变风量系统简介

变风量（V A V）空调系统
1．变风量空调系统在国内外的应用状况
变风量(variable air volume ,VAV) 空调系统20 世纪60 年代中期产生于美国,凭借它节能、舒适、灵活等特点在美国、日本及欧洲一些发达国家得到了广泛应用。

在美国高层建筑的VAV 系统使用率已经达90 %以上。

国内变风量系统的使用率却很低。

如一项对上海200 幢办公大楼空调系统形式的调查中,其中变风量系统在整个空调系统的使用率仅有7 %。

目前我国正在运行的空调机组大部分是定风量运行的,由于过去人们对节能认识不足和变风量系统控制、运行较复杂及该系统的初投资较大,这些都限制了变风量系统的应用。

随着能源危机,节能已成为各行各业都在关注的问题,计算机的广泛应用,使控制系统的功能愈来愈完善,而且变风量空调系统的价格下调,已经可以与风机盘管加新风系统竞争。

在我国新设计的空调系统中有些已采用了VAV 空调系统,如东北电力集团总公司办公大楼等。

另外还有一些旧的空调系统如中国地震局减灾大楼等也改造成了VAV 空调系统。

2．工作原理
变风量空调系统的基本原理是通过改变送风量以适应空调负荷的变化,维持空调房间的空气参数。

在空调系统运行过程中,出现最大负荷的时间不到总运行时间的10 % , 全年平均负荷率仅为50 % ,在绝大部分时间内,空调系统处于部分负荷运行状态。

变风量系统通过减少送风量,从而降低风机输送功耗,起到了明显的节能效果;而且,楼宇自控系统可根据当前的制冷(制热) 需要,调节冷水机组(热泵机组) 的制冷(制热) 能力及投入运行的台数。

根据工况需求,自动组合启动冷水泵、冷却水泵及冷却塔的投运台数,以达到最佳的环境控制和节能效果。

变风量空调系统由空气处理机组、送风系统、末端装置及自控装置等组成,其中末端装置及自控装置是变风量系统的关键设备,它们可以接受室温调节器的指令,根据室温的高低自动调节送风量,以满足室内负荷的需求。

其他组成部分与定风量空调系统的作用基本相同。

图 1 是一个单风道变风量空调系统的结构原理图。

以下通过回风循环来描述变风量系统的工作过程:房间内的排风一部分被排掉,一部分与新风混合,经过AHU（空气处理机组）处理后送入房间。

图1 单风道变风量空调系统结构原理图
全空气空调系统设计的基本要求, 是要决定向空调房间输送足够数量的、经过一定处理的空气, 用以吸收室内的余热和余湿, 从而维持室内所需要的温度和湿度。

送入房间的风量按下式确定:
3.6 3.6()()q
x n s n s Q Q L I I c t t ρρ==-- (1)
式中,L 为送风量,3/m h ;
q Q 、x Q 为空调送风所要吸收的全热余热和显热余热,W; ρ为空气密度,3/kg m , 可取ρ=1.2;
c 为空气定压比热, kJ/ (kg ·℃) , 可取c=1.01;
n I 、s I 为室内空气焓值和送风状态空气焓值, kJ/kg;
n t 、s t 为室内空气温度和送风温度, ℃。

从(1) 式可知, 当室内余热x Q 值发生变化而又需要使室内温度n t 保持不变时, 可将送风量L 固定, 而改变送风温度s t , 这种空调系统称为定风量CAV (Constant Air Volume) 系统; 也可将送风温度s t 固定, 而改变送风量L , 这
种空调系统则称为变风量VAV 系统。

图2 是典型的VAV 空调系统示意图, 其主要特点就是在每个房间的送风入口处装一个VAV末端装置, 该装置实际上是一个可以进行自动控制的风阀, 以增大或减小送入室内的风量, 从而实现对各个房间温度的单独控制。

当一套全空气空调系统所带各房间的负荷情况彼此不同或各房间温度设定值不同时,VAV 是一种解决问题的有效方式。

图2 典型的VAV 空调系统示意图
3．变风量空调系统的分类
按照不同的分类标准,我们可以得到不同侧面的认识。

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。

3.1按照周边供热方式的分类(内部区域单冷)
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上,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,当建筑物有若干个区时,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,这时就需要划分若干个转换系统。

3.2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。

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。

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,因为有大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。

4．变风量空调系统的优点
4.1 节能
由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行, 而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的, 因此可以大幅度地减少送风风机的动力耗能。

根据模拟测算, 当风量减少到80% 时, 风机耗能将减少到51% ;当风量减少到50% 时, 风机耗能将减少到15% ; 全年空调负荷率为60% 时, 变风量空调系统( 变静压控制) 可节约风机动力耗能78%。

4.2 新风做冷源
因变风量空调系统是全空气系统, 在过渡季节可大量采用新风作为天然冷源, 相对于风机盘管系统, 能大幅度减少制冷机的耗能, 亦可改善室内空气质量。

4.3 无冷凝水烦恼
变风量空调系统是全空气系统, 冷水管路不经过吊顶空间, 避免了风机盘管系统中冷凝水滴漏和污染吊顶的问题。

4.4 系统灵活性好
现在建筑工程中常常需要二次装修, 若采用带VAV空调箱装置的变风量空调系统, 其送风管与风口软管连接,送风口的位置可以根据房间的分隔的变化而任意改变, 也可根据需要适当增加风口。

而在采用定风量系统或风机盘管系统的建筑工程中, 任何小的局部改造都显得很困难。

4.5 系统噪音低
风机盘管系统存在每个用户末端, 而变风量空调系统噪音主要集中在机房, 当采用空气动力型变风量末端时, VAVBOX可设置在走廊且一个VAVBOX可连接多
个末端用户, 末端噪音相对较小。

4.6 不会发生过冷或过热的现象, 空调舒适性好
带VAV空调箱的变风量空调系统与一般定风量系统相比, 能更有效地调节局部区域的温度, 实现温度的独立控制, 避免在局部区域产生过冷或过热现象。

4.7 楼宇自动化程度高
采用DDC数字控制的变风量空调系统, 可以实现计算机联网运行, 接到楼宇自控系统中, 从而提高楼宇智能化程度。

4.8 减少综合性初投资
由于增加了系统静压控制以及VAV空调箱等环节,设备控制上的造价会有所提高。

但由于变风量空调系统可以根据冷热负荷的分布, 使送风量在建筑物内各个控制区域间平衡转移, 从而使系统的设计总送风量减少, 因此可以减少空调系统设备的容量, 系统综合性初投资不一定会增加, 甚至可以降低。

4.9 结构简单, 维修工作量小, 使用寿命长
5.变风量空调系统末端设备
5.1 末端装置的分类
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, 有节流型和旁通型。

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旁通到回风道。

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; 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。

5.2 末端设备的常用类型
下面介绍在工程应用中常用的三种类型: 单风道变风量末端、风机动力型变风量末端以及变风量末端风口等类型。

5.2.1 单( 双) 风道变风量末端(见图3)
图3单( 双) 风道变风量末端
主要是指利用风阀的节流作用来改变通过该末端的送风量以适应该区域室内负荷变化来维持区域内空调参数恒定的末端形式。

5.2.2 风机动力型变风量末端: 串联型变风量末端以及并联型变风量末端
串联型和并联型变风量末端主要区别在于末端风机与一次风的相对位置,
如果末端风机与来自送风管的一次风相对串联, 则为风机串联型; 风机与一次风相对并联, 则为风机并联型。

风机串联型变风量末端: 是利用风阀的节流作用调节来自送风管的一次风量, 一次风与来自吊顶的二次风混合后由末端送风机送入该空调区域, 实现一次风变风量运行, 末端定风量运行的特点, 最大限度地保证室内的气流分布和舒适性。

见图4。

风机并联型变风量末端的风机只有在一次风量减少到最小风量仍无法满足区域内负荷减少的情况下才会启动并引入吊顶回风或于加热盘管一起工作来保证区域内空调参数的恒定。

见图5。

图4 串联式风机动力型变风量末端图5 并联式风机动力型变风量末端
5.2.3 内置温度传感器、控制器和执行器的机械式无源变风量末端风口
带有内置温度控制器, 依靠热敏感物质的膨胀和收缩作用来驱动风阀进行风量调节的变风量末端。

它主要是由温控器、调节风阀和传动机构等部分组成。

其核心部分是一个内置的温控器, 由一个充有石油蜡状物的小铜柱构成, 当其受热时, 蜡状物凝固收缩, 弹簧将柱塞拉回, 通过柱塞运动成比例地调节风阀的开度。

6.变风量空调系统末端装置的控制
变风量空调系统主要是通过末端装置以室内温度的波动为控制信号来控制房间送风量,满足房间热湿负荷的变化和新风量要求,它的好坏直接影响房间的空气品质。

变风量末端的控制方式有气动式控制、模糊控制、DDC 控制。

近年DDC 控
制通过精确的数字控制技术使得末端设备具有较好的节能性。

变风量末端装置的主要控制部分包括:
(1) 测量控制区域温度,通过末端控制器设定送风温度值。

(2) 测量送风量,通过末端控制器设定送风量值。

(3) 控制末端送风阀门开度。

(4) 控制加热装置的三通阀或控制加热器的加热量。

(5) 控制末端风机启停(并联型末端)。

(6) 上传数据到中央控制管理计算机系统或从中央控制管理计算机系统下载控制设定参数。

6.1 单管型末端
图6 单管型末端装置
6.1.1单管型末端结构
单管型是结构相对比较简单的末端装置,基本结构如图6。

单管型末端是压力无关型末端,内部不设动力装置无能耗。

在入口管内装有测量流量和传递信号的压差流量传感器。

末端空气调节阀的选择很多,可采用单叶式调节阀、对开多叶式调节阀或蝶阀等。

为降低因节流产生的噪声,在箱体内衬吸声材料。

末端在出口段设有多出口箱,与多个送风软管相连接。

有些末端出口可达到6～7 个。

6.1.2控制和运行
单管型末端主要是通过控制末端阀门的开度来调节末端送风量,即根据室温设定值与室温实测值的偏差计算设定风量值,再根据风量设定值与风量实测值的
偏差来控制风阀开度。

随着房间冷负荷的增加,阀门开大增加送风量,反之相同。

若末端带有加热装置,单管型变风量末端可用于供暖。

但对空调机处理的冷空气进行加热会产生冷热抵消,浪费能量。

所以单管型变风量末端更适用在全年只有冷负荷的空调房间。

单管型变风量末端是结构最简单无能耗的末端装置,而且它的价格较低,对于国内的大型建筑,单管型变风量空调系统是降低建筑能耗和成本的较好选择。

6.2 串联型末端
6.2.1串联型末端结构
图7 串联型末端装置
基本结构如图7。

与单管型相比主要是在末端箱体出口处增加了一个末端风机,并且经过空调处理的一次空气和诱导的二次空气(室内回风) 混合后经过末端风机送入室内。

末端风机连续运转来克服末端阻力,满足室内送风量和气流组织要求。

一般末端风机为前倾式离心风机,电机效率较低,这必然导致系统总能耗的增加。

末端风机送风量满足房间最大负荷送风量,避免当房间达到最大负荷时一次风倒流入吊顶空间。

在诱导二次风入口处有过滤网。

在出口段与单管型类似可设加热器和多出口箱。

6.2.2控制与运行
基本控制运行如图8 所示。

设有最小、最大流量控制和启停加热器控制设
定值。

温度控制器分别输出信号给末端控制器和加热器三通阀。

由于风机流量不变,当房间冷负荷增加一次风控制阀开大时,二次风将减少,使送风温度降低来达到房间要求,反之亦然。

当一次风降低到最小风量时,送风温度不再变化,室内温度开始下降,当降低到设定温度点时为最节能运行工况。

若温度继续降低直到加热器启动点时加热器启动,提高送风温度,房间开始供暖。

串联型末端的风机为定风量送风,通过改变送风温度来调节室内温度,并且通过直接数字控制技术同时控制风量和加热设备加热量,以保证控制达到整体最优操作。

图8 串联型末端控制图
6.3 并联型末端
6.3.1 并联型末端结构
基本结构如图9所示。

并联型与串联型的根本区别就在风机位置和能耗问题上:并联型是来自于吊顶诱导的二次空气(室内回风) 先经过风机后再与经空调机处理的一次空气相混合,然后送入空调房间,仅有二次空气经过风机;而串联型则是先混合再进入风机。

在风机出口处设有止回阀,以免空气倒流。

其它部分结构均和串联型末端相似。

图9 并联型末端装置
在运行中,并联型与串联型有较大区别。

并联型末端风机为间断式运行方式,随着房间负荷的变化来启停风机。

由于只有二次风经过风机,风机处理风量小、噪音小、能耗低。

6.3.2 控制与运行
基本控制运行如图10 所示。

当房间需要热负荷时,一次风为最小设定送风量,送入房间的总风量为最大送风量的50 %～67 %。

当房间需要冷负荷时,增加一次风量降低送风温度来满足房间要求。

当冷量达到某一定值时,控制器输出信号停止末端风机运行即用一次风来满足房间冷量。

为防止一次风倒流到吊顶空间应设防倒流装置。

而且还要注意的是风机的启停控制是至关重要的。

系统应尽量
避免风机频繁启停,保证系统稳定和减少室内噪声。

图10 并联型末端控制图
6.4 两种末端型式的比较
单管型末端结构最为简单,末端不需动力装置、耗能小、价格相对较低。

这些优点使国内VAV 系统初投资高、运行复杂等问题得到解决。

但是对于内外分区的系统来说,单管型末端不能同时实现外区供暖内区供冷的情况,且送风量减小也可能影响室内气流组织。

串联型和并联型末端则能有效地解决这一问题。

串联型末端带有风机,使得出风口气流具有一定的速度,保证气流组织。

末端风机连续运转定风量运行,只是靠改变一次空气和回风混合比来满足室内要求。

当一次风处于最小送风量时,室内仍具有很好的气流组织形式。

所以串联型末端常与传统散流器风口配合,用于低温送风系统。

与低温相结合的VAV 系统可降低送风量、设备容量和管道尺寸等,从而得到进一步节电降耗。

但在低温送风系统中应注意在末端箱体内加绝热内衬,以防当低温空气流过时使金属外表面出现结露现象。

并联型末端虽然也带有风机,但风机动力小而且风机间断运行。

在风机不运行期间,可能不会保证良好的室内气流组织,且有可能会出现冷气流直接下沉现象。

所以与串联型相比,间断式运行的并联末端不宜用于低温送风系统。

总体来说,单管型末端适用内区常年供冷的系统,而外区则可用动力型末端来解决室内空气品质问题。

对于国内来说,这两种类型的末端仍是国内VAV 系统主要使用的末端装置。

通过不断研究它们的性能特点,使不同类型的末端有机结合,最终能使整个系统运行达到最佳节能效果。

6.5对变风量末端能耗的探讨
风机动力型末端因能保证良好的室内气流组织,在VAV 系统中得到广泛的应用。

其中以低温VAV 空调系统最为典型。

但动力型末端的优点是通过耗能实现的。

由于变风量末端风机和电机小,导致它的效率很低,因此末端的能耗问题就必须得到重视。

国外有研究表明,在低温VAV 送风系统中末端的能耗将有可能大于送风机的节能,这一结论使得设计者对动力型末端的使用甚至VAV 系统的应用都产生顾虑。

但是,随着技术的进步,目前各生产厂商都在不断提高末端产品的性能,较为显著的电机和风机效率低的问题已经得到很大的改善。

提高小风机效率,使用高效电机等使得末端的能耗明显降低。

所以对末端装置的能耗重新评估,准确定位动力型末端装置在系统中的使用就显得十分重要了。

此外,优化控制系统末端控制器、提高机电一体化技术和设备性能,尽快研究开发适合我国建筑环境的变风量末端,并使之应用于VAV 系统中以求达到降低初投资、节能降耗的目的,适应国内建筑需求。

7．变风量空调处理机组控制
VAV 系统AHU 的控制主要包括送风量控制、最小新风量控制、室内正压控制、送风状态点控制等。

7.1送风量控制
VAV 系统最大特点就是根据室内负荷控制送入的风量,从而节约空气输送消耗的能量。

送风量的控制一般采用静压法,控制静压,实际上是控制系统风量。

系统静压控制的方法主要有定静压控制和变静压控制法。

7.1.1 定静压法的VAV 系统控制
在VAV 系统设计中,通常采用定静压控制法。

即在送风干管适当位置设置静压传感器,通过变频器不断地调节送风机转速来改变空调系统的送风量,以维持风管静压恒定。

为保证每个VAV末端都能正常工作,要求主风道内各点的静压都不低于VAV 末端装置所需的最低压力。

如果定压点靠近系统的末端如 a 点(图
2) ,当负荷减小时,定压点前管路阻力随风量减小,故该方式有利于节约风机能耗。

但这时如定压点前的末端装置仍在设计负荷工况下工作,其风机入口处静压低于设计值,有可能会造成这部分区域的送风量不足。

如果系统定压点靠近风机出口如 b 点,当负荷减小时,不利于风机的节能运行,同时由于此时末端装置在较大进出口的压差下工作,会使系统的噪音增大。

在实际工程应用中,定压点的位置通常选择在该点之前管路阻力是总阻力的2/ 3 处,压力大致恒定在300 Pa 左右。

该控制方法比较简单,运行可靠, 适合于较庞大的VAV 空调系统。

采用定静压控制时,当系统所有末端装置风量都低于额定风量时,再维持系统中的设定静压则不利于风机的节能。

图2 定静压法系统风量控制图
7.1.2 变静压法的VAV 系统控制
采用变静压控制法的系统总风管中不需设置静压传感器,而是根据末端风阀阀位状况来判断系统风量的盈亏。

当系统中有一个末端开度达到100 %表示风量不足时,风机提高转速;当系统各末端均在85 %以下时,表示风量富裕,风机降低转速;当系统中至少有一个末端开度在100 %～85 %之间时,表示风量适当,风机维持原有转速。

这样可以尽量降低风机运行的静余压,节约风机运行能耗。

变静压方法能最大限度地降低能耗,而且也可以很好的解决变风量系统的其他问题。

尽管其控制算法相对复杂,需要每个阀门控制器都有通讯功能或阀位反馈功能,硬件投资较大,但随着控制技术进一步成熟及成本不断的下降,这种方法必将有。