变风量空调系统设计

变风量空调系统设计
1．变风量系统的概念
按处理空调负荷所采用的输送介质分类，变风量(VAV System)空调系统是属于全空气式的一种空调方式，即全空气系统的一种。

该系统是通过变风量箱调节送入房间的风量或新回风混合比，并相应调节空调机(AHU)的风量或新回风混合比来控制某一空调区域温度的一种空调系统。

在这里，有以下几个方面值得注意:
①系统必须是利用变风量箱来分配流量的。

也就是说，系统中必须有变风量箱使用。

②在工程实例中，有的变风量系统是保持送入房间的风量不变而改变一次风与回风的
混合比例的；而有的变风量系统却是保持一次风恒定而改变一次风与回风的混合比例的。

因此，用“改变风量或新回风混合比”的概念代替单纯的“改变风量”的概念，似乎更能概括目前存在的各种各样的变风量系统的总体特征。

③区域温度的控制由变风量箱(VAV box)来实现。

即通过气动或电动或DDC(直接数字
控制)来控制变风量阀的开度调节风量，或通过调节变风量箱中的风机转速来调节送风量或调节旁通风阀来实现。

④空调机组(AHU)的送风量应根据送风管内的静压值进行相应调节，与变风量箱减少
或者增加送风量以控制房间温度相呼应。

一般地，空调机组送风机的性能曲线应相当平缓，从而使得风量的减少不至于使送风静压过快升高。

按照控制方法分，空调机组的送风量控制又可分为定静压、变静压、总风量控制三种基本形式。

2．变风量系统分类
一般地，可以把变风量系统按周边供热方式和变风量箱结构两方面进行分类。

2．1 按照周边供热方式的分类(内部区域单冷)
按周边供热方式，变风量系统可以分为如下几类:
①内部区域单冷系统。

即是指在空调内区采用的变风量空调形式，一般地不带供热
功能，下面几种形式均是以采用内部区域单冷为前提的。

②散热器周边系统。

散热器设置在周边地板下，不用冷、热空气的混合来控制空气
温度，一般采用热水或电热散热器，具有防止气流下降、运行成本低、控制简单
等优点。

但需要精确计算冷却和加热负荷，以避免冷热同时作用。

在国外一些豪
华考究的设计中，采用顶棚辐射散热器提供更舒适的空调环境。

③风机盘管周边系统。

风机盘管可以是四管式，也可采用冷热切换二管式，或单供
热二管制。

风机盘管采用暗吊时不占用地板面积，同样具有运行成本低、控制简
单的优点。

夏天由于吊顶内仍保留冷水管及凝水盘，对天花板仍有发生水患的可
能。

④变风量再热周边系统。

在变风量末端装置中加再热盘管，一般采用热水、蒸汽或
电加热盘管。

该系统比双风管系统初投资为低，比定风量再热系统节约能源，尽
管同样不占用地板面积，但控制程序复杂。

⑤变温度定风量周边系统。

该系统的特点是送风量恒定，通过改变一次风与回风的
混合比例来调节房间温度。

回风全部吸收灯光热量再送出，因而节能。

初投资较
双风管系统低，控制也较复杂。

⑥双风管变风量周边系统。

该系统的优点是能量效率高，当采用两个风机时，可利
用灯光发热，在所有时间内，由于冷却和加热的交替功能，可以获得最小的送风
量。

但初投资较高，控制较复杂。

⑦转换变风量系统。

加热和冷却均由一套风管系统通过冬夏转换承担。

其缺点是温
度控制不灵活，当建筑物有若十个区时，不能由一套系统来控制，例如不能同时
满足一个区域需要加热而另一个区域需要供冷的要求，这时就需要划分若十个转
换系统。

以上7种系统，各有优缺点。

一般应综合建筑功能、初投资、地域特征、产品来源、装潢等多方面进行优选。

一般地:对于周边热损失较大的情况，即单位长度外墙热损失超过450 W/ m，应考虑将加热器设置在窗台下或外墙底部，以免气流下沉，这时可以考虑选择散热器周边系统或落地式风机盘管周边系统。

对于周边热损失中等的情况，即单位长度外墙热损失250~ 450 W/ m,可以采用吊顶暗装式送风，送风直接吹向外墙和窗户，这时可以选择暗吊式风机盘管周边系统;也可以采用上述④~⑦各个系统，但条缝型散流器宜设计成单向的。

对于周边热损失小的情况，即单位长度外墙热损失小于250 W/ m,可以采用上述④一⑦各个系统，这时条缝型散流器宜布置在房间中间，且两向送风。

2. 2按变风量箱的结构分类
按调节原理分，变风量箱可以分成四种基本类型，即节流型、风机动力型(fan Powered)、双风道型和旁通型四种。

①节流型
节流型变风量箱是最基本的变风量箱，其它如风机动力型、双风道型、旁通型等都是在节流型的基础上变化发展起来的，所有变风量箱的“心脏”就是一个节流阀，加上对该阀的控制和调节元件以及必要的面板框架就构成了一个节流型变风量箱。

一般地，节流阀有三种基本类型，即百叶型、文丘里型和气囊型。

百叶型的调节原理和百叶风阀的调节原理一样，在小风量的情况下，一般做成单叶风阀，通过调节风阀的开度来调节风量，如约克产品；文丘里型的调节原理是在一个文丘里式的套管内装上一个可以沿轴线方向滑动的滑块，通过滑块的位移改变气流通过的截面积来调节风量，如特灵产品；气囊型的调节原理是通过静压调节气囊的膨胀程度达到调节风量的目的，如开利产品。

②风机动力型(Fan Powered)
风机动力型是目前在北美等地被广泛推崇的变风量箱，可能是由于它的出现和自控水平的提高，使人们改变了在60-70年代对空调变风量系统的偏见。

风机动力型是在节流型变风量箱中内置加压风机的产物。

根据加压风机与变风量阀的排列方式又分为串联风机型(Series Fan Term finals)和并联风机型(Parallel Fan Term finals)两种产品。

所谓串联风机型是指风机和变风量阀串联内置，一次风既通过变风量阀，又通过风机加压；所谓并联风机型是指风机和变风量阀并联内置，一次风只通过变风量阀，而不需通过风机加压。

根据美国TITUS公司提供的资料，串联风机型和并联风机型的比较见表2。

除以下比较外，还有以下几方面问题必须指出:
a.串联风机型变风量系统一般较适合用于一次风低温送风的系统，如空调水系统大
温差设计(供回水温度大于50C )的系统和有冰蓄冷的系统，其优点是可以减小中
末端设备和风管的尺寸及节约风机能耗。

b.串联风机型和并联风机型可以同时使用，对于像休息室、人厅、咖啡室等需要维
持一定送风量的地方是可以考虑的。

③双风道型
一般由冷热两个变风量箱组合而成。

因其初投资昂贵和控制较复杂而较少得到使用。

④旁通型
这是利用旁通风阀来改变房间送风量的系统。

由于其并不具备变风量系统的全部优点，因而在有些论文中称其为“准”变风量系统。

该系统的特点是投资较低，但节能却很小，因为有人量送风直接旁通返回空调设备，并不怎么减小风机能耗，所以目前使用也不多。

以上4种系统目前设计使用较多的是风机动力型和节流型。

串联风机型加上空调水系统
大温差设计成为北美空调设计的特色。

2. 3变风量箱和周边供热方式的组合
变风量系统的三大要素是:①变风量箱；②周边供热方式；③自动控制。

这三者缺一不可，相互依存。

对于具体的变风量系统而言，必然存在这三大要素的不同组合。

自动控制一般为气动、电动或DDC控制。

变风量系统的具体描述参见表3。

3．控制系统构成
变风量空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。

如：房间温度控制、送风量控制、送回风风量匹配控制、新排风风量控制和送风温度控制5个控制环路。

直接数字控制DDC虽然不一定采用反馈环路控制，但是也包含这5部分控制内容。

它们是变风量空调控制系统的必要组成部分。

当然，系统还会有预冷、预热等其他控制。

3.1房间温度控制
在变风量系统中，通常根据末端装置温控器自接控制风阀或者根据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，风量控制器根抓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，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。

（定义：压力无关(pressure independent)是指阀门的执行机构由速度控制器来控制，而速度控制器由房间温度控制器设定。

压力有关(pressure dependent)是指阀门的执行机构直接由房间温度控制器控制。

）
3. 2送风量控制
在变风量系统中，通常根据静压传感器的信号来感知系统风量的变化，并通过控制器调节风机送风量。

静压控制器通过调节风机转速或入口导叶来恒定静压控制点的静压值，以满足下游风道、末端装置及送风口的压力损失。

恒定静压的目的是保证任何一个末端入口的设计资用压力。

由于要恒定静压，送风机不能无限制地减少风量，所以风机功耗并不与风量的3次方成正比。

由于存在风道阻力损失，静压传感器越靠近管路末端，静压设定值就越小，就越能节约风机功耗。

我们希望将静压传感器放在系统最不利的末端入口。

由于变风量系统的动态特性，实际上不容易定义一个最不利的末端装置。

任何一个都可能成为最不利。

ASHRAE 建议，在使用压力无关型末端的场合，把静压传感器放在送风机到系统末端的2/3处。

3.3新排风风量的控制
系统风量的调节会导致总新风量的变化，为此，在需要维持新风量不变的场合，有必要采取恒定新风量的措施，下面列举两种:
①将最小新风道和经济循环新风道分开，分设新风阀，并在最小新风道上安装流量
传感器，以此来调节3个风阀的开度，维持最小新风量通常，为保证测量精度，
流量传感器前后要保证一定的直管段。

但是，由于现场情况比较复杂，经常很难
完全满足所要求的直管段这样，必然对测量和控制效果产生很大影响。

据说，现
场最好的测量准确度只有20%左右。

②混风压力变化是造成新风量变化的直接原因。

所以，恒定新回风混合箱内压力就
能够保证新风量在需要最小新风量的时候，关闭经济循环新风阀，通过调节回风
阀来恒定混风压力;在过渡季的时候，由混风温度控制器调节经济循环风阀的开
度，随着新风量的增大，混风压力减小，这时，混风压力控制器关小混风阀直至
完全关闭，整个系统采用全新风。

虽然这种方法原理简单，但实际上很难实现，
因为混风箱内气流很乱，压力极不稳定，压力测点不容易选择，而且，可能容易
产生新风量控制和风机风量控制的耦合，造成系统运行不稳定。

前面提到的两种方法都是为了恒定新风量。

有人认为，新风主要用于保证室内空气品质(IAQ)，可以采用以室内CO2浓度来控制新风量的办法。

这种方法适用于新风品质较差的地区，如夏季空气湿热，冬季干冷。

不过，CO2浓度达到要求并不能代表室内空气品质合格，室内还会存在其他易挥发性污染物。

采用送回风机的系统，回风阀前后压差很大，风阀很难调节。

所以有人提出用排风机取代回风机。

这样，回风阀前后都是负压，且压差较前者小很多。

排风机可由新、排风流量计或室内压力来控制。

新风问题与建筑物负荷特点、系统形式及室外气象条件等很多因素有关。

上述方法或设想，从控制逻辑上可能是可行的，实际当中却未见得适用于任何系统。

对于某一特定建筑，很有必要具体分析系统的夏季工况、冬季工况及过渡季经济循环工况。

3. 4送回风风量匹配控制
送风量随负荷变化，回风量也要随之变化，这样才能保证房间的正常压力。

由于房间向外渗风和厕所排风，回风量要比送风量小。

下面是几种目前常用的风量匹配控制方法：一种最简单的控制方法是送风机和回风机都由一个送风静压控制器来调节。

当负荷减少时，送回风量按同一比例减少。

这样送回风量的差值也减少了，从而导致新排风量不平衡。

回风机由放在新回风混合箱里或房间内的静压控制器控制。

新回风混合箱里气流太乱，不易测量；而房间正压一般很小，容易受干扰。

在送风和回风风道上安装风量计，并用一个控制器控制两者的差值来解决这个问题。

由于现场情况复杂，风量常常无法测准。

3. 5系统控制的稳定性
在实际工程中，采用多个环路的控制系统，每个环路单独工作都正常。

但是，当几个控制系统都工作时，整个系统就会出现不稳定。

比如，当某个房间的温度下降，该房间末端装
置的风阀就会关小，从而导致系统静压升高，其他房间的送风量增加。

这时，这些房间的末端装置的风阀就会关小以恒定各自的送风量。

这将导致系统静压进一步升高。

当达到某一程度，静压控制器就降低送风机的转速减小风量，回风机风量也随着减少。

系统静压又回落到原来的水平，那么各个末端风阀又开始开大。

由于系统压力的变化，必须导致新风量的变化，从而导致送风温度的变化，控制器就会调节三个风阀的开度。

由于阀位的变化将致使整个系统的静压和流量发生变化。

这时，系统处在一种频繁的调节当中。

风阀时而开大时而关小，送进区内的风量也是忽大忽小。

很多人认为DDC比反馈控制优越。

可是，实际工程中DDC也同样遇到了稳定性问题。

为了全面提高系统稳定性、最大限度地节约能量，出现了一个新概念，就是所谓的基于末端装置的变风量系统TRA V(terminal regulated air volume system)。

其基本原理是，将末端装置送风温度、温控器读数、风量及阀位信号都送入一个中央控制器，由它来统一计算后再调节送风状态点(送风机工况点以及表冷器后送风温湿度)。

这种控制方法需要解决两个关键问题，即送风状态点的预测和所需送风状态的实现如果能比较好的解决这两个问题就可以避免多个环路之间的相互作用，从而提高系统稳定性。

4. 变风量系统控制方法
4.1 定静压控制
所谓定静压控制就是通过调节风机来保持风道上某一点的静压恒定不变，根据众多实际工程经验总结出的压力测点位置是在主风道上距离风机出口约2/ 3处，压力设定值则通常取为设计状况下该点的静压值。

事实上，压力测点的选择主要是综合考虑节能和调节稳定的结果。

测点距风机出口越近，越不利于节能，但压力调节越稳定；测点离风机出口越远，节能效果越显著，但压力调节振荡的可能性也越大。

4．2 变静压控制
变静压控制方法的出现，很大程度上得归功于计算机通讯网络在控制系统中的广泛使用。

实际上变静压的思想并不复杂，就是在定静压控制运行的墓础上，阶段性的改变静压设定值，在适应当前流量的要求的同时，尽量使静压保持允许的最低值，以节省风机能耗，因此也称为最小静压控制。

可以看出，变静压控制的关键是通过什么手段来重新设定静压值。

一般来说要想实现变静压控制，至少必须满足下述两个基本条件：
①末端能独立调节流量而与压力无关，即只能使用与压力无关型的末端；
②各末端要能向静压设定控制器合适地给出压力应升高还是降低或不变的信号。

第一
个条件由于与压力无关型末端的普遍使用基本上不是问题，对于第二个条件，因为
控制系统通讯功能的加强。

各末端向控制器给出信号是完全可行的，关键问题是末
端在什么状态下给出合理的信号。

解决方案是:每个末端在流量达不到设定流量时，向静压设定控制器发出警报信号，当有足够的末端数(一般取2, 3个)处于警报状
态时，将静压设定值增加一个预定步长；同样地，当处于警报状态的末端数小于或
等于某个数(一般是1, 0)时，将静压设定值减少一个预定步长。

判断流量是否达到
要求，简单地可以通过测量流量与设定流量之差来决定。

当选用的末端能够提供阀
位信号时，也可间接地通过阀位信号来判断，即当末端阀位长时间内处于全开状态
时，就基本上可以认为目前的压力设定值偏低了，从而发出警报信号。

从人多数文献来看，静压设定算法基本上还是通过保证末端风阀的适当开度来实现的。

根据某些文献，并结合变风量末端的开度一阻力特性总结出变静压设定算法如下:
a.如果有末端阀位大于95 %，则压力设定值增加一个步长△Pinc, △Pinc的大小
视系统的压力状况而定；
b.至少有1个末端的阀位处上75%一95%之间，则压力设定值不变；
c.如果所有末端的阀位都小于75 %，则降低压力设定值一个步长△Pdec。

通常△
Pinc和△Pdec两个参数值并不相等，这两个参数必须在系统初调时仔细设定。

静压设定算法在进行下一次设定时，必须规定一个合适的延迟时间，以保证风机转速的调节效果已经对末端的流量调节产生了作用，而不至于因为静压的频繁设定引起系统压力调节的振荡。

4．3 总风量控制
4．3．1方法的提出
传统的变风量系统控制方法一直视静压为调节风机转速的唯一参数。

很多文献所提出的控制方法的进一步改进，都是围绕静压点的位置，甚至于安装几个静压点，然后经过一个选择开关确定使用哪个静压值来控制风机。

事实上，只要静压控制环节存在，系统就必然有不稳定的因素。

能不能找到一种方法完全摆脱掉静压控制呢？为了实现这一目的，首先有必要对变风量系统控制中的各个环节进行仔细的分析。

在变风量系统控制中，排除机组的控制环节后，风系统控制中只有房间温度控制环节和
风机转速控制环节。

风机转速控制如果不使用静压控制，则必须寻找新的控制手段。

可能的办法就是考虑对风机实行某种前馈控制，而不使用反馈控制量进行风机调节。

4．3．2 基本原理
通过对末端控制环路的仔细分析，发现了各个末端的设定风量Gset 是一个很有价值的量，它反映了该末端所带房间目前要求的送风量，那么所有末端设定风量之和则显然是系统当前要求的总风量，并且体现了系统希望达到的流量状态。

根据风机相似律，在空调系统阻力系数不发生变化时，总风量和风机转速是一个正比的关系。

模拟中通过固定所有末端阀位全开，改变风机转速，得到一系列系统总风量与转速的对应关系，根据这一正比关系,可以想到在设计工况下有一个设计风量和设计风机转速，那么在运行过程中有一要求的运行风量自然可以对应一要求的风机转速。

虽然设计工况和实际运行工况下系统阻力有所变化，但可将其近似表示为:
G G N N =运行
设计设计运行
如果说所有末端带的区域要求的风量都是按同一比例变化的，显然这一关系式就足以用来控制风机转速了。

但事实上在运行时几乎是不可能出现这种情况的。

考虑到各末端风量要求的不均衡性，适当地增加一个安全系数就可简单地实现风机的变频控制。

这个安全系数应该能反映出末端风量要求的不均衡性。

这样我们先给每个末端定义一个相对设定风量Ri 的概念:
i G R G =s,i d,i
式中Gs,i 为第i 个末端的设定风量，由房间温度PID 控制器输出的控制信号设定;Gd,i 为第i 个末端的设计风量。

显然由于各个末端要求风量的差异而使各末端的相对设定风量Ri 不一致，这种不一致的程度，可以用误差理论中的均方差概念来反映。

首先计算出各个末端的相对设定风量Ri
的平均值i R -:
1n
i i i R
R n -==∑
式中n 为变风量系统中末端的总个数。

则均方差可以表示为
: σ=有了上述基本概念之后，我们可以给出下面的风机转速控制关系式:
,1,1
(1)n
s i i s d n d i i G
N N K G
σ===+∑∑
式中Ns 为运行工况下风机设定转速;Nd 为设计工况下的设计转速;Gs,i 为运行工况下的第i 个末端的设定风量;G d,i 为设计工况下的第i 个末端的设计风量;为所有末端相对设定风量的均方差;K 为自适应的整定参数，缺省值为1.0;n 为末端个数。

参数K 是一个保留数，可在系统初调时确定，也可以通过优化某一项性能指标，如最大阀位偏差进行自适应整定，目的是使各个末端在达到设定流量的情况下，彼此的阀位偏差最小。

有了这个转速关系式以后，就可实时地根据末端设定风量的变化对风机进行转速调节。

4．3．3结论
总风量控制方式在控制系统形式上具有比静压控制简单得多的结构。

它可以避免使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节;此外，也不需要变静压控制时的末端阀位信号。

这种控制系统形式卜的简化，同时也带来了控制系统可靠性的提高。

总风量控制方式在控制特点卜是直接根据设定风量计算出要求的风和L 转速，具有某种程度上的前馈控制含义，而不同于静压控制中典型的反馈控制。

但设定风量并不是一个在房间负荷变化后立刻设定到未来能满足该负荷的风量(即稳定风量)，而是一个由房间温度偏差积分出的逐渐稳定下来的中间控制量。

因此总风量控制方式下风机转速也不是在房间负荷变化后立刻调节到稳定转速就不动了，而可以说是一种间接根据房间温度偏差由PID 控制器来控制转速的风机控制方法，这才是总风量控制方法的实质。

总风量控制在控制性能上具有快速、稳定的特点，不像压力控制下系统压力总是有一些高频小幅振荡。

其主要原因是因为总风量控制方式取消了压力控制环节，而传统控制方式下由于压力测量误差的存在，导致风机做出一些无谓的微小调节，使系统总不可避免地出现小幅波动现象。

而且实际系统中压力测量误差更大，控制算法往往要对其进行简单的滤波处理，再用来控制风机，否则系统根本稳定不下来。

正因为总风量控制的这个优点，使得控制系统不仅减少了初投资，而且在初调时还可以大大减少工作量，并提高控制系统的可靠性。