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变风量系统设计探讨 |
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作者：上海工程技术大学 胡建平 |
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摘要：分析变风量系统优于定风量系统的特点，指出在计算冷负荷、送风量，设计风管系统及控制系统等方面应注意的问题，并简要提出一些具体措施。
关键词：变风量 冷负荷 静压复得 控制
1 引言
为适应某空调房间的负荷变化，定风量系统由于各房间送风量是根据最大负荷计算而得，且送风温度相同，所以往往需要设置再热器。当某空调房间出现部分负荷时，势必产生过冷现象，迫使冷却减湿后的空气再热，形成冷热能量抵消，造成浪费。而变风量系统，简言之，即固定送风温度，改变送风量的空调系统，可以克服上述缺点。这类系统通过改变各房间的送风量来适应房间的负荷变化，可以使系统输送的风量在各房间之间转移，从而减小系统总的设计风量，因此变风量系统在运行成本上是节能的。但由于增加了系统静压、最大和最小送风量以及新风量等控制环节，加大了其控制系统的复杂程度，并且我国还未形成符合国情的变风量系统设计规范，因而使许多系统达不到预期效果，甚至使众多设计师对变风量系统望而却步，大大制约了该技术在我国的推广应用。
2 温、湿度控制能力
变风量系统最主要的特点是：
（1）末端装置可以随空调房间实际负荷的变化而改变送风量，充分利用负荷差异，减小系统的总负荷，从而减小设备容量，节约运行费用；
（2）末端装置的送风散流器诱导比高，室内空气分布均匀；
（3）温、湿度控制能力优于定风量系统。具体分析如下：
2.1室内热、湿负荷成比例减小, 即ε不变
以一次回风系统为例，空气处理过程如图1所示。
根据空调原理,送风量计算公式为
式中
G——各空调房间送风量，kg/s；
Q——各房间热负荷，kW；
in——室内状态点焓值，kJ/kg；
io——送风状态点焓值，kJ/kg。
1）变风量系统
送风温度不变，Q减小时，可以减小G，送风状态点O沿ε线仍可以到达室内状态点N。
2）定风量系统
a）保持送风温度不变，送风状态点O沿ε线到达状态点N1。
b）改变送风温度（如再热），送风状态点变为O´，沿ε线到达状态点N2。
2.2 室内热负荷减小，湿负荷不变，ε减小，即ε2<ε1
空气处理过程如图2所示。
1）变风量系统
送风温度不变，Q减小时，可以减小G，送风状态点O沿ε2线到达状态点N3。
2）定风量系统
a）保持送风温度不变，送风状态点O沿ε2线到达状态点N4。
b）改变送风温度（如再热），送风状态点变为O´，沿ε2线到达室内状态点N。
通过分析，负荷发生变化时，室内状态参数变化见表1。表1 室内状态参数变化分析
 总之，变风量系统在负荷发生改变时，对室内温、湿度的控制能力优于定风量系统。
3 设计中值得注意的问题
通常，一个完整的变风量系统由空气处理设备、送回风系统、末端装置以及自动控制系统等组成，其设计内容主要包括：
1） 空气处理设备的选型计算
2） 送回风系统的设计计算
3） 末端装置的选型计算
4） 自动控制系统设计及选型
3.1 冷负荷计算
由于建筑物各朝向外围护结构的峰值负荷不会同时出现，所以计算冷负荷时，最好划分空调区域（外区和内区）。一般的做法是按照东南西北朝向把受室外参数影响的区域划分成4个外区，把不受室外参数影响的区域划分成内区，各区分别设计空调系统。此外，变风量系统与定风量系统的冷负荷计算过程不同，分别见图3，图4。
图3 变风量系统冷负荷计
图4 定风量系统冷负荷计算过程
可见，采用变风量系统的建筑物，分区的综合冷负荷小于其所管辖的各空调房间的冷负荷之和，对同一建筑物，变风量系统的冷负荷小于定风量系统的冷负荷，一般对小型系统前者约是后者的90～95％；对大型系统前者约是后者的65～70％。所以，应该根据分区同时出现的最大冷负荷选择各区空气处理设备容量；根据整个建筑物的最大冷负荷选择制冷设备容量。当然，选型时要考虑一定的裕量。
3.2 送风量计算
利用式(1)计算送风量,只是G、Q的含义略有不同。
1）对单个房间
Q——各空调房间逐时最大冷负荷，kW；
G——各房间送风量，kg/s；
2） 对各分区
Q——某分区综合最大冷负荷，kW；
G——某分区送风量，kg/s；
3） 对整个建筑物
Q——建筑物综合最大冷负荷，kW；
G——系统总送风量，kg/s。
可以发现，系统总风量小于各分区的送风量之和，以及每个分区的送风量小于其所管辖各空调房间送风量之和（有关送风量的分配见后文）。根据由空调房间最大逐时冷负荷计算出的送风量确定末端装置的型号和台数。
3.3 风管设计
变风量系统的送风系统与定风量系统相比有更高的要求，既要满足变风量末端装置运行所需要的静压，又要在运行过程中保持该静压稳定。一般来讲，变风量系统是中速中压系统，在风管设计中宜采用静压复得法，即管路动压的减少量正好等于摩擦阻力，动压减小，静压增加，增加的静压正好用于克服管路的摩擦阻力，使管路的静压始终保持恒定。
定风量系统常采用矩形风管，其风速一般较低，所形成的动压不足以克服摩擦阻力，而圆形风管允许较高风速，所以变风量系统更适宜采用圆形管；并且与类似的矩形风管系统相比，圆形风管系统可节约材料15～30％。但户式变风量系统，由于风量小，管路短，余压小，且室内噪声要求高，不宜采用中速或高速送风，应采用常规的低速系统，即用等摩阻法设计风管尺寸。（有关静压复得法计算风管管径可以参考相关资料）
3.3.1 风量分配
由于所有末端装置的最大送风量之和大于系统总送风量，所以确定主风管管径时要利用“差异系数”重新分配风量（连接末端装置的支风管和主风管末端部分用其实际最大送风量计算管径）。
将
人为地分配到各送风主管段上，风量调整后再利用静压复得法计算管径。一般地，若末端装置送风量相同或相近时，在主管末端大约1/3范围内，差异系数取1.0，在余下的2/3范围内，差异系数平均分配。例如：系统总送风量3035m3/h，各末端装置最大送风量510 m3/h，见图5。
图5 风管设计示意图
根据式(2)(3)计算得
将差异量人为分配后，送风量调整结果见表2。表2 风管干管送风量调整结果
 计算系统冷负荷时已考虑了同时使用系数，故系统总送风量被人为分配后，依靠末端装置的变风量箱能够实现送风量的自动转移，从而达到预期效果。
3.3.2 静压复得（静压损失）
送风管的起始端与风机出口连接，风机出口流速对风管起始端的风速会有影响。若二者风速不相同，必须考虑流速转换的静压复得或静压损失。
1）风机出口风速小于风管起始端风速
2） 风机出口风速大于风管起始端风速
需要提醒的是：这部分静压复得或静压损失应计入送风机所需要的总静压值内。
4 变风量系统的控制系统
虽然变风量系统的总风量及各空调房间送风量都能随负荷变化而变化，但是只有有了可靠的控制系统其节能性和经济性才能体现出来，控制系统与变风量系统设计密不可分。主要包括：房间温度、空气处理装置、系统静压、房间正压等控制环路，尤其不能忽略最小新风量控制和最小送风量控制。
4.1 最小新风量控制
充足的新风量是良好室内空气品质的根本保证，同时为了达到风量平衡，需要控制新风量，但更应认真考虑最小新风量的控制。定风量系统由于送风量保持不变，所以在整个运行期间都能满足设定的新风量；而变风量系统由于送风量随负荷的减小而减小，新风量也随之减小，若负荷很低时，新风量可能不能满足卫生要求，所以，选择控制方法时一定要考虑能否保证最小新风量。其中专设一个新风机是比较可行的方法。另外，设计中有时会遇到这样的情况，总新风量达到了要求而个别房间新风量不足。此时，可以考虑利用回风（若回风中CO2的浓度未超标）。
4.2 最小送风量控制
变风量系统中存在两个最小送风量：一是末端装置的最小送风量，一是系统的最小送风量。末端装置送风量有两个极值（最大和最小），当其送风量已经减小到最小风量而仍不能达到室内参数要求时，需要采取相应的措施以保持室内参数，如通过再热器调节送风温度，也可以设计辅助风机，抽取部分回风送入末端装置，混合再热，最后送入室内。
5 结语
变风量系统自20世纪60年代提出以来仍在不断发展、完善，虽然还存在一些实际问题亟待解决，但是它的应用前景比较好。国外变风量系统的初投资已经减小，有的甚至已低于定风量系统，充分体现出其节能性和经济性；并且变风量系统应用范围也比较广，可以说，只要全空气空调系统能成功运行的建筑物都可以采用变风量系统，特别适用于负荷变化大、部分负荷运行时间长的建筑物，如办公楼、学校等。
参考文献
1 蔡敬琅.变风量系统空调设计.北京：中国建筑工业出版社，1997
胡建平,女,1973年1月生,硕士,讲师,主要从事暖通空调及其控制方面的教学与科研工作。
200336 上海市仙霞路350号
上海工程技术大学机械学院热能动力工程系
(021) 62759779-5007
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(3/1/2005) |
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