系统可以避免这个问题，但是凝水污染吊风机盘管系统可以避免这个问题，但是凝水污染吊顶以及霉菌问题同样令人不能容忍。随着室内办公设备的增加、房间使用功能的变化、房间格局的变化，空调系统也应当做相应改动，可是定风量系统和风机盘管系统改扩建较麻烦。二是受变风量系统节能的诱惑。空调历来是个能耗大户，而其中风机能耗占较大一部分。因此，业主也希望采用变风量系统以节约运行费用。

　　虽然变风量系统有很多优点，但是据国外文献介绍，大部分变风量系统或多或少地也暴露出一些问题。从用户的角度看，主要有：

　　·缺少新风，室内人员感到憋闷;

　　·房间内正压或负压过大导致房门开启困难;

　　·室内噪声偏大。

　　从运行管理方面看，主要有：

　　·系统运行不稳定，尤其是带"经济循环(economizer cycle)"的系统;

　　·节能效果有时不明显;

　　此外，目前变风量系统还存在一些固有的缺点：

　　·节能效果有时不明显;系统的初投资比较大;

　　·对于室内湿负荷变化较大的场合，如果采用室温控制而又没有末端再热装置，往往很难保证室内湿度要求。

　　对一个系统来说，问题并不一定时时刻刻都存在，可能在某个工况发生在另一个工况又消失了。

　　从表面上看，似乎变风量系统只不过比定风量系统多了一些末端装置和风量调节功能。可是，就因为变风量系统风量的变化和增加的末端设备，使得变风量系统从方案设计到设备选择、施工图设计、直到施工和调试都具有不同于定风量系统的特殊性。变风量系统存在的这些问题和缺陷，其原因是多方面的。有的可能需要一定的技术支持才能解决;而有的可能通过空调系统设计人员的精心设计就可以避免。

　　2 变风量末端装置

　　末端装置是改变房间送风量以维持室内温度的重要设备。末端装置有如下几种分类方法。

　　按照改变风量的方式 ，有节流型和亮度通型。前者采用节流机构(如风阀)调节风量;后者则是通过调节风阀把多余的风量亮度通到回风道。

　　按照是否补偿压力变化，有压力有关型(pressure dependent)和压力无关型(pressure independent)。从控制角度看，前者由温控器直接控制风阀;后者除了温控器外，还有一个风量传感器和一个风量控制器，温控器为主控器，风量控制器为副控器，构成串级控制环路，温控器根据温度偏差设定风量控制器设定值，风量控制器根据风量偏差调节末端装置内的风阀。当末端入口压力变化时，通过末端的风量会发生变化，维持原有的风量;而压力无关型末端可以较快地补偿这种压力变化，维持原有的风量;而压力有关型末端则要等到风量变化改变了室内温度才动作，在时间上要滞后一些。价格上，压力无关型要比压力有关型高一些。

　　按照有无末端混风机来分，有带风机和不带风机两种末端。带风机的末端可以在小风量或低温送风系统中保证室内一定的气流组织。按照风机和一次风的关系，带风机的末端又可分为带并联风机的末端装置(parallel fan powered terminal)和带串联风机的末端装置(series fan powered terminal)。

　　按照控制方式分，有电动、气动和自力型。电动的末端还有模拟型和直接数字控制型两种。

　　另外，末端装置还可以附设消声和再热水功能。

　　3 是否采用VAV

　　变风量系统适合多房间且负荷有一定变化的建筑。对于负荷变化较小的建筑物，采用变风量系统的意义不大。每种系统形式式都有它的优点和缺点，不存在十全十美的系统。比如，变风量系统容易产生噪声问题，那么对于影剧院和电台录音棚这类声学效果要求较高的场合，最好不要采用变风量系统。对某一系统优劣的评价关键在于实际运行显现出来的优点多还是缺点多。设计人员在方案设计(概念设计)阶段所做的工作主要是综合各方面因素--建筑物用途、建筑格局、室内负荷变化特点、工程造价、系统运行维护以及业主结将来改扩建的考虑等等，进行技术经济比较，权衡利弊。总之，是否采用变风量系统要因地制宜，不能为了用而用。

　　4 设计中几个值得注意的问题

　　4.1 变风量比

　　空调系统全年大部分时间运行在部分负荷工况下，也就是说，变风量系统的风机、风道以及末端的风量大部分时间都处于最大风量和最小风量两种极限状态之间。根据经验，如果在这两种极限状态下不发生问题，那么基本上可以保证系统大部分时间运行正常。最小设计风量与最大设计风量之比定义为变风量比(Kv)。一般地，房间的Kv值最好不要小于0.4～0.5，否则容易导致房间气流组织恶化、噪声和通风问题;系统的Kv值最好也不要小于0.4～0.5，否则会导致系统新风严重不足以及控制不稳定等问题。

　　一般来说，房间的最大设计风量比较容易确定，面对于像会议室、影剧院、餐厅这类负荷变化不确定的地方，确定最小设计风量相对要困难一些。其实，在确定最小风量时除了要考虑负荷变化特点之外，还要考虑房间气流组织和室内空气品质要求。房间送风量太小会产生冷风下沉、新风不足、换气次数不够等问题。为保证风速的测量精度，压力无关型末端装置也有最小风量要求。

　　另外，对于采用灯具回风的房间，一部分灯光负荷没有直接进入房间，而是被回风带走，提高了送回风温差，计算风量是不能包括这部分负荷。所以，在确定设计风量时，还要考虑房间回风方式的影响。

　　不论是房间还是系统，变风量比都是表征变风量系统一个比较重要的动态特性参数。

　　4.2 新风问题[1]、[3]

　　图2是一个典型的定风量系统的经济循环系统(economizer cycle system)①。在过渡季，通过调节新风、回风和排风三个阀门的开度来改变新风量以维持一个混风温度。这种做法是为了缩短冷机的开启时间。这里姑且不谈经济循环系统在定风量系统中能否正常运行，不过单纯地像图2那种做法在变风量系统中肯定无法保证新风量。图3给出了一个系统的压力分布图，其中b表示设计工况，c为50%设计风量时的情况。可以看出，当总风量减少时，从而导致新风减少。

　　对于采用混风的空调系统，不论是定风量系统，还是变风量系统，新风量在各个房间是按负荷分配的。也就是说，即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。对于变风量系统，由于送入房间的风量是变化的，所以房间的新风量必然也是变化的。如果为了满足这些房间的要求，总新风量将会增加，甚至在有的时候可能超过需要的送风量。为此，ASHRAE标准62-1989提出，在一定的新风量下，总回风中二氧化碳的含量不一定超标，可以利用回风以减少总新风量。该标准给出了修正总新风量的计算式，

　　Y=X/(1+X-Z) 　　　　　　(1)

　　其中：Y--修正后的总新风量与总值送风量之比;

　　X--未修正的总新风量与总送风量之比;

　　Z--各房间中，新风量与送风量之比的最大值。

　　ASHRAE标准62-1989只回答了如何确实总新风量问题。可是，对于变风量系统，送入房间的风量是变化的，房间的新风量必然也是变化的。新风量的问题就更加突出了。所以，在新风要求很高的场合，可能要单独敷设新风道。这样，风道占用建筑的空间就要增加了。

　　所以，变风量系统中，新风主要存在三方面的问题：总新风量的控制，总新风量的确定和新风的分配。

　　4.3 噪声问题[1]

　　在变风量系统中，比较大的噪声源除了送、回(排)风机外，还有变风量末端装置。流过末端入口的风速都比较高，因为压力无关型的变风量末端都带有风速测量传感器，这些传感器一般要求风速高于一定数值才能保证测量准确。这是末端装置产生较高噪声的一个原因。一般的节流型末端是靠调节阀片开度来改变风量的，所以当阀片关小的时候，流经阀片的风速也增加了，所以，阀门调节也是一个产生噪声的根源。

　　末端装置产生了噪声通过送风和外壳传入室内，前者称为送风噪声(discharge noise)，后者称为辐射噪声(radiated noise)。在末端装置的产品样本中，都列有详细的噪声数据供设计者参考。一般，末端装置产生的噪声随型号增大而增加，随前后压差的增加而增加。由于变风量系统的运行工况是变化的，势必室内的声压级要随之变化。一般来说，人耳对稳定声压级的噪声环境有一定的适应能力，长时间后，人的感觉就不很明显了。但是，当压级的变化达到5dB，人的耳朵就能较清楚地感觉到。这就是为什么在有的变风量系统中，室内人员有时候能听到噪声，而有时候又感觉不到。

　　对于噪声问题，笔者提出以下几点建议供读者参考。

　　①校核每个末端装置在最小、最大风量下产生的噪声。

　　②对于噪声要求较高的场合(如NC35以下)，采用变风量系统要谨慎，而带风机的末端通常用在NC40以上的场合。

　　③因为末端的型号越大噪声也越大，所以，最好选用入口直径不大于300mm的末端装置。

　　④尽量把末端装置安装在房间外面(如走廊)。如果只能装在室内且噪声又超标，应与建筑工种协调，考虑采用消声效果好的吊顶材料或其他措施。

　　⑤末端装置出风口到房间送风口间的风道压力损失不要超过50～60Pa。否则，在低负荷工况会导致末端装置前后压差较大，从而使室内噪声级变化较大。

　　⑥房间设计噪声声压级最好比要求的低大约5dB。

　　4.4 气流组织

　　一般的空调系统的送风口都是定截面的，导叶角度也很少改变，所以当风量减少时，势必影响室内气流组织。

　　国外通常采用空气分布特性指标ADPI[14] 来评价房间的气流组织性能。该指标综合考虑了空气温度、气流速度和人的舒适度三方面的因素。如果ADPI=100%，表示全室人员都感到舒适;ADPI达到80%，即可认为是满意的气流组织效果。60年代美国堪萨斯大学对几种风口进行了气流组织试验，结果如图4所示。可以看出在变风量送风的情况下，条缝散流器在较大的风量变化范围内，ADPI均可保持在80%以上，说明这两种送风口的性能较为理想。

　　4.5 房间正压度

　　由于变风量系统的新排风量和房间的送回风量是变化的，所以房间的正压也是波动的，不像定风量系统那么稳定。这个问题如果处理不好，会发生房间门开启困难、门缝和窗缝渗风严重等问题。

　　房间正压度与系统送回风匹配控制、新排风控制和房间的送回风方式有关。其中，房间的送回风中，进入房间的送风支道上都安装有末端装置，而回风道上是很少装末端装置的，这样，为了保证房间正常压力，国外经常采用吊顶回风，这种做法的回风道内压力的变化对室内压力影响较小。如果只能采用风道回风，就一定要减小回风风速，尽量减小回风道上相距最远的两个回风口间的压降。

　　4.6 末端装置的选择

　　末端装置的种类繁多，而不同厂家的产品还各具特点。在种类选择时，应充分考虑末端装置的声学控制性能以及房间功能要求。在尺寸选择时，一般在设计最大风量的基础上还要考虑一定的裕量以满足将来发展的需要。但是，末端选型不要过大，选型过大会减小风阀的调节范围，降低调节能力，极易导致末端风阀在小风量时产生振荡。

　　另外，在末端选型问题上一直存在一个争论即压力有关型和压力无关型末端哪个好。一种观点认为，压力无关型末端好，反应快，室温波动小。另一种对立观点认为，正因为压力无关型末端反应快，才容易造成系统运行不稳定，房间的热惯性较大，一定程度的压力变化对房间温度影响较小，所以，压力有关型反而会比压力无关型更稳定。

　　到底谁优谁劣还需要大量工程实践和研究才能得出结论。

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文章名称： 论究变风量空调系统设计

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