變風量空調的的能耗分析

李蘭花（阿自倍爾自控工程（上海）有限公司，上海 200233）

變風量空調的的能耗分析

李蘭花
（阿自倍爾自控工程（上海）有限公司，上海 200233）

變風量空調系統是通過改進送入房間的風量來滿足室內負荷的變化，根據瞬態負荷來確定送風量，送風量隨負荷的變化使變風量空調系統具有較大的節能效果，高效的節能系統不管是對空調本身或是對人們生活產生的影響都是非常重要的。本文介紹了定靜壓控制，總風量控制，最小阻力控制等方法，通過比較變風量空調系統控制方法，闡明了變風量空調系統的節能效果。

變風量空調系統 定靜壓控制 總風量控制 最小阻力控制 節能

1　變風量空調系統基本概念

1.1變風量空調系統定義

變風量空調是指，在送風溫度不變的條件下，通過改變風量的辦法來適應負荷變化。而風量的變化是通過專用的變風量末端裝置來實現的。變風量技術的基本原理很簡單，就是通過改變送入房間的風量來滿足室內變化的負荷。由于空調系統大部分時間在部分負荷下運行，所以，風量的減少帶來了風機能耗的降低。在同一空調系統中，各空調區域內設置變風量末端送風裝置，可以根據區域需求，調節所需風量，滿足不同溫度控制需要，節省運行費用。

空調系統中建筑物最大冷負荷直接決定空調系統的大小。對于空調房間來說，客觀上存在著一些干擾因素影響房間熱、濕負荷，如太陽輻射、建筑物朝向、室內的設備、照明、人體活動。這些都會引起房間逐時負荷的不同。VAV系統是根據瞬態負荷來確定送風量，送風量隨負荷的變化使VAV系統具有較大的節能效果。

1.2國內外發展概況

變風量（Variable AirVolume）空調系統于20世紀60年代起源于美國。在當時定風量系統加末端再熱和雙風道系統在很長一段時間內占據舒適性空調的主導地位，因此，變風量系統出現以后并沒有立刻得到推廣，直到1973年西方石油危機之后，能源危機推動了變風量系統的研究和應用，此后40年中不斷發展，如今已經成為美國空調系統的主流。

在日本，將變風量空調方式用于低速送風系統的研究與開發值得關注。由于傳統的皮托管流量傳感器在5m/s的風速下難以測定，因此日本開發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系統的前端設備，一方面節能，另一方面降低了風管噪音，因此，進入90年代以后，無論是新建還是70年代以前建造的空調系統的翻新改造，基本上都采用變風量空調系統。

我國在70年代即有人研究VAV系統的開發和應用，風量空調技術，也在不斷地發展和完善。目前，在國內智能建筑的高速發展過程中，急需全面深刻地分析變風量空調系統的發展趨勢和技術關鍵，總結工程實例，促進這一重要技術的平穩發展。

1.3變風量空調系統的組成

1.3.1空氣處理設備

空氣處理設備一般都安裝在單獨的空調機房里，或安裝在建筑物的屋頂上。空氣處理設備有普通的新風格柵、新風閥和回風閥、預熱器、表冷器和送風機組成。表面冷卻器即可以是直接蒸發式，也可以是冷水式，但在大型民用建筑中，絕大多數都是采用冷水式。

1.3.2送風系統

VAV系統從送風機到各末端裝置的送風系統，一般都是一個中速中壓系統。在一個大型VAV系統中，由于受到安裝空間的限制，其送風主干管甚至可能采用更高的風速。由于系統在運行時要求風管內要有一定的靜壓值，所以需要一個強度較大、密封性好的風管系統，以防止出現空氣的滲漏以及由于風速較高而防止因風管振動產生有害的噪音。支管通常采用一定壓力的圓形軟管，將主風管和末端裝置連接在一起。

1.3.3末端裝置

末端裝置是VAV系統的關鍵設備，通過它來調節送風量，補償變化著的室內負荷，維持室溫。一個VAV系統運行成功與否，在很大程度上取決于所選用的末端裝置性能的好壞。末端裝置的種類很多，構造各異，但他們都要有進風短管、消聲腔、風量調節器、控制閥等幾個基本部分組成。有的末端裝置還和送風散流器連成一體。

2　變風量空調系統控制方法

2.1定靜壓控制

定靜壓控制的基本思想是為了節能，應盡量減少風道中的靜壓。其工作原理是在系統中由于VAV BOX 控制器根據室內負荷變化來調整末端出風量滿足負荷要求。出風量的變化引起系統管路中靜壓變化，靜壓傳感器測量靜壓變化并傳遞給風機變頻器DDC，變頻器DDC根據靜壓變化信號，去控制空調機電機轉速，調整總出風量，維持送風管路系統的靜壓恒定

定靜壓控制有以下缺點，最佳定壓值很難設定，靜壓設置過低或者過高都會出現問題，靜壓設定過低，則會出現有些房間達不到要求風量；靜壓設定過高，則風機不停地高速運行，節能不思想，且噪音很大。

2.2變風機轉速的總風量加閥位反饋控制

變風機轉速的總風量加閥位反饋控制的特點是不使用壓差傳感器，利用各個VAV末端的信息（風量和閥位）來控制風機轉速，并且動作響應快，控制精度高，節能效果好。

總風量控制法在實際應用上一般不會引起室溫失控的問題，但轉速偏低引起風量不足。風量不足造成的室溫偏差將在以后的控制中隨著總要求風量的改變，風機轉速將得以修正。轉速偏高引起的靜壓偏高將被風閥關小而吸收，由此而產生一定的風機動力浪費。

2.3最小阻力控制

所謂最小阻力控制，就是當變風量系統的總流量發生變化時，通過風機的變轉速控制，在保證各空調VAV末端（空調機）流量要求的前提下，始終保持全系統中至少有一個，或一個以上的VAV末端的風閥開度處于全開狀態，以此來達到變風量系統的阻力損失始終最小的風機轉速控制目的的控制方法。

最小阻力控制的效果，整個VAV空調系統的風量控制精度高，不出現過冷過熱現象，轉速控制響應快，不使用靜壓傳感器，并且節能。其次是無需測量風管靜壓，排除了討論靜壓傳感器的安裝位置和設定值等實際應用中的不定因素，在風機揚程可及的條件下，不管風管系統設計如何，絕對保證各VAV末端不出現倒抽風現象。

最小阻力變靜壓控制的控制目標是以維持VAV末端風閥開度全開為控制目標。傳統的定靜壓控制，以及變靜壓控制方法之一的總風量控制均沒有以維持VAV末端風閥開度全開為控制目標，因此

……

……

不能取得理想的控制精度和理想的節能效果。最小阻力變靜壓控制法應用了前饋控制+反饋控制的現代控制技術。最小阻力變靜壓控制法一邊根據總要求風量給出前饋控制信號，一邊根據VAV末端風閥閥位給出反饋控制信號，用前饋控制和反饋控制的合成信號作為風機變頻器的轉速控制信號。

最小阻力變靜壓控制法由于采用了VAV末端的閥位信號作為反饋控制信號，控制邏輯中包含了只要有一個VAV末端的風閥開度超出全開，風機轉速就逐步增加，直至沒有一個VAV末端的風閥開度超出全開為止的控制動作。形象的說，最小阻力變靜壓控制法相當于在每個VAV末端入口裝了一個靜壓傳感器。所以，最小阻力變靜壓控制法首先確保了防止個別VAV末端出現倒抽風。

同時，當沒有風閥開度超出全開的VAV末端時，控制邏輯又逐步提高風機轉速，直到實現VAV末端風閥達到全開的控制目標。此時的狀態為最小靜壓狀態，對于現設計的風道系統，最小阻力變靜壓控制不能保證完全消除VA V末端風閥ON/O FF動作的可能性，但是它最大限度地減小了VA V末端風閥ON/O FF動作的可能性。由于最小阻力變靜壓控制法以VAV末端風閥達到全開為控制目標，所以可以說它實現了AHU風機最大限度的節能。

另外，當空調負荷發生巨大變化時，最小阻力變靜壓控制法以總要求風量為前饋信號，使得風機轉速發生大幅度變化，從而實現快速追隨反應負荷的變化。

由于最小阻力變靜壓控制法沒有使用串級控制，也沒有使用中間變量，較好的解決了快速反應和精確控制的矛盾。同時，最小變靜壓控制法的控制邏輯中只有一個調試參數，而且幾乎所有的工程都可以使用同一參數。當VAV末端控制器給出出廠默認值時，可以免去現場調試。因此，變靜壓控制的調試工作甚至比定靜壓控制還要簡單。

假定主風道定靜壓設定值為300 Pa，AHU設計風量為30000 m3/h，風機效率為80%，維持靜壓所需風機功率為3.7kW。年平均風量為15000 m3/h，年運行時間為12（小時）′25（天）′12（月）= 3600小時，維持定靜壓所需年耗電為6660kWh，按1.0元/kWh的電費來計算，維持定靜壓的年運行費為6660元/年臺。

最小阻力控制的年平均靜壓為定靜壓的45.75% （30%，50%，75%，100%的風量各占25%），節省能耗也為定靜壓控制定壓能耗的45.75%。即節約電費為6660*（1-0.4575）=3613元/年。如果一個房間省這么多，那有100個房間，一年能省361300元，這個節省費用是非常可觀的。

3　結語

變風量空調系統是通過改進送入房間的風量來滿足室內負荷的變化。由于空調系統大部分時間是在部分負荷下運行，所以風量的減少也帶來了風機能耗的降低。其中最小阻力變靜壓控制方式是控制最為理想最為節能的控制方法。