變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)應(yīng)用分析

文｜北京瑞拓電子技術(shù)發(fā)展有限公司 韓大威

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

變風(fēng)量系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代誕生在美國(guó)，70年代石油危機(jī)后在歐美和日本得到廣泛應(yīng)用，90年代末進(jìn)入中國(guó)并逐漸流行。VAV系統(tǒng)是根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化采用改變送風(fēng)量的方式來(lái)維持室內(nèi)溫度平衡的方法。其主要特點(diǎn)是節(jié)能，可根據(jù)建筑特點(diǎn)靈活分布，沒(méi)有像風(fēng)機(jī)盤管冷凝水和霉變的問(wèn)題，設(shè)備維護(hù)工作量小。

采用VAV空調(diào)系統(tǒng)可以顯著節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗，因?yàn)樵谌昕照{(diào)的建筑物內(nèi)，大部分時(shí)間空調(diào)系統(tǒng)都不在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，而采用末端變風(fēng)量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的總送風(fēng)量，則風(fēng)機(jī)能耗將大大減少。除此之外，VAV末端都有隔離噪音的作用。

VAV系統(tǒng)有變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組和VAV末端兩部分組成，VAV末端根據(jù)控制區(qū)域的熱負(fù)荷，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門的開啟比例來(lái)控制末端的送風(fēng)量，而變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組則根據(jù)各VAV末端的需求，通過(guò)風(fēng)機(jī)變頻控制總的送風(fēng)量。

2 VAV系統(tǒng)特點(diǎn)

節(jié)能：由于空調(diào)系統(tǒng)在全年大部分時(shí)間內(nèi)都在部分負(fù)荷下運(yùn)行，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過(guò)改變風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)室溫的，因此可以大幅度減少送風(fēng)機(jī)的動(dòng)力耗能。當(dāng)全年空調(diào)負(fù)荷率為60%時(shí)，他可以節(jié)約風(fēng)機(jī)動(dòng)力能耗78%。全年節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗55%～65%。附帶的好處：節(jié)約空調(diào)設(shè)備容量、管道、空調(diào)電力增容量、電力設(shè)備、管道空間。在冬季及過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)經(jīng)濟(jì)循環(huán)，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用60%～80%。

新風(fēng)做冷源：因?yàn)樽冿L(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng)，在過(guò)渡季可大量采用新風(fēng)作為天然冷源，相對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)能大幅減少制冷機(jī)的能耗，而且改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

不會(huì)產(chǎn)生冷凝水：因?yàn)樗侨諝庀到y(tǒng)，冷水管不經(jīng)過(guò)吊頂空間，可以避免產(chǎn)生冷凝水造成的滴漏污染吊頂和霉菌問(wèn)題。

系統(tǒng)的靈活性較好：易于改、擴(kuò)建，尤其適用于格局多變的建筑，如出租寫字樓等。當(dāng)室內(nèi)參數(shù)改變或重新隔斷時(shí)，可能只需要更換支管和末端裝置、移動(dòng)風(fēng)口位置，甚至僅僅重新設(shè)定一下室內(nèi)溫控器。

系統(tǒng)噪聲低：不存在現(xiàn)場(chǎng)噪聲。系統(tǒng)噪聲主要集中在機(jī)房，辦公區(qū)可達(dá)到較低噪聲水平。

不會(huì)過(guò)冷或過(guò)熱：帶VAV空調(diào)箱的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與一般定風(fēng)量系統(tǒng)相比，能更有效地調(diào)節(jié)局部區(qū)域的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的獨(dú)立控制，避免在局部區(qū)域產(chǎn)生過(guò)冷或過(guò)熱的現(xiàn)象。

減少綜合性投資：提高智能化程度。提高樓宇智能化程度，提高區(qū)域舒適化程度。減少綜合性初期投資，而且維修量小，壽命長(zhǎng)。全年保持恒溫。

3 VAV系統(tǒng)控制方式介紹

3.1 VAV末端控制

空調(diào)末端控制方式分為壓力有關(guān)型和壓力無(wú)關(guān)型。

壓力有關(guān)型VAV末端設(shè)備不提供壓差傳感器及控制系統(tǒng)無(wú)法獲得實(shí)際送風(fēng)量的重要參數(shù)，只能根據(jù)室內(nèi)溫度和溫度的設(shè)定值比較來(lái)確定風(fēng)門的開啟比例。在制冷模式下，當(dāng)室內(nèi)熱負(fù)荷較低時(shí)，風(fēng)門關(guān)閉，室內(nèi)溫度較高時(shí)，風(fēng)門開啟。其循環(huán)控制如圖1所示。

圖1

由于實(shí)際的送風(fēng)量不僅與風(fēng)門開啟比例有關(guān)還和風(fēng)管壓力有關(guān)，所以壓力有關(guān)型VAV無(wú)法保證實(shí)際送風(fēng)量與熱負(fù)荷之間的控制關(guān)系。

壓力無(wú)關(guān)型VAV則是為了解決壓力有關(guān)型VAV的缺陷，在VAV末端設(shè)備上增加了一個(gè)壓差傳感器，BAB控制器根據(jù)壓差和風(fēng)管面積計(jì)算實(shí)際送風(fēng)量，與送風(fēng)量設(shè)定值比較，通過(guò)風(fēng)門調(diào)節(jié)送風(fēng)量。

而室內(nèi)溫度傳感器的作用是起修定送風(fēng)量設(shè)定值的作用，根據(jù)不同的室內(nèi)溫度重新調(diào)節(jié)風(fēng)量的設(shè)定點(diǎn)。如室內(nèi)較冷時(shí)，即室內(nèi)的熱負(fù)荷較低時(shí)，減小送風(fēng)量的設(shè)定點(diǎn)，室內(nèi)熱負(fù)荷較大時(shí)，則增加送風(fēng)量的設(shè)定值。其控制循環(huán)如圖2所示。

圖2

3.2 VAV空調(diào)機(jī)組控制方式

（1）定靜壓控制：當(dāng)VAV末端風(fēng)門改變開度后，會(huì)影響整個(gè)風(fēng)道的靜壓，風(fēng)機(jī)通過(guò)改變風(fēng)量來(lái)滿足風(fēng)道系統(tǒng)的靜壓要求。而風(fēng)機(jī)變風(fēng)量有出口風(fēng)閥的節(jié)流控制、入口導(dǎo)葉控制方式。其中以變轉(zhuǎn)速控制最為常見(jiàn)，其節(jié)能效果也最為明顯。

（2）變靜壓控制：與風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)道靜壓來(lái)維持送風(fēng)靜壓恒定的定靜壓控制不同，變靜壓控制是根據(jù)各VAV末端的實(shí)際送風(fēng)量，以保證所有VAV末端中最小風(fēng)量要求的VAV末端來(lái)控制送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量。

4 VAV系統(tǒng)運(yùn)行與節(jié)能控制

（1）連鎖控制：變風(fēng)量VAV空調(diào)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)順序應(yīng)通過(guò)連鎖控制來(lái)進(jìn)行。

空調(diào)機(jī)組的啟動(dòng)順序：新風(fēng)風(fēng)門開啟→回風(fēng)風(fēng)門開啟→送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)→排風(fēng)風(fēng)門開啟→回風(fēng)機(jī)啟動(dòng)→空調(diào)冷凍水/熱水調(diào)節(jié)閥開啟→加濕閥開啟。

空調(diào)機(jī)組的停機(jī)順序：加濕器停機(jī)→空調(diào)冷凍水/熱水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉→回風(fēng)機(jī)停機(jī)→排風(fēng)風(fēng)門關(guān)閉→送風(fēng)機(jī)停機(jī)→新風(fēng)門/排風(fēng)門關(guān)閉。

（2）變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量、送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)與節(jié)能策略：VAV系統(tǒng)控制的核心是對(duì)總風(fēng)量進(jìn)行控制。常用的總風(fēng)量控制的方法有定靜壓定溫度法、定靜壓變溫度法、變靜壓溫度法和VAV系統(tǒng)總風(fēng)量控制法。

定靜壓定溫度法的控制方法是送風(fēng)溫度保持不變，但保證系統(tǒng)風(fēng)管中某一點(diǎn)或幾個(gè)固定點(diǎn)處平均靜壓為一定值，通過(guò)控制調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速，將以上諸參考點(diǎn)的平均靜壓控制在給定值，以實(shí)現(xiàn)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)控制。

該方法多選送風(fēng)管末端的參考點(diǎn)平均靜壓做調(diào)節(jié)參量，采用控制機(jī)組風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)穩(wěn)定末端靜壓。當(dāng)為被調(diào)控區(qū)域的熱負(fù)荷匹配增加供風(fēng)量時(shí)，風(fēng)管壓降增加，末端靜壓降低，末端定壓傳感器測(cè)得的靜壓值送往DDC的AI口，與設(shè)定值比較后的偏差值，按特定調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)算并輸出控制信號(hào)到變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定靜壓。

定靜壓變溫法控制方法是當(dāng)VAV系統(tǒng)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，在保持參考點(diǎn)平均靜壓不變的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)末端負(fù)荷變化， 從而引起VAV系統(tǒng)總負(fù)荷的動(dòng)態(tài)跟蹤變化。

變靜壓變溫度法是當(dāng)末端負(fù)荷變化時(shí)，同時(shí)調(diào)節(jié)末端靜壓和送風(fēng)溫度，即末端靜壓和送風(fēng)溫度均是可調(diào)節(jié)的參數(shù)。

VAV系統(tǒng)總風(fēng)量控制法是因?yàn)榭刂颇┒遂o壓的VAV系統(tǒng)工作運(yùn)行存在著不穩(wěn)定因素，因此采用總風(fēng)量與末端負(fù)荷匹配的總風(fēng)量控制法，可以有效的進(jìn)行VAV系統(tǒng)中的節(jié)能控制。通過(guò)自動(dòng)計(jì)量和統(tǒng)計(jì)求出末端風(fēng)量總量，通過(guò)送風(fēng)機(jī)相似特性及相關(guān)的計(jì)算求出送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并控制送風(fēng)機(jī)在此轉(zhuǎn)速運(yùn)行，使送風(fēng)量與負(fù)荷匹配。

（3）回風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制：在較大的VAV空調(diào)系統(tǒng)中，末端數(shù)量多、分布范圍大、總風(fēng)量大且風(fēng)道管路較長(zhǎng)，系統(tǒng)裝置中包含總回風(fēng)管路中的回風(fēng)機(jī)。在控制上，除了對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制外，還要求對(duì)回風(fēng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)控制，及控制送風(fēng)量也控制回風(fēng)量，以保證空調(diào)房間在其他運(yùn)行參數(shù)中得到滿足，同時(shí)使送風(fēng)量和回風(fēng)量達(dá)到平衡。一般情況下，回風(fēng)量要小于送風(fēng)量，但在被控區(qū)域有負(fù)壓要求時(shí)，回風(fēng)量應(yīng)大于送風(fēng)量。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況確定送風(fēng)量與回風(fēng)量的差值，同時(shí)根據(jù)風(fēng)管末端靜壓信號(hào)調(diào)控回風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及風(fēng)量，還可以將送風(fēng)機(jī)前后風(fēng)道壓差測(cè)量值和回風(fēng)機(jī)前后風(fēng)道壓差測(cè)量值送入DDC的AI口并與設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算后輸出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使回風(fēng)量滿足要求。

5 VAV空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的一些問(wèn)題

（1）正確認(rèn)識(shí)建筑的特點(diǎn)和使用需求：VAV系統(tǒng)常見(jiàn)于寫字樓內(nèi)，二次裝修后寫字樓分隔房間多，使用單位小而且電腦及辦公設(shè)備多且集中，存在人員分布集中且密集，電氣設(shè)備發(fā)熱量大等問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)，另外全面考慮建筑物熱需求選用合適的空調(diào)機(jī)組。

（2）VAV箱與風(fēng)口應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)：寫字樓內(nèi)二次裝修后，平面建筑布局相比結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很大變化，應(yīng)該根據(jù)裝修后的房間分隔來(lái)進(jìn)行風(fēng)口的設(shè)計(jì)。在二次裝修方案確定前盡量避免盲目的提前設(shè)計(jì)，另外VAV箱與送風(fēng)口之間距離盡量縮短以達(dá)到更好的效果。

（3）VAV箱的型號(hào)和數(shù)量應(yīng)滿足實(shí)際需求：由于二次裝修房間數(shù)量變化，空調(diào)負(fù)荷并不均勻，設(shè)計(jì)時(shí)盡量增多空調(diào)末端數(shù)量，同時(shí)選擇型號(hào)較小的末端以適應(yīng)可能的裝修變化。每個(gè)VAV箱調(diào)節(jié)溫度和風(fēng)量的能力是有限度的，裝修發(fā)生變化時(shí)，較大型號(hào)的VAV箱會(huì)因?yàn)榭臻g的分割導(dǎo)致周圍溫度的不均衡，采用增多數(shù)量減小型號(hào)的方式可以避免這些情況的發(fā)生。

6 辦公樓工程案例

6.1 設(shè)計(jì)背景

以辦公樓單層為例，該層有一空調(diào)機(jī)柜，該機(jī)柜的送風(fēng)系統(tǒng)分成上下兩個(gè)區(qū)，上面有4個(gè)VAV BOX，下面有5個(gè)VAV BOX，負(fù)責(zé)整個(gè)辦公區(qū)域的制冷。

我們采用Delta公司的DDC控制器作為此層VAV BOX與空調(diào)機(jī)組的控制單元。

6.2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)冷凍站控制：說(shuō)明空調(diào)系統(tǒng)的制冷設(shè)備主要由三臺(tái)冷水機(jī)組做供冷主機(jī)。其中兩臺(tái)為1500kW離心機(jī)，一臺(tái)為750kW螺桿機(jī)。在整棟樓供冷負(fù)荷較小的情況下使用螺桿機(jī)進(jìn)行供冷，在負(fù)荷相對(duì)較大的情況下使用離心機(jī)和螺桿機(jī)的不同組合方式進(jìn)行供冷，并且盡量使離心機(jī)組在較大負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行。

在各不同區(qū)域配置的空調(diào)機(jī)柜的送風(fēng)口處安裝溫度檢測(cè)元件監(jiān)測(cè)送風(fēng)溫度，并用溫度檢測(cè)值反饋給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制冷水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)送風(fēng)溫度的控制。

隨著供冷區(qū)到達(dá)設(shè)定溫度后回風(fēng)溫度也逐漸降低，通過(guò)DDC控制調(diào)節(jié)閥根據(jù)反饋值減少所需的冷水量。調(diào)節(jié)閥關(guān)小后則冷水系統(tǒng)的供水總管壓力升高。此時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍泵運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到平衡壓力的目的，從而也達(dá)到冷水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

VAV BOX采用Delta公司提供的VAV控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。每個(gè)VAV BOX有獨(dú)立的可控風(fēng)閥并配有溫度傳感器對(duì)該VAV BOX控制的風(fēng)口進(jìn)行風(fēng)量的控制。控制區(qū)域的溫度期望值可以通過(guò)VAV BOX的控制面板由客戶端進(jìn)行調(diào)整，從而滿足客戶的不同需求。

該區(qū)域的溫度達(dá)到了VAV BOX的設(shè)定溫度，VAV的風(fēng)閥則自行關(guān)小以使送風(fēng)量和該區(qū)域溫度相匹配。當(dāng)本層空調(diào)柜控制區(qū)域內(nèi)的多臺(tái)VAV BOX風(fēng)閥均已關(guān)小，則總供風(fēng)管中的靜壓開始升高，達(dá)到靜壓設(shè)定值，DDC開始控制空調(diào)柜內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行。

6.3 應(yīng)用注意事項(xiàng)與要點(diǎn)

變風(fēng)量系統(tǒng)應(yīng)參考設(shè)計(jì)院的暖通參數(shù)與要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要參考參數(shù)包括空間要求溫濕度、最大風(fēng)量、最小風(fēng)量、風(fēng)管口徑等。因?yàn)楦鲝S家設(shè)備存在差異，所以要根據(jù)要求選擇合適的VAV變風(fēng)量設(shè)備。

VAV末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮預(yù)留余量，盡量不要使風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于滿負(fù)荷狀態(tài)工作，這樣既達(dá)不到節(jié)能效果又會(huì)加快風(fēng)機(jī)老化過(guò)程。

建筑各負(fù)荷區(qū)域不同，因此VAV末端要考慮到不同區(qū)域的負(fù)荷狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行布置，避免造成局部風(fēng)量不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)時(shí)也要注意室內(nèi)裝修的要求，注意裝修界面的隔熱工作，另外注意裝修施工時(shí)破壞或堵塞風(fēng)道。

廠家設(shè)備出廠時(shí)的設(shè)定是理想狀態(tài)的設(shè)定參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)還需要必要的整定方法。主要是設(shè)備實(shí)際安裝后使用風(fēng)速檢測(cè)儀等設(shè)備測(cè)量VAV BOX末端的最大出風(fēng)量和最小出風(fēng)量，同時(shí)在DDC控制界面讀取測(cè)量值，并通過(guò)設(shè)置DDC參數(shù)校正偏差，獲取最佳的工作效果。