變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

一、 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)基本概念

1.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)定義

    眾所周知，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過(guò)改變送風(fēng)量也可調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度來(lái)控制某一空調(diào)區(qū)域溫度的一種空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過(guò)變風(fēng)量末端裝置調(diào)節(jié)送入房間的風(fēng)量，并相應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)（AHU）的風(fēng)量來(lái)適應(yīng)該系統(tǒng)的風(fēng)量需求。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化及室內(nèi)要求參數(shù)的改變，自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)量（達(dá)到*小送風(fēng)量時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度），以滿足室內(nèi)人員的舒適要求或其他工藝要求。同時(shí)根據(jù)實(shí)際送風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，*大限度地減少風(fēng)機(jī)動(dòng)力，節(jié)約能量。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

    變風(fēng)量(Variable Air Volume)空調(diào)系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代起源于美國(guó)。在當(dāng)時(shí)定風(fēng)量系統(tǒng)加末端再熱和雙風(fēng)道系統(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)舒適性空調(diào)的主導(dǎo)地位，因此，變風(fēng)量系統(tǒng)出現(xiàn)以后并沒(méi)有立刻得到推廣，直到1973年西方石油危機(jī)之后，能源危機(jī)推動(dòng)了變風(fēng)量系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，此后20年中不斷發(fā)展，如今已經(jīng)成為美國(guó)空調(diào)系統(tǒng)的主流。

    變風(fēng)量系統(tǒng)在發(fā)展初期,因支管風(fēng)量平衡的需要和控制設(shè)備的局限,大多要求采用高速送風(fēng)系統(tǒng),主要送風(fēng)速度在12.5m/s以上,并且推薦采用靜壓復(fù)得法設(shè)計(jì)風(fēng)管系統(tǒng)。盡可能地采用圓形或橢圓形風(fēng)管,以減小摩擦阻力。但是高速送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)耗能大,且管路系統(tǒng)噪音增加。隨著壓力無(wú)關(guān)型VAV box基本上**取代壓力相關(guān)型VAV box及DDC控制器的發(fā)展,于是變風(fēng)量空調(diào)方式在低速送風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

    在日本,將變風(fēng)量空調(diào)方式用于低速送風(fēng)系統(tǒng)的研究與開發(fā)值得關(guān)注。由于傳統(tǒng)的皮托管流量傳感器在5m/s的風(fēng)速下難以測(cè)定,因此日本人開發(fā)研究了超聲波流量傳感器和電磁式流量傳感器等多種適用于低速送風(fēng)系統(tǒng)的前端設(shè)備,一方面節(jié)能,另一方面降低了風(fēng)管噪音,因此,進(jìn)入90年代以后,無(wú)論是新建還是70年代以前建造的空調(diào)系統(tǒng)的翻新改造,基本上都采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。

    我國(guó)在70年代即有人研究VAV系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，并在地下廠房、紡織廠、體育館等建筑中就采用過(guò)VAV系統(tǒng)。在80年代末期我國(guó)出現(xiàn)的首批智能化建筑中，也曾采用過(guò)VAV系統(tǒng)，但由于建設(shè)過(guò)程和使用過(guò)程中的種種問(wèn)題，有些工程兩三年后使用單位便取消了變風(fēng)量系統(tǒng)的運(yùn)行方式，相應(yīng)的自控設(shè)備也拆除了，這使得變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，變風(fēng)量系統(tǒng)附加的投資難以得到回報(bào)。在此期間，變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)(包括控制技術(shù)和設(shè)備)，也在不斷地發(fā)展和完善。目前，在國(guó)內(nèi)智能建筑的高速發(fā)展過(guò)程中，急需**深刻地分析變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)關(guān)鍵，總結(jié)工程實(shí)例，促進(jìn)這一重要技術(shù)的平穩(wěn)發(fā)展。

1.3 變風(fēng)量系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.能實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域（房間）的靈活控制，可根據(jù)負(fù)荷的變化或個(gè)人的舒適要求自動(dòng)調(diào)節(jié)自己的工作環(huán)境；不再需要加熱方式或雙風(fēng)道方式就能適應(yīng)多種室內(nèi)舒適要求或工藝設(shè)計(jì)要求；完全消除再加熱方式或雙風(fēng)道方式的冷熱混合損失。

2.自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)空調(diào)區(qū)域的送入能量，在考慮同時(shí)使用系數(shù)的情況下，空調(diào)器總裝機(jī)容量可減少10%-30%左右。

3.室內(nèi)無(wú)過(guò)熱過(guò)冷現(xiàn)象，由此可減少空調(diào)負(fù)荷15%-30%左右。

4.部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可大量減少送風(fēng)動(dòng)力，根據(jù)理論模擬計(jì)算，全年平均空調(diào)負(fù)荷率為60%時(shí)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（變靜壓法控制）可節(jié)約風(fēng)機(jī)動(dòng)力78%。

5.可應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)廠房等各類相應(yīng)的場(chǎng)合。可適應(yīng)于采用全熱交換器的熱回收空調(diào)系統(tǒng)及全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

6.可避免凝結(jié)水對(duì)吊頂?shù)妊b飾的影響，并方便二次裝飾分割。

    總之，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)較定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)而言，具有舒適、節(jié)能、**和方便的優(yōu)點(diǎn)，已得到越來(lái)越多的采用。

1.4 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

1．VAV裝置

    VAV空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行依靠稱為VAV裝置的設(shè)備來(lái)根據(jù)室內(nèi)要求提供能量控制其送風(fēng)量。同時(shí)向DDC控制器傳送自己的工作狀況，經(jīng)DDC分析計(jì)算后發(fā)出控制風(fēng)機(jī)變頻器信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)要求風(fēng)量改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)約送風(fēng)動(dòng)力。*常用的VAV裝置原理如圖1-1所示。主要由室內(nèi)溫度傳感器、電動(dòng)風(fēng)閥、控制用DDC板、風(fēng)速傳感器等部件構(gòu)成。大部分采用可換式通用設(shè)備，控制系統(tǒng)多為各設(shè)備廠家自己開發(fā)。像風(fēng)速傳感器就有多種型式，如采用超聲波渦旋法、葉輪轉(zhuǎn)子法、皮托管法、半導(dǎo)體法、磁體法、專線法等**產(chǎn)品。

圖1-1  VAV裝置原理圖

    如圖1-2所示的VAV裝置常常被稱為FPB（Fan Powered Box），即風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端。

    其特點(diǎn)是根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷由VAV裝置調(diào)節(jié)一次送風(fēng)量，同時(shí)與室內(nèi)空氣混合后經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓（或一次風(fēng)不經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓與加壓室內(nèi)空氣并聯(lián)）送入室內(nèi)，以保持室內(nèi)換氣次數(shù)不變。該方式加設(shè)了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，成本提高，可靠性、噪聲等性能指標(biāo)有所下降。

2．DDC控制器

    DDC控制器???主要功能是根據(jù)系統(tǒng)中各VAV裝置的動(dòng)作狀態(tài)或風(fēng)管的靜壓值（設(shè)定點(diǎn)），分析計(jì)算系統(tǒng)的*佳控制量，指示變頻器動(dòng)作。在各種VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制方法中，除DDC式外，其他方法均設(shè)置獨(dú)立式系統(tǒng)控制器。

3．變頻風(fēng)機(jī)（空調(diào)機(jī)）

    VAV空調(diào)系統(tǒng)常采用在送風(fēng)機(jī)的輸入電源線路上加裝變頻器的方法，根據(jù)DDC控制器的指示改變送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足空調(diào)系統(tǒng)的需求風(fēng)量。

1.5 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的分類

    一般地，可以把變風(fēng)量系統(tǒng)按周邊供熱方式和變風(fēng)量末端結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行分類。

（1）按照周邊供熱方式的分類(內(nèi)部區(qū)域單冷)

①  內(nèi)部區(qū)域單冷系統(tǒng)。即是指在空調(diào)內(nèi)區(qū)采用的變風(fēng)量空調(diào)形式，一般地不帶供熱功能，下面幾種形式均是以采用內(nèi)部區(qū)域單冷為前提的。

②  周邊散熱器系統(tǒng)。散熱器設(shè)置在周邊地板上，不用冷、熱空氣的混合來(lái)控制空氣溫度，一般采用熱水或電熱散熱器，具有防止冷氣流下降、運(yùn)行成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但需要**計(jì)算冷卻和加熱負(fù)荷，以避免冷熱同時(shí)作用。在國(guó)外一些豪華考究的設(shè)計(jì)中，常采用頂棚輻射散熱器提供更舒適的空調(diào)環(huán)境。

③  風(fēng)機(jī)盤管周邊系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)盤管可以是四管式，也可采用冷熱切換二管式，或單供熱二管式。風(fēng)機(jī)盤管采用暗吊時(shí)不占用地板面積，同樣具有運(yùn)行成本低、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。夏天由于吊頂內(nèi)仍保留冷水管及凝水盤，天花板仍有發(fā)生水患的可能。

④  變風(fēng)量再熱周邊系統(tǒng)。在變風(fēng)量末端裝置中加再熱盤管，一般采用熱水或電加熱盤管。該系統(tǒng)比雙風(fēng)道系統(tǒng)初投資更低，比定風(fēng)量再熱系統(tǒng)節(jié)約能源，盡管同樣不占用地板面積，但控制程序復(fù)雜。

⑤  變溫度定風(fēng)量周邊系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是送風(fēng)量恒定，通過(guò)改變一次風(fēng)與回風(fēng)的混合比例來(lái)調(diào)節(jié)房間溫度。回風(fēng)全部吸收燈光熱量再送出，因而節(jié)能。初投資較雙風(fēng)道系統(tǒng)低，控制也較復(fù)雜。

⑥  雙風(fēng)道變風(fēng)量周邊系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能量效率高，當(dāng)采用兩個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)，可利用燈光發(fā)熱，在所有時(shí)間內(nèi)，由于冷卻和加熱的交替功能，可以獲得*小的送風(fēng)量。但初投資較高，控制較復(fù)雜。

⑦  轉(zhuǎn)換變風(fēng)量系統(tǒng)。加熱和冷卻均由一套風(fēng)管系統(tǒng)通過(guò)冬夏轉(zhuǎn)換承擔(dān)。其缺點(diǎn)是溫度控制不靈活，當(dāng)建筑物有若干個(gè)區(qū)時(shí)，不能由一套系統(tǒng)來(lái)控制，例如不能同時(shí)滿足一個(gè)區(qū)域需要加熱而另一個(gè)區(qū)域需要供冷的要求，這時(shí)就需要?jiǎng)澐秩舾蓚€(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

（2）按變風(fēng)量末端的結(jié)構(gòu)分類

    按調(diào)節(jié)原理分，變風(fēng)量末端可以分成四種基本類型，即節(jié)流型、風(fēng)機(jī)動(dòng)力型(Fan Powered)、雙風(fēng)道型和旁通型四種，還有一種是在北歐廣泛采用的誘導(dǎo)型。

①  節(jié)流型

    節(jié)流型變風(fēng)量末端是*基本的變風(fēng)量末端，其它如風(fēng)機(jī)動(dòng)力型、雙風(fēng)道型、旁通型等都是在節(jié)流型的基礎(chǔ)上變化發(fā)展起來(lái)的。所有變風(fēng)量末端的“心臟”就是一個(gè)節(jié)流閥，加上對(duì)該閥的控制和調(diào)節(jié)元件以及必要的面板框架就構(gòu)成了一個(gè)節(jié)流型變風(fēng)量末端。

②  風(fēng)機(jī)動(dòng)力型(Fan Powered)

    風(fēng)機(jī)動(dòng)力型是在節(jié)流型變風(fēng)量末端中內(nèi)置加壓風(fēng)機(jī)的產(chǎn)物。根據(jù)加壓風(fēng)機(jī)與變風(fēng)量閥的排列方式又分為串聯(lián)風(fēng)機(jī)型(Series Fan Terminals)和并聯(lián)風(fēng)機(jī)型(Parallel Fan Termina1s)兩種產(chǎn)品。所謂串聯(lián)風(fēng)機(jī)型是指風(fēng)機(jī)和變風(fēng)量閥串聯(lián)內(nèi)置，一次風(fēng)既通過(guò)變風(fēng)量閥，又通過(guò)風(fēng)機(jī)加壓；所謂并聯(lián)風(fēng)機(jī)型是指風(fēng)機(jī)和變風(fēng)量閥并聯(lián)內(nèi)置，一次風(fēng)只通過(guò)變風(fēng)量閥，而不需通過(guò)風(fēng)機(jī)加壓。根據(jù)美國(guó)TITUS公司提供的資料，串聯(lián)風(fēng)機(jī)型和并聯(lián)風(fēng)機(jī)型的比較見(jiàn)下表：

③  雙風(fēng)道型

    一般由冷熱兩個(gè)變風(fēng)量末端組合而成，因其初投資昂貴，控制較復(fù)雜而較少得到使用。

④  旁通型

    這是利用旁通風(fēng)閥來(lái)改變房間送風(fēng)量的系統(tǒng)。由于其并不具備變風(fēng)量系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，因而在有些論文中稱其為“準(zhǔn)”變風(fēng)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是投資較低，但節(jié)能卻很小，因?yàn)橛写罅克惋L(fēng)直接旁通返回空調(diào)設(shè)備，并不怎么減小風(fēng)機(jī)能耗，所以目前使用也不多。

    以上4種系統(tǒng)目前設(shè)計(jì)使用較多的是風(fēng)機(jī)動(dòng)力型和節(jié)流型。串聯(lián)風(fēng)機(jī)型加上空調(diào)水系統(tǒng)大溫差設(shè)計(jì)成為北美空調(diào)設(shè)計(jì)的特色。

⑤ 誘導(dǎo)型

    誘導(dǎo)型VAV box的原理是通過(guò)一次風(fēng)（可以是低溫送風(fēng)）誘導(dǎo)室內(nèi)回風(fēng)后再送入房間。與FPB相比，節(jié)約了末端的風(fēng)機(jī)能耗，但空調(diào)和風(fēng)機(jī)動(dòng)力增加，這種方式在北歐廣泛采用，特別是醫(yī)院病房等要求較高的場(chǎng)合。

1.6 變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇指南

    有兩種大相徑庭的設(shè)計(jì)風(fēng)格可供設(shè)計(jì)師選擇。其一是所謂日式風(fēng)格，以種類繁多——周邊窗際熱環(huán)境表現(xiàn)手法為特點(diǎn)，其二是所謂的美國(guó)風(fēng)格，以大溫差蓄冷空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)FPB為發(fā)展方向，下面介紹美式風(fēng)格的設(shè)計(jì)方法。

    當(dāng)暖通設(shè)計(jì)者們?cè)谠O(shè)計(jì)大樓空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)候，他們有很多不同的系??可選，但要決定*終選擇哪一個(gè)并不是一件容易的事情。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的方案必須滿足業(yè)主的安裝要求，操作要求和運(yùn)行費(fèi)用的要求。設(shè)計(jì)者必須同時(shí)考慮到設(shè)備的性能、容量、可靠性和空間的要求及限制條件。下面就講述一下不同類型設(shè)備的應(yīng)用、限制條件和局限性。

1.建筑功能

    當(dāng)設(shè)計(jì)者在開始考慮選用哪種系統(tǒng)時(shí)，他首先應(yīng)該考慮清楚這個(gè)大樓的功能。辦公室建筑的系統(tǒng)每天是按時(shí)間表進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，在美國(guó)通常采用風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端裝置。在建筑外區(qū)一般使用有輔助加熱器的風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端。裝有這類末端裝置的獨(dú)立分區(qū)，它的調(diào)節(jié)具有很大的靈活性。

2.建筑尺寸

    在大型建筑中，中心空氣處理器根據(jù)各區(qū)不同的需要將大量的空氣送出去。這是風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端裝置的一個(gè)典型的應(yīng)用。內(nèi)區(qū)可能根本就不需要加熱，所以既可采用單管系統(tǒng)，也可采用無(wú)加熱盤管的風(fēng)機(jī)動(dòng)力型系統(tǒng)。除了熱帶地區(qū)，外區(qū)通常都是需要加熱的，可選用電加熱盤管或熱水盤管。這些盤管一般都包括在末端裝置中，有時(shí)還需要加熱基礎(chǔ)板。

    在一些購(gòu)物大廈，或其他的低層建筑中，每個(gè)租戶的面積很小，所以一般采用小型的成套的空調(diào)設(shè)備。如果采用風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端則一般選擇旁通型。這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在送風(fēng)管上裝有一個(gè)主要的旁通閥。旁通閥根據(jù)送風(fēng)管道內(nèi)的靜壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就可以保持壓力恒定，保持系統(tǒng)在定流量下運(yùn)行，而且各個(gè)獨(dú)立分區(qū)都是壓力相關(guān)型VAV。

3.噪聲限制

    像廣播工作室，劇場(chǎng)和圖書館這些地方要求低噪聲，設(shè)備的選擇和安裝位置是非常重要的。如果采用風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端，就必須仔細(xì)的檢查設(shè)備的噪聲性能。如果是設(shè)計(jì)電視播音室，那么還要考慮RFI和EMI。

4.環(huán)境因素

    環(huán)境因素包括氣候和建筑內(nèi)外的氣流情況。同時(shí)還包括規(guī)范中的要求比如說(shuō)新風(fēng)通風(fēng)率以及當(dāng)?shù)亟ㄖ?biāo)準(zhǔn)。如果內(nèi)區(qū)要求的通風(fēng)速率很高，那么就需設(shè)置再加熱器。在圖書館這樣高通風(fēng)率的地方，如果同時(shí)開啟多個(gè)通風(fēng)櫥就需要進(jìn)行再加熱。在有些區(qū)域，比如說(shuō)高層辦公室建筑的外區(qū)，季節(jié)、日照負(fù)荷和人員占用情況對(duì)區(qū)域影響很大，**中區(qū)域的負(fù)荷變化很明顯，在這種區(qū)域選用風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端是比較理想的。在負(fù)荷比較穩(wěn)定的地方常選用單風(fēng)道系統(tǒng)。

5.污染考慮

    污染問(wèn)題在醫(yī)院，潔凈室和實(shí)驗(yàn)室里顯得尤為突出。手術(shù)室，艾滋病患區(qū)域和潔凈室都有壓力要求。除了壓力要求以外，還要盡量避免使用再加熱盤管和暴露在外面的玻璃纖維，消除微生物滋生的可能性。醫(yī)院的房間和潔凈室通常需要穩(wěn)定和高效的通風(fēng)率，所以宜選用雙風(fēng)道裝置。具有高度傳染性的房間，比如說(shuō)肺結(jié)核，就需要對(duì)它進(jìn)行負(fù)壓控制避免病菌傳播。使用有害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室也需要進(jìn)行負(fù)壓控制。在這類型的建筑中，一般都是選用單風(fēng)道或雙風(fēng)道系統(tǒng)。

6.維護(hù)和可行性

    一些特殊類型的房間如潔凈室，它需要末端裝置具有高可靠性，因?yàn)檫@關(guān)系到服務(wù)水平和設(shè)備維護(hù)的困難和費(fèi)用。例如潔凈室，如果天花板必須是打開的，那在使用前就必須將房間進(jìn)行**。相關(guān)費(fèi)用包括損失的生產(chǎn)時(shí)間和**的費(fèi)用。在這種情況下，設(shè)備應(yīng)該安裝在潔凈室的外面或應(yīng)該使用具有高可靠性，低維護(hù)的設(shè)備。

7.費(fèi)用因素

    在*終確定設(shè)備方案以前就應(yīng)該將費(fèi)用考慮好。安裝費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用都應(yīng)該考慮進(jìn)去。有時(shí)候其中的某一項(xiàng)費(fèi)用會(huì)顯得比較重要。例如，如果業(yè)主在大樓建造以前就將它賣掉，那么業(yè)主*關(guān)心的就是建造費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用就不是那么重要了。如果是由租戶自己來(lái)付水電費(fèi)，那么建筑商或開發(fā)商就不太關(guān)心運(yùn)行費(fèi)用。電加熱盤管比熱水盤管的安裝費(fèi)用低，但是它們的運(yùn)行費(fèi)用較高。在做*后決定以前，應(yīng)該對(duì)當(dāng)?shù)囟▋r(jià)做好調(diào)查以便做出*佳決定。
變風(fēng)量系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

  VAV空調(diào)系統(tǒng)與FC+新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析一覽表