变风量空调技术

第二节　变风量空调技术

变风量(Variable air volume，VAV)空调系统于20世纪60年代起源于美国，由于当时单风道再热系统和双风道混合定风量系统在很长一段时间内占据舒适性空调的主导地位，变风量系统出现以后并没有立刻得到推广。20世纪70年代的石油危机使人们的观念有了改变，空调节能成为行业的关注点，变风量空调技术得到了较快的应用和发展。自20世纪80年代开始在欧美、日本等国家或地区得到迅速发展。经过十几年的普及和发展，变风量空调系统已占据了欧、美、日集中空调系统约30%的市场份额，并在世界上越来越多的国家得到应用。近年来，美国和日本的办公、商用建筑已普遍采用变风量空调系统。

在我国，20世纪70年代已有人研究VAV空调系统的开发和应用，并在纺织厂、体育馆等建筑中采用过VAV空调系统。到了20世纪90年代中期，随着人们对室内空气品质的逐步重视，变风量空调系统开始应用于一些高级办公建筑，与该系统相关的技术也在不断地被消化和发展，变风量空调技术正在被加速推广。

变风量空调系统是全空气空调系统中的一种类别，与定风量空调系统相比，在满足空调要求的同时，又有明显的节能效果，全年空气输送能耗可节约1/3，设备容量减少20%～30%，据多种资料介绍，变风量系统一般情况下，可节能达50%左右。

一、VAV空调系统的基本原理

如果只除去室内显热，则空调系统能量平衡可近似用下列方程式表示。

其中: G——送风量，m³/h;

Q——室内负荷，W;

T_O——送风温度，℃;

T_N——室内设定温度，℃。

由式(5－7)可知，当负荷Q或室内设定温度T_N变化时，保持送风量G不变，调节送风温度T_O;或保持送风温度T_O不变(或微调)，根据室内负荷Q的变化调节送风量G，均能保持空调系统的能量平衡。前者就是目前国内较广泛使用的定风量空调系统，其主要缺点是当负荷变化时采用再热方式调节能量，冷热抵消造成较大的能量损失。后者则为极具应用前景的VAV空调系统。

图5－4为单风道VAV空调系统简图。系统管路由VAV空调箱、新风、回风和排风阀、VAV末端装置及管网组成。控制环路由室温控制、送风量控制、新风、回风和排风阀联动控制及送风温度控制等部分组成。

图5－4　简单变风量系统示意

变风量系统是一种节能的空气调节方式，其工作原理是由于各末端风量自动追踪空调房间显热负荷的变化，通过适当的控制措施后，使空调机组的送风量做相应的改变。相对于定风量空调系统，由于全年绝大多数空调时间内空调负荷低于设计值，在低负荷时节省空调机组内送风机的运行能耗，因此该系统能节约较多的全年运行能耗。

二、VAV系统的特点

1.在避免任何冷热能量抵消的情况下，实现不同负荷变化特点的各空调空间的温度自动调节

对于服务于多个房间(或区域)的定风量系统来说，由于经过空调设备处理过空气的送风温度一定，为了适应某个房间(或区域)的负荷变化，往往需要设置再热装置，才能维持该房间(或区域)的温、湿度在所要求的范围内。否则，因为送到各房间(或区域)去的风量是按它们的最大负荷求得的风量，且送风温度相同，在这些房间(或区域)出现部分负荷时，势必产生过冷现象。迫使经过冷却去湿处理过的空气又需进行再热处理，这种冷热抵消的处理过程，显然是一种能量的浪费。全空气定风量系统只能控制某一特定区域的温度，对于一个需服务多房间的定风量系统，如无特殊措施，便不可能满足每个房间的温度要求。对于多数舒适性空调要求来说，并不需要十分严格的温度和湿度的控制。若采用VAV系统，由于每个房间内的变风量末端装置可随该房间温度的变化自动控制送风量，使空调房间过冷或过热现象得以消除，能量得以合理利用。因此，变风量系统在运行中是一种节能的空调系统。

2.减小设备容量和节省运行能耗

对于某一幢大型民用建筑，各个朝向的房间一天中最大负荷并不出现在同一时刻。采用一个定风量系统担负多个房间的空调时，由于送到房间去的风量和系统总风量都是固定的，因而只能按各房间的最大负荷来设计送风量。采用VAV系统时，由于各房间变风量末端装置独立控制，可以适应一天中同一时间各朝向房间的负荷并不都处于最大值的需要，空调系统输送的风量(实际上输送的是热能)可以在建筑物内各个朝向的房间之间进行转移，从而系统的总设计风量可以减少。这样，空调设备的容量也可以减小，既可节省设备费的投资，也进一步降低了系统的运行费。同时，系统的冷、热量或风量应为各房间逐时冷、热量或风量之和的最大值，而非各房间最大值之和。因此，在设计工况下，VAV系统的总送风量及冷(热)量少于定风量系统的总送风量和冷(热)量，于是使系统的空调机组规格减小，冷水机组和锅炉安装容量减小，占用机房面积也因此而减小。若配以合理的自动控制，空调制冷机组也可只按实际负荷需要运行，降低能耗和运行费用。

3.较好适应房间灵活分隔

基于现代化办公和商业建筑体积及层面面积大，房间分隔与使用功能变化多，尤其在二次装修时，用户通常会根据各自的使用要求对房间进行二次分隔，VAV系统由于其末端装置布置灵活，能很容易适应这种变化要求。对于用途和布置隔断经常发生变化的改建和扩建建筑物，变风量系统也能较方便地满足用户的要求，实现单个房间的温度自控，各房间可以独立选择自己要求的室内温度。

4.变风量系统的主要缺点

变风量系统的主要缺点是系统初投资高和如何保证必要新风量问题。据有关资料统计，变风量系统的初投资比风机盘管加新风空调方式高2.5倍左右。变风量系统要求较完善的自动控制系统，同时由于不论是冬季还是夏季，大部分时间内空调系统并不在满负荷条件下运行，而是在部分负荷条件下运行。也就是说，变风量空调的各个空间在大部分时间内所得到的送风量均小于设计送风量。除非同步调大新风阀开度，否则进入室内的新风量会随送风量的减少而同步减少，室内人员实际得到的新风量就会低于人体所需的最小新风量，而且负荷越小，新风量不足的问题越严重，造成室内人员的头疼、头晕等不舒适感。为了保证必要新风量，变风量空调方式的自动控制系统中必须增加一套装置，使在调节减少送风量的同时按一定比例逐步开大新风阀，这样自然会相应地增加自控装置的造价。除此以外，当变风量空调方式的总送风量随时间变化时，风道内的静压也相应地变化，对于整个风道系统的风量分配产生一定的干扰。因此，有必要配备一套风量稳定设施来抵消风道静压变化所产生的干扰作用，这又会相应地增加了造价。

三、VAV末端装置

VAV末端装置是变风量空调系统的关键设备之一，依靠调节一次风量，补偿空调区域内冷热负荷变化，维持室温的装置。变风量末端可以分成节流型、风机动力型和旁通型3种基本类型，还有一种是在北欧广泛采用的诱导型。主要由室温传感器、风速传感器、控制器、一次风风阀以及金属箱体等组成。所有变风量末端的“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末端。因此说节流型变风量末端是最基本的变风量末端，其他如风机动力型、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。目前，在我国民用建筑中最常用的是节流型和风机动力型末端装置。

VAV末端装置的功能主要是当室内负荷发生变化时，VAV末端装置接受系统控制器或室温传感器的指令，根据室温高低，调节一次风送风量。当室内负荷发生较大变化时，能自动维持房间风量不超过设计最大风量，也能控制最小房间送风量，以满足最小新风量和气流组织的要求。必要时可以完全关闭一次风风阀。

几种常用的变风量末端装置。

1.风机动力型VAV末端装置(FPB)

风机动力型变风量末端装置是在节流型变风量末端装置箱体中内置了一台离心式增压风机。系统运行时由变风量空调箱送出的一次风，经末端内置的一次风风阀调节，再与吊顶内或回风道二次回风混合而后送入空调区域。根据加压风机与变风量阀的排列方式又分为串联风机动力型和并联风机动力型两种产品。所谓串联风机动力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;所谓并联风机动力型是指风机和变风量阀并联内置，系统运行时由变风量空调箱送出的一次风，经末端内置的一次风风阀调节后，直接送入空调区域，而不需通过风机加压。

串联式风机动力型变风量末端(简称串联型FPB)如图5－5(a)所示。此类末端也可增设热水或电热加热器，用于外区冬季供热和区域过冷再热，供热时一次风保持最小风量。供热时，二次回风既保持足够的风量，降低出风温度，防止热风分层。又可减少一次风的再热损失。供冷时，串联型FPB一、二次风混合可提高出风温度，适用于低温送风。因送风量稳定，即使采用普通送风口也可防止冷风下沉，以保持室内气流分布均匀性。当一次冷风调到最小值后区域仍有过冷现象时，必须再热。二次回风可以利用吊顶内部分照明冷负荷产生的热量(约高于室内2℃)抵消一次风部分供冷量，以减少区域过冷再热量。串联型FPB一般用于一次风温度较低的系统或冰蓄冷空调系统中，它将较低温度的一次风同温暖的顶棚内空气混合成所需温度的空气送到空调房间内。一次风的温度低、风量小，可使集中空调机组的规格和送回风管及其配件的尺寸减小，节省设备初投资费用和减少吊顶空间。串联型FPB始终以恒定风量运行，因此可用于需要一定换气次数的场所。

并联式风机动力型变风量末端(简称并联型FPB)如图5－5(b)所示。并联型FPB增压风机仅在保持最小循环风量或加热时运行。当大风量供冷时末端风机不运行，风机出口止回阀关闭。和串联型FPS一样，二次回风不仅加大了送风量，保证了供热和室内气流组织的需要，还可以减少区域过冷再热量。增压风机的风量是根据空调房间所需最小循环空气量或按末端装置设计风量的50%～80%选择。

图5－5　风机动力型变风量末端装置结构

(a)串联风机动力型(b)并联风机动力型

2.节流型VAV末端装置

图5－6是一文丘里型末端装置示意图。当室内负荷发生变化时，该装置内的锥形体由节流型变风量末端装置是最基本的变风量末端装置，通过改变空气流道的截面积而改变风量。节流型变风量末端装置分为百叶型、文丘里型和气囊型3种基本类型。所有类型均由一个节流机构加上对该机构的控制和调节元件以及必要的箱体构成。百叶型变风量末端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;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;文丘里型的调节原理是在一个文丘里式的筒体内装有一个可以沿轴线方向移动的锥形体，通过锥形体的位移改变气流通过的截面积来调节风阀。

图5－6　文丘里型末端装置示意图

1.执行机构;2.限位器;3.阀杆;4.文丘里型筒体;5.锥形体;6.弹簧

温控器的电动或气动执行机构通过锥形体中心的阀杆带动，从而改变文丘里式筒体中间环形面积大小，因此风量被改变。锥形体中心的阀杆带有弹簧，其可以完成定风量的功能。当末端置上游静压增大，此压力将克服弹簧力，使锥形体朝减少空气流通截面积方向移动，从而加了空气流通时的阻力，因而维持了原来风量不变;当末端装置上游静压减小时，情况完全相反，弹簧力使锥形体朝增加空气流通截面积方向移动，从而减少了空气流通时的力，因而维持了原来风量不变。当风道内静压在一定范围内变化时，末端装里应该在定变风量范围内都具备这种特性。电动风阀是VAV变风量箱对送风进行节流的唯一部件，风阀流量特性的优劣直接影响到变风量装置的控制效果。

对于节流型VAV末端装置，各生产厂家都提供了装置的名义风量、最大风量与最小风量设定范围等参数。实际使用时变风量装置的最小风量必须大于装置的最小风量设定界限;最大风量必须小于装置的最大风量设定界限。

节流型VAV装置也可作为定风量装置使用，只要把变风量装置的最大风量与最小风量设定为相同值即可。因此，它可以使用在定风量空调系统中的新风或排风系统，以确保系统的新风量和排风量恒定。

3.旁通型

图5－7表示的是一种典型的旁通型变风量末端装置。旁通型变风量末端装置是利用旁通风阀来改变房间送风量的一种变风量末端装置。该系统的特点是可以在不控制风机转速的前提下控制室内温度，风管内的静压也不会发生变化，且投资较低，因此这种系统简单，控制方便，维护容易。其最大的缺点是因为有大量送风直接旁通返回空调设备，系统的总风量并未改变，风机能耗并未节省，所以目前使用也不多。

图5－7　典型的旁通型变风量末端装置

四、VAV系统设计应注意的问题

一般来说，变风量系统适合多房间且负荷有一定变化的建筑，如办公大楼、多区域控制的建筑物。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，包括建筑物用途、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将来改扩建的考虑等，进行技术经济比较，权衡利弊，以确定是否采用变风量系统。

1.内外分区

在同一个建筑物内，各区域围护结构在构造、朝向和计算时间上的差异产生了不同的围护结构瞬时负荷，各区域功能和使用情况的差异也造成了不同的内热负荷。在负荷分析的基础上，根据空调负荷差异性，恰当地把空调系统划分为若干个温度控制区域。在进行VAV系统设计时，需先对空调房间进行平面分区，最常见的是对空调房间进行内、外分区。

建筑物外区和内区的负荷特性不同。外区由于与室外空气相邻，直接受到外围护结构日射得热、温差传热和空气渗透等负荷影响，随季节改变有较大的变化;内区则由于远离围护结构，具有相对稳定的内边界温度条件，不直接受来自外围护结构的日射得热、温差传热和空气渗透等负荷影响，即室外气候条件的变化对它几乎没有影响，通常全年需要供冷。冬季内、外区对空调的需求存在很大的差异，因此宜分别设计和配置空调系统。这样，不仅可以方便运行管理，获得最佳的空调效果，而且还可以避免冷热抵消，节省能源的消耗，减少运行费用。

对于办公建筑来说，办公室内、外区的划分标准与许多因素有关，其中房间分隔是一个重要的因素，设计中需要灵活处理。例如如果在进深方向有明确的分隔，则分隔处一般为内、外区的分界线;房间开窗的大小、房间朝向等因素也对划分有一定影响。在设计没有明确分隔的大开间办公室时，根据国外有关资料介绍，通常可将距外围护结构3～5m的范围内划为外区，其所包容的部分为内区。为了设计尽可能满足不同的使用需求，也可以将上述从3～5m的范围作为过渡区，在空调负荷计算时，内、外区都计算此部分负荷，这样只要分隔线在3～5m变动，都是能够满足要求的。

2.变风量比

由于不论是冬季还是夏季，大部分时间内空调系统并不在满负荷条件下运行，而是在部分负荷条件下运行。因此变风量系统的风机、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运行。变风量比(K)是指最小设计风量与最大设计风量之比。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。所以在确定最小设计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，防止出现房间气流组织恶化、噪声和新风量严重不足等问题。一般情况下，房间的K值最好不要小于0.4～0.5。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。

3.空气处理装置

变风量系统一般采用组合式空调机组，可实现各个功能段的优化组合。对于办公楼，可每层设一台空调机组，也可以根据建筑朝向不同设置多台小型空调机组。

空气处理机组送风机静压除克服送、回风管阻力外，还应满足变风量末端装置入口静压的要求:①采用串联式风机动力型末端装置时，空气处理机组风机的静压应能克服末端装置一次风阀的阻力。②采用单风道型、并联式风机动力型末端装置时，空气处理机组风机的静压还应能克服末端装置及其下游风管与送风口的阻力。

空气处理机组的送风机应采用离心通风机。大风量高静压情况下，宜采用后倾式离心通风机;风机运行时最高效率点应设置在风机设计最大送风量的70%～80%范围内。变风量空调机组送风机的电动机由变频装置驱动，可适应系统风量变化。

变风量空调机组的风机风压应根据风管系统的布置、末端装置的类型、风口形式等确定。大多数空调机组风机的全压为1 000～1 500Pa，机外静压一般为450～700Pa。

内外区合用变风量集中空气处理机组，外区宜采用再热型变风量末端装置，再热装置宜采用热水盘管;内外区分别设置变风量集中空气处理机组，内区全年供冷，外区按季节转换供冷或供热;外区集中空气处理机组宜按朝向分别设置，使每个系统中各末端装置服务区域的转换时间一致。

对于进深较小、不设内、外区的空调系统，变风量空调机组宜分别设置冷盘管和热盘管。对于进深较大，设置内、外区且外区采用再热盘管或独立冷热装置、进入空调机组的新风已经过预处理的空调系统，其变风量空调器一般只设冷盘管。对于采用送风温度在11℃以下的低温送风及冷水大温差的系统，冷盘管的排数可能会在6排以上，这将增加盘管的风阻力。

4.风量确定

变风量空调系统集中式空调器的最大送风量应根据系统中各房间的逐时负荷最大值确定，并根据工程实际情况考虑一定的同时使用系数，送风温差不宜小于8℃。最小送风量应根据负荷变化范围、房间卫生、正压、气流组织要求、末端装置可变风量范围等因素确定，可取最大送风量的30%～80%，且不应小于设计新风量。区域送风量按区域逐时负荷最大值确定。房间送风量按房间逐时负荷最大值确定。

变风量末端装置风量确定应按如下原则。

(1)一次风的最大设计送风量。应按所服务空调区域的逐时显热冷负荷综合最大值和送风温差经计算确定;寒冷地区应校核冬季送风温度，一般不宜高于室内设计温度8℃，不计各空调温控区内的潜热负荷，取冷、热一次风最大风量中较大值为选择设备用的一次风最大风量。

(2)一次风最小送风量。由末端装置本身的可调范围、温度控制区域的最小新风量和新风分配均匀性要求，以及气流分布要求和加热器的送风温差要求等因素确定;一般可选最大设计送风量的30%～40%，新风需求量较大且稳定的区域(如会议室等)最大可按80%考虑。

(3)串联式风机动力型末端装置的内置风机风量为一次风和室内回风风量的总和;内置风机风量应按供冷工况根据室内舒适度要求和送风口特性确定混合后的送风温度，并根据一次风最大设计风量和温度、室内回风温度、混合风送风温度经计算确定，一般为一次风最大设计风量的1.0～1.3倍。

(4)并联式风机动力型末端装置内置风机的风量，应结合内外区考虑。内区采用单冷末端装置时，宜取为一次风最大设计送风量的4%～50%;外区末端装置风机应按冬季工况确定，应按风口特性和室内舒适度要求确定末端装置的送风温度，并根据一次风最小风量和温度、室内回风温度、末端装置的供热量及送风温度计算末端装置风机风量(即室内回风风量);末端装置风机风量一般为一次风最大设计风量的50%～80%。

(5)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。在新风要求很高的场合，可能要单独敷设新风道。所以，变风量系统中，新风主要考虑三方面的问题:总新风量的控制、总新风量的确定和新风的分配。保证新风需求的送风量，对于设备发热量小、人员多的区域(如会议室)，应校核一次风最大风量是否满足新风需求，若不满足可采取局部再热措施，可以提高送风温度，增加送风量。

(6)送风口的风量应如下确定。①采用单风道型末端装置的系统，最大设计送风量应为末端装置一次风最大设计风量。②采用串联式风机动力型末端装置的系统，最大设计送风量应为末端装置内置风机的风量。③采用并联式风机动力型变风量末端装置的系统，最大设计送风量应取一次风最大设计风量，以及按末端装置最小一次风风量与内置风机的风量之和计算出的风量，二者中的较大值。④采用单风道型、并联式风机动力型末端装置的系统，送风口最小送风量应为一次风最小风量。

5.噪声控制

变风量末端装置直接置身于空调区域中，其噪声控制是VAV系统设计的另一个重点与难点。变风量末端有两个噪声源:末端调节风阀在高速气流作用下的气流噪声和风机动力型末端的风机噪声。流过末端入口的风速都比较高，是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，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来源。为避免噪声过大，设计中应按下列措施控制变风量空调系统的噪声。

(1)应选用质量高、噪声小、运行平稳的变风量末端装置，校核每个末端装置在最小、最大风量下产生的噪声。因为末端装置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。

(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)末端装置内置风机的机外余压要求应适度，且静压不宜大于80Pa;热水再热盘管的排数不宜大于2排。

(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，应与相关专业协调，考虑采用消声效果好的吊顶材料或其他措施，吊顶材料的密度不宜小于560kg/m³;

(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，如在末端装置出风口到送风口之间接一段不超过2m长的消声软管。否则，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)回风口位置应尽可能远离变风量末端装置，必要时在回风口处设置消声装置。