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()()qx 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。