变风量空调系统设计浅谈 - 文章

变风量空调系统设计浅谈

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1 变风量系统简介

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。

图1　单风道变风量空调系统

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。

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

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。

图2 定风量经济循环系统

图3 　系统压力分布图

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

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。

图4 几种风口的气流组织试验结果
1 圆形散流器（2） 2 侧送风口（1个） 3 条缝形散流器（2个）
灯具形散流器（4个）--40W/m2，- - -80 W/m2

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。不过，由于压力无关型末端比压力有关型末端多了一个风速测量装置（如均速管），所以设计时通常要考虑入口前有足够长的直管道，同时施工和运行管理水平要求也较高（如管道吹灰，更新过滤器）。当然，压力无关型末端的价格也较高。

5 变风量系统的控制

变风量空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。前面提到，图1所示的变风量系统中采用了房间温度控制、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，系统不定期会有预冷、预热等其他控制。

5．1 VAV控制系统的组成

5．1．1 房间温度控制

本文第2部分已经介绍过了，在此不再赘述。

5．1．2 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，以满足以下游风道、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[5] 。笔者认为，这只是个折衷的考虑。不过，对于中小规模的低速送风系统，风道远近压差不大太大，所以矛盾不很突出。

5．1．3 新排风风量的控制

前面说过，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[6] 。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[1] 。

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[1]，[7] 。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深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，如图5所示。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。

图5 排风机取代回风机后的压力分布图

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。

5．1．4 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[9] ：

·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。不过，笔者认为，对于变风量比不太小的系统，问题可能不大。

·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。前面说过，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二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。

5．2 系统控制的稳定性

在实际工程中，像图1那样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。

造成控制系统不稳定的原因是什么呢？如何解决呢？

有人认为是多个控制环路之间的相互作用（interaction），建议设计时不要选用压力无关型末端，而选择压力有关型的末端。这样等于减少了环路数量，可能会提高系统的稳定性[10] 。一些系统管理人员干脆拆掉新排风控制，以牺牲新风来换取系统稳定性的提高。

还有人认为是末端装置选择过大以及末端入口压力过大。建议合理选择末端，仔细进行风道计算。

实际的空调系统千差万别，发生不稳定问题的原因肯定也是多方面的。不过，笔者认为，单就系统控制而言，除了变风量系统本身的强动态特性，空调系统中的非线性环节以及多个反馈控制环路之间的耦合可能是造成系统不稳定的两个重要原因。

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TRAV(terminal regulated air volume system)[11][12] 。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（送风机工况点以主表冷器后送风温湿度）。笔者认为，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。

变风量系统能否正常运行在很大程度上要依靠控制系统，然而目前的控制手段还不很成熟。实际工程中确实有相当一部分系统不有按照原先设计的那样运行。不过，将空调系统设计和控制系统设计两部分融合起来，同时考虑，针对不同的系统设计实施切实可行的控制策略，还是可以设计出成功的变风量系统的。那种由建筑设备设计人员先设计空调部分，再由控制工程人员或公司承包控制部分的做法似乎是行不能的。

6 总结

变风量系统设计比定风量系统容易还是难呢？

有这样一种认识：虽然变风量系统的工况是不断变化的，但不知道风道里气流的压力、流量具体是怎么变化的，所以无法、也没有必要仔细计算和设计风道，况且压力无关型变风量末端又能够自行补偿上游气流压力的变化，末端装置的尺寸选择过大、风道大了小了都不会出问题。

不用仔细作风道计算和设备选择，设计当然简单了，可实际并非如此。此是由于变风量系统工况随时变化，原先定风量系统设计那种以设计日为基础的方法似乎在这行不能，需要引入动态分析设计的思想和方法。不仅需要考虑设计日情况，还要分析过渡的工况，既要计算最大负荷，又要计算最小负荷，甚至必须进行全年分析。否则，系统将来可能会产生大问题，比如前面提到的新风不足和噪声偏大。定风量系统设计同样需要考虑新风、噪声和全年运行调节等问题。但是相对而言，变风量系统分析计算的工作量和难度要大得多。从这个意义上说，变风量系统的设计向设计人员、向原有的设计思想和设计方法提出了挑战。

变风量系统虽然已经发展了30年，但是技术还不很成熟，还存在不少问题亟待解决。本文的一些建议和观点只是笔者的管窥之见，仅供参考。变风量系统有很强的动态特性，加之空调系统固有的非线性，使问题的解决变得非常困难。头痛医头、脚痛医脚的做法，菜谱式的表态分析和设计的方法不会从根本上解决问题。设计人员要想使系统运行中少出或不出问题，就需要对变风量系统的特性有足够的认识，并能够做出较准确的定量分析。可目前这方面的研究还比较滞后，设计人员在设计时缺少有效的分析计算手段。国内变风量系统的实践正在兴起，迫切需要可行的、有效的辅助设计的分析方法。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/1/2005)


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