VAV變風量空調系統的設計與分析

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A 文章編號：1008-925X(2012)O8-0106-02

摘要：本文簡要介紹了變風量空調系統，對此系統的設計要點及控制要求作了說明；并把通過調研和有關資料收集的設計實例介紹給大家。希望同行們共同關心、討論、研究VAV系統的設計及應用。

關鍵詞：變風量空調系統 設計 控制 應用

變風量空調系統（VAV）是一種通過改變送風量來調節室內溫濕度的空調系統。

變風量空調系統20世紀60年代起源于美國，特別是進入70年代以來，以石油危機為標志的世界能源危機更加促使一些發達國家在各行各業中研究和推廣節能技術，自80年代開始在歐美、日本等國得到迅速發展，最重要的原因是其巨大的節能優勢。經過十幾年的普及和發展，目前變風量空調系統已占據了歐、美、日集中空調系統約30%的市場份額，并在世界上越來越多的國家得到應用。

1、變風量空調系統（VAV）簡介

1.1變風量空調系統的含義和組成

變風量空調系統是利用改變進入空調區域的送風量來適應區域內負荷變化的一種空調系統。在設計時充分考慮了瞬時負荷及內外區的熱平衡，系統設計是真正基于逐時負荷的設計，可以根據需要隨時調節分配到各個區域內的送風量和供冷量（供熱量）。系統總送風量為各時段中所有區域要求風量之和的最大值，而不是所有區域要求風量最大值之和。前者通常只占后者的70%～90%，因此變風量空調系統可以顯著減少系統的總送風量。在現代建筑尤其是現代高層建筑的空調系統設計中，由于負荷的內外區特性差異大，內區通常表現為全年冷負荷，而外區則既有冷負荷又有熱負荷。變風量空調系統通過回風的混合可以實現能量在區域之間的流動，內區的一部分得熱可以轉移到外區。這就是所謂熱平衡。

變風量空調系統是由空氣處理機組、新風/排風/送風/回風管道、變風量末端、房間溫控器和必要的自動控制元件組成。其中變風量末端是該系統的最重要部分。

1.2變風量空調系統的工作過程

一個典型的智能化控制型單風管帶再熱盤管的變風量空調系統為：空調室內回風與室外新風混合，經集中式空調機組處理后，由風管送到各個空調區域?？刂破鞲鶕覂蓉摵傻拇笮?，通過改變變風量末端風閥的開度，調節送入室內的風量；當室內需要供熱時，再熱盤管的熱水閥打開，送風溫度提高，通過改變變風量末端風閥的開度，調節送入室內的熱風量。

空調房間送風量的改變，導致送風總管靜壓的變化，總管壓力傳感器測量風管系統靜壓后，由自控系統通過調節風機的送風量實現頂靜壓控制。

冷水盤管的三通閥調節冷水的流量使送風溫度保持恒定，新風量和室內正壓由送風機和回風機同時控制。

系統的各個測量點可以與計算機通訊，進行實時監測、分析和調控并可以優化控制參數，實現最佳的控制方案。

1.3變風量空調系統的形式

按處理空調負荷所采用的輸送介質分類，變風量空調系統是屬于全空氣的一種空調方式。在目前的工程實際中，變風量空調系統主要有以下兩種形式：單風管變風量系統和雙風管變風量系統。其中單風管變風量系統又分為普通單風管變風量系統和單風管末端再熱變風量系統。

雙風管變風量空調系統分別設有冷、熱風管，可以根據室內的負荷情況精確地調節供冷量和供熱量，在任何情況下均可滿足房間的溫度要求，具有調節方便、熱穩定性好的特點。適合在一些舒適性要求高的空調場所使用。

1.4變風量末端的分類

變風量末端分為兩種類型：變風量箱和變風量風口，前者是改變風量后再由某種形式的風口向空調室內送風，而后者則是直接在送風口處改變風量。二者的工作特性和氣流組織有很大的不同。

目前常用的變風量箱有三種類型：節流型、風機動力型和旁通型。節流型變風量箱是最基本也是應用最多的一種，單風管型變風量箱由一個節流閥加上對該閥的控制和調節裝置及外殼組成，雙風管型變風量箱則由兩個節流型變風量箱組成。按是否補償壓力變化，可分為壓力無關型和壓力有關型兩種。壓力無關型因反應快，室溫波動小，控制穩定性好，在目前使用較普遍。

目前在工程中應用的變風量風口主要有兩種類型：電力驅動型和熱動力型。

1.5變風量空調系統的特點

變風量空調系統區別其它空調形式的優勢主要體現以下幾個方面：

（1）減少空調風機運行能耗

由于空調系統在全年實際運行的大部分時間內均處于部分負荷狀態，變風量空調系統相應的送風量隨之減少，帶變頻驅動裝置的風機大多數情況下在中低速下運行。因此，空調風機的動力能耗可大幅度減少。

（2）充分利用室外新風作為冷源，降低制冷系統的運行能耗。

由于變風量空調系統是全空氣系統，在任何季節，只要當室外新風的焓值低于室內值時，室外新風就可以作為系統冷源，變風量空調系統就可以在經濟循環模式下運行。

（3）無冷凝水煩惱

變風量空調系統是全空氣系統，冷水管路不經過吊頂空間，避免了風機盤管系統中令人煩惱的冷凝水滴漏和污染吊頂問題。

（4）系統靈活性好

現代建筑工程中常需進行二次裝修，若采用帶VAV末端裝置的變風量空調系統，其送風管與風口以軟管連接，送風口的位置可以根據房間分隔的變化而任意改變，也可根據需要適當增減風口。而在采用定風量系統或風機盤管系統的建筑工程中，任何小的局部改造都顯得很困難。

（5）不會發生過冷或過熱

帶VAV末端裝置的變風量空調系統與一般定風量系統相比，能更有效地調節 局部區域的溫度，實現溫度的獨立控制，避免在局部區域產生過冷或過熱現象。

（6）提高樓宇智能化程度

采用DDC數字控制器的變風量空調系統，可以實現計算機聯網運行，接入到樓宇自控系統中，從而提高樓宇智能化程度。

但是，變風量空調系統也有以下不足之處：

（1）新風量需要控制

變風量系統與定風量系統不同，其送風量在運行過程中隨著負荷減小而不斷減少，如果不進行控制，則新風量也將隨送風量成比例減少，在負荷很低的情況下，就有可能出現新風量不足現象，造成辦公人員不適感。因此，必須對最小新風量進行控制。這樣會相應地增加自倥等裝置的造價。

（2）當變風量空調系統的總風量隨時間變化時，風道內的靜壓也相應地變化。因此，需配備一套風量穩定設施來抵消風道靜壓變化所產生的干擾作用，這又會相應地增加造價。

（3）初投資比風機盤管+新風的空調方式高。與定風量系統相比，控制環節更多、更復雜，出現故障的可能性就越大，維修的難度也越大。

1.6變風量空調系統的適用范圍

在選擇變風量空調系統時，應注意分析系統中負荷的性質，并考慮系統是否對風量有特殊的要求。通常變風量空調系統對于室內負荷變化較大的舒適性智能化建筑非常適合，如辦公室、會議中心、銀行、商場、宴會廳等。

對于一些特殊場所，如室內負荷變化不大，通風要求較高時，使用定風量空調系統可能是更好的選擇。例如在醫院手術室、實驗室、工業機房等。

2、變風量空調系統的設計要點

2.1空調分區

一般空調系統是按用途和使用時間進行分區的，而變風量空調系統的設計中還經常按負荷特性分區，對于進深較大的空調房間宜分為內、外區，其中外區進深可取3～5 m（距離外墻或外窗）。

2.2變風量空調系統的劃分

2.2.1內、外區各自獨立、分別設置不同的空調系統

內區通常采用的是單冷型空調機組的單風管變風量空調系統。外區可采用冷熱型空調機組的單風管變風量空調系統和冷熱雙空調機組雙風管變風量空調系統。

2.2.1內、外區設置為同一個空調系統

內區通常采用的是單冷型空調機組的單風管變風量空調系統。外區在內區相同的單風管變風量空調系統送風總管的基礎上，設置周邊區的輔助供熱系統。

2.3風系統設計

2.3.1確定空調系統的壓力

經過對系統投資、運行成本進行綜合比較后，決定究竟是采用高壓、中壓還是低壓的風管道系統。近年來，由于建筑空間的限制，越來越多的變風量空調系統采用高、中壓風管路系統。

2.3.2空調機組選型

因為變風量空調系統一般通過維持送風系統靜壓來控制送風機的風量，這就要求在風機的特性中，流量的變化對系統靜壓變化必須敏感。因此要求風機的工作范圍在流量——靜壓特性曲線中較為陡峭的一段，這和普通的空調機組剛好相反。

2.3.3變風量末端的選擇

變風量箱和變風量風口均能實現區域的獨立控制，不過變風量箱具備較大的通風能力，通常每個變風量箱帶3～6個風口，可控制的空調區域范圍較大；當要求將空調空間劃分為多個較小單元的獨立控制區域時，從經濟性考慮，可采用變風量風口。

2.3.4送、回風管道設計

送風管在運行過程中應保持穩定，以利于末端裝置的穩定運行；因此，送風管的強度和密封性能要好。末端裝置的運行需要送風管內保持一定的靜壓。在風管系統的設計計算中，宜采用靜壓復得法，而不采用等摩阻法。

通?；仫L系統應該采用低速系統，這樣既可以使回風系統容易保持壓力平衡，又可以避免產生噪聲。

3、變風量空調系統的控制

3.1變風量空調系統的參數控制

其參數控制有：（1）末端區域溫度的控制；（2）空調系統靜壓控制；（3）送風溫度的控制；（4）新風量的控制；（5）房間正壓控制；（6）系統的網絡化。

3.2變風量空調系統的運行控制

系統運行模式可分成三類：（1）正常工作模式；（2）值班模式；（3）早晨預熱模式。

4、變風量空調系統在我國內地的應用現狀

改革開放以來，在北京、上海、廣州等地的引進外資工程中有一些采用VAV系統。在上海90年代誕生的數百幢辦公大樓中，VAV系統約占6%，可見僅限于少數高級辦公建筑。從投資規模來看，建筑面積都在30000m2以上，有的達到300000m2；主要用于高級辦公樓、綜合樓中的辦公室和公共部分，偶爾也用于公用事業如醫院等。投資主體是政府、銀行或證券公司、國有大公司及外商。

盡管變風量空調系統與風機盤管加新風系統相比有很強的技術優勢，但至今普及率仍很低。有以下原因：

（1）設備國產化率低

VAV系統的關鍵設備，如變風量末端裝置、變頻器和VAV控制系統全部依賴進口，其價格和稅收使廣大中小業主望而生畏。因此，應加快發展國產VAV設備，特別是末端裝置與變頻器，改變國內自控系統長期依賴進口的局面。

（2）我國工程承包體制的制約

長期以來，我國的工程建設體制是設計院繪圖，業主訂貨，工程隊按圖施工。隨著空調工程日趨復雜，跨專業技術發展，這種體制日見弊端。在上海地區首批有VAV系統的工程中，大多仍沿用上述體制。在設備、電氣、控制專業的分界面上，設計脫節、訂貨盲目、管理混亂、施工扯皮、調節困難的現象相當普遍。這也是有些業主不敢采用VAV、設計院怕搞VAV的重要原因。

國際上通用而行之有效的工程體制是設計事務所完成工程招標設計，工程承包商集施工圖設計、設備訂貨、施工管理三位一體。這顯然要求承包者有清晰的系統概念、很強的設計能力、豐富的管理經驗。這是我國工程建設體制的改革方向，也是普及變風量空調系統的體制保證。

5、結束語

采用VAV系統的意義至少有：（1）改變風機盤管是當前辦公室空調設計唯一選擇的狀況；（2）免除頂棚遭凝結水損壞的可能；（3）提高室內空氣品質；（4）能采用變頻調節節省能量。

隨著人們對工作環境的舒適要求日益提高，促使以舒適節能為其主要特征的 VAV空調系統在我國迅速普及；《節能法》的實施又使建筑節能法規化，這會進一步推進VAV空調系統的發展。我們希望在新世紀中，國內盡早開發自己的產品，使末端設備更加豐富，更好地滿足設計要求。

參考文獻：

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