關于變風量空調系統的探討及分析

林 婷 瑩

(中國建筑西南設計研究院有限公司福建分公司，福建 福州 350000)

1 概述

變風量空調系統于20世紀60年代中期誕生于美國，經過多年的發展，變風量系統在技術上日益成熟。基于變風量系統的節能性，系統靈活性等優勢，該技術在各國得到越來越廣泛的應用。

定風量系統的送風量保持不變，通過再熱等手段改變送風溫度，來適應不同的室內負荷。變風量系統是指保持送風狀態不變，利用改變送入室內的送風量來實現對室內溫度調節的全空氣空調系統[1]。由此可見，變風量系統能夠充分利用允許的最大送風溫差，節約再熱量及與之相當的冷量；另外，由于變風量系統的風量減少，風機能耗相應降低。顯而易見，變風量系統相較于傳統的定風量系統而言，運行更為經濟。

變風量空調系統由空氣處理機組、送風系統、末端裝置及自控裝置等組成[2]，如圖1所示。其中末端裝置及自控裝置是變風量系統的關鍵設備，它們可以接收室溫調節器或大樓自動管理系統的指令，根據室溫的高低自動調節送風量，以滿足室內負荷的需求。

2 變風量末端裝置的分類

VAV末端裝置種類繁多，總體上可分為單風道型、風機動力型和旁通型[3]。其中，風機動力型還可根據增壓風機與一次風風閥排列的位置不同，分為并聯式和串聯式。

2.1 單風道型

單風道型末端裝置主要由室溫傳感器、風速傳感器、控制器及電動風閥組成。單風道型末端運行時，空調機組的一次風經過末端內置的電動風閥送入空調區域，室內回風不經過VAV BOX。末端送風量的改變由電動風閥來實現。

單風道型末端裝置有以下幾點優勢：

1)無風機，噪聲小且耗電少，對于噪聲有較高要求的場所較為合適。

2)末端裝置體積較小，不占用過大的吊頂空間。

2.2 風機動力型

2.2.1串聯式末端裝置

串聯式末端裝置主要由室溫傳感器、風速傳感器、電動風閥、風機和電機、控制器組成。串聯式末端裝置是指內置風機與一次風風閥串聯設置，如圖2所示。集中空調機組的一次風經末端內置的一次風風閥調節，再與吊頂內的二次回風混合后通過內置連續運轉的風機增壓送出恒定風量。在變風量箱內，一次風既通過一次風風閥，又通過增壓風機。串聯式末端內置風機的總送風量恒定，通過調節一次風風閥，改變一次風和二次回風的風量比，實現送風溫度的變化，以適應不同的室內負荷。

串聯式末端裝置的優勢如下：

1)當系統最小冷風量工況下，室內區域仍出現過冷時，利用二次回風的余熱增加系統的送風溫度，減少空調機組的再熱能耗。

2)冬季工況時，末端內置風機誘導吸入內區吊頂內的回風，將吊頂內照明等余熱轉移至需要供熱的外區，利用余熱進行熱回收，減少系統能耗，達到節能的目的。

3)末端的內置風機誘導吸入二次回風，使末端總送風量加大，極大改善了室內的氣流組織。

4)一次風經過增壓風機，增加風系統的余壓，可解決下游阻力較大的BOX箱壓頭不夠的問題。

2.2.2并聯式末端裝置

并聯式末端裝置主要由室溫傳感器、風速傳感器、電動風閥、風機和電機、控制器組成。并聯式末端裝置是指內置風機與一次風風閥并聯設置，如圖3所示。集中空調機組的一次風經過末端內置的一次風風閥，不通過增壓風機；在內置的風機開啟時，增壓風機誘導吸入室內二次回風；經過風閥的一次風與經過風機的二次回風混合后送入空調區域。

并聯式末端裝置有以下兩種不同的運行方式：

1)內置風機關閉，變送風量定送風溫度方式。該運行方式適用于夏季大風量供冷工況，風機出口止回閥關閉，送風溫度不變，通過改變一次風閥的開度改變送風量，以適應室內冷負荷的變化，維持室溫的恒定。2)內置風機開啟，定送風量變送風溫度方式。該運行方式適用于最小風量供冷或供熱工況，該工況下增壓風機開啟，總送風量恒定，通過調節一次風風閥，改變一次風和二次回風的風量比，實現送風溫度的變化，以補償室內負荷的變化。

與串聯式末端裝置相同，并聯式末端裝置具有免費再熱過低送風溫度，以及冬季工況下吊頂內余熱回收的優勢。除此之外，并聯式末端裝置還有以下幾點優點：

1)系統低風量運行時，通過增壓風機旁通，末端裝置風量加大，避免出現氣流組織不暢的問題。

2)由于并聯式末端裝置的風機間歇運行，其耗電較串聯式的少。

3)并聯式末端裝置風機風量一般為一次風設計風量的60%，遠小于串聯式末端內置的風機，所以并聯式末端裝置箱體占用空間較串聯式的小。

2.3 旁通型

旁通型末端裝置一般由分流器式風閥、旁通風口和控制器組成，如圖4所示。當室內負荷減少時，通過分流器式風閥來減少送入室內的空氣量，其余部分排入吊頂內回風管循環使用。送入房間的空氣量是可變的，但空調機組的風量仍保持一定，因此風機能耗得不到節省。

3 變風量系統的設計

合理的設計是變風量空調系統節能運行的關鍵，大致可按照以下幾點步驟進行：

1)確定空調分區，劃分空調系統。

在同一建筑內，各個分區其圍護結構、照明、人員等內擾外因的差異產生了不同的空調負荷。科學地把空調區域劃分為若干個溫度控制區域，更為精細地追蹤負荷變化，有利于降低空調系統的能耗。空調最基本的分區是內區和外區，外區是直接受到圍護結構日射得熱、溫差傳熱和空氣滲透等負荷影響的區域。內區負荷主要由人體、燈光照明以及其他設備散熱形成，該部分負荷波動較小，且全年均為冷負荷。進深小于8 m的房間無明顯的內外分區現象，可不設內區，都按外區處理。影響外區的進深主要有外圍護結構的熱工性能以及氣候條件等，一般外區進深可按2 m～5 m確定。內區溫控區宜為50 m2～100 m2，外區溫控區宜為25 m2～50 m2[4]。

2)冷熱負荷計算。

計算各個房間及空調分區的逐時冷負荷及熱負荷，作為空調機組及末端設備的選型依據。

3)供熱方式的確定。

一般變風量系統的供熱可通過以下兩種方式實現：a.建筑進深小，不分內外區，全區采用冷熱型末端裝置，集中空調系統提供冷風或熱風，通過末端裝置輸出實現供冷或供暖。b.空調區域分內外區，內區采用單冷型末端裝置，外區采用帶再熱的末端裝置或冷熱兼用的風機盤管。集中空調系統全年送冷風，夏季工況時，內外區的末端裝置供冷；冬季工況時，內區的單冷型末端裝置供冷，外區由末端裝置的再熱器或風機盤管供暖。

4)計算各個空調分區的一次風量。

對于冷熱型的變風量裝置，其供冷時和供熱時的最大風量應分別計算，取最大風量值作為選擇末端設備的依據。各個空調分區的一次風最大風量應根據式(1)進行計算。一次風最小風量要綜合考慮新風量和氣流組織確定，一般采用最大風量的30%～40%。

(1)

其中，G為變風量末端最大風量，kg/s；Qx為房間或溫控區的顯熱負荷，kW；tn為房間或溫控區的干球溫度，℃；to為空調系統送風干球溫度，℃。

5)確定變風量系統的組合形式，選擇末端設備類型。

為適應室內負荷的變化，變風量系統有多種組合形式，其特點及適用條件如表1所示。

表1 變風量系統不同組合應用特點比較

6)根據計算的風量，選擇BOX的規格及參數。

7)根據氣流組織合理性，合理分布風口。

由于變風量系統的特殊性，實際項目設計過程中，我們還需特別注意以下幾點：a.風速對測量儀的測量精度有很大的影響，為保證風速測量的精準性，風速測量儀所在的那一段風管(即進入BOX箱前的那一段)，風速一般控制在3 m/s～10 m/s。b.氣流的紊流程度同樣影響風速測量的精度，為保證數據采集的準確性，進入BOX箱前至少有5D長的直管段來保證氣流的均勻度。c.集中空氣處理機組的風機余壓應為AHU設計最大風量下的阻力及末端消耗的壓力降之和。綜合考慮出投資、能耗和全壽命周期后，末端所需的全壓降建議取125 Pa～150 Pa[5]。

4 結語

相對傳統定風量系統而言，變風量系統的控制更為復雜，對系統設計合理性和設備控制的要求較高。實際工程中，變風量系統存在的設計粗獷及設備控制調試不精準等問題，均嚴重影響系統運行的穩定性及空調節能效果。變風量技術對我國節能事業具有重要的意義，在研究及發展變風量技術這條道路上，我們任重而道遠。