变 风 量空 调 系 统 的 设 计徐宏庆一、变风量空调系统的概述一、变风量空调系统的概述1变风量空调系统的原理变风量空调系统的原理 全空气空调系统设计的基本要求：向空调房间输送足够数量的并经过处理的空气，用于消除房间内的余热及余湿，以达到房间的温、湿度要求。 湿空气的焓有两部分组成：一、潜热：仅随含湿量而变化的热量；二、显热：仅随温度而变化的热量； Q（1.01+1.84d）t 空调系统的基本计算公式： Qs1.2L(tn-ts) 当房间显热Qs值发生变化而室温tn保持不变时：一、将送风量L固定，而改变送风温度ts，该系统称为定风量系统；二、将送风温度ts固定，而改变送风量L，该系统称为变风量系统。 2定风量、变风量系统夏季空定风量、变风量系统夏季空气处理过程分析气处理过程分析2.1室内热、湿负荷成比例减小 （2 1不变）：1）变风量系统： 送风状态点3仍沿1线到达室内状态点N1。2）定风量系统： a）改变送风温度（不再 热），送风状态点变为3，沿2线到达状态点N3。 b）改变送风温度（再热），送风状态点变为3，沿2线到达状态点N2。 图1室内热、湿负荷比例减小2.2室内热负荷减小，湿负荷不变， 减小：（ 2 1 ）1）变风量系统： 送风状态点3沿2线到达状态点N2。2）定风量系统： a）改变送风温度（不再热），送风状态点变为3，沿2线到达室内状态点N3。 b）改变送风温度（再热），送风状态点变为3， 沿2线到达室内状态点N1。图2 室内热负荷减小，湿负荷不变 表表1 室内状态参数变化分析室内状态参数变化分析 结论：变风量系统在房间的热负荷发生改变时，其对室内温、湿度的控制能力可优于不再热的定风量系统。 变风量系统与定风量系统相比具有以下特点：1系统节能：根据相似工况原理，空调风机的耗电量与其转速的3次方成 正比。2舒适度方面：变风量系统具有可分室调节温度、控制湿度的能力强的 特点。系系统类统类型型不不变变结论结论变变小小结论结论变风变风量系量系统统tN不不变变1 1不不变变保持原来的状保持原来的状态态参数参数tN不不变变2 21 1保持室内温度，保持室内温度，相相对对湿度增加湿度增加定定风风量量系系统统送送风风温度改温度改变变（不再（不再热热）tN不不变变3 31 1保持室内温度，保持室内温度，相相对对湿度增加湿度增加tN不不变变3 31 1保持室内温度，保持室内温度，相相对对湿度增加湿度增加送送风风温度改温度改变变（再（再热热）tN不不变变2 21 1保持室内温度，保持室内温度，相相对对湿度减小，湿度减小，增加再增加再热热能耗能耗tN不不变变1 1不不变变保持原来的状保持原来的状态态参数，参数，增加再增加再热热能耗能耗3变风量末端的送风量调节变风量末端的送风量调节 空调机组的送风显热量1.2L(tn-ts)应与所负担空调区域的显热负荷QS相平衡。当空调区域由多个变风量末端组成时，各变风量末端根据其控制区域的显热负荷变化而改变其送风量，空调机组的送风量则应该随着系统各变风量末端风量改变而变化。VAVVAVVAV图3 VAV空调系统示意 当各变风量末端的控制区域室温相同时，其下列方程式成立： 室温tn相同时，每个变风量末端的负荷与风量之比是相同的，其比值为送风温度的函数。 由于变风量末端的送风量设有最大送风量和最小送风量的上下限限制，其调节范围无法满足房间负荷小时的调节要求，因此，为拓宽变风量末端的调节范围，使各变风量末端的送风显热量l(tn-ts)与其控制区域的室内显热负荷q相平衡，送风温度需要随送风量的变化范围而改变其设定值。 结论：变风量空调系统应具有送风量和送风温度的变化能力。 4变风量系统的最小控制单元与系统组合分区变风量系统的最小控制单元与系统组合分区 4.1 最小控制单元变风量空调的最小控制单元是指一个温度控制点。而每个温度控制点对应于一个变风量末端控制箱，因此，变风量空调的最小控制单元就是一个变风量末端控制箱的控制范围。决定一个变风量末端控制箱的控制范围，亦即决定一个空调分区的大小，取决了它是否许可共有一个室内空气温度设定值。如果一个区域许可共有一个室内空气温度值，并不意味着这个区域可以作为一个变风量空调的最小控制单元。因为还必须看这个区域是否有一个相同的空调负荷密度亦即一个相同的变化规律。不同空调负荷密度的区域需要不同的风量（换气次数），如果这些不同密度的空调负荷按同一变化规律变化，则这些区域可以归入同一个变风量空调的最小控制单元。周边区与内部区的空调负荷变化规律不同，因此周边区与内部区不宜归入同一最小控制单元 4.2 系统组合分区 变风量空调系统的组合分区，是指将多个变风量末端控制箱划分到一个空调机的过程。由（2）式可知，同一系统的各变风量末端控制箱的负荷风量比应该共有一个送风温度。换句话来说，同一系统的各变风量末端控制箱的负荷风量比应该相同。因此，（2）式为变风量空凋系统设计中变风量空调系统组合分区的基本原则。 如果系统划分的结果为同一系统的各变风量末端的负荷风量比不为一常数，则该系统的某些变风量末端必须加装末端加热器冷却器。 结论结论 根据是否采用末端再热的变风量末端，以及空调区室内设计温度是否相同，按照上述负荷风量比方程式从（2）式到（3.3）式来划分空调区域以及选用变风量末端装置是必须，而且十分显要的。5、变风量系统与风机盘管加新风系统的比较、变风量系统与风机盘管加新风系统的比较名称名称VAVFCU新新风风热热舒适性舒适性通过VAV末端实现区域温度控制。控制室内湿度的能力强。通过FCU实现区域温度控制。控制室内湿度的能力弱。卫卫生条件生条件末端装置全年为干工况，末端装置本身不会繁殖细菌。可利用全新风，室内IAQ品质高。集中回风有可能传播病毒等造成内部感染。盘管夏季为湿工况，机组本身会繁殖细菌。不可以利用全新风，室内IAQ品质不及VAV。没有集中回风，不必担心由于回风带来的内部感染。维维修修室内无水管，不用担心室内漏水损坏室内装修、设备及用户文件等。VAV Box的风阀无需维护保养。水管进入室内，室内漏水会损坏室内装修、设备及用户文件，凝水堵塞、凝水盘漏水等，过滤器需要定期清洗。控制系控制系统统控制变量多：室温，风量，送风温度，AHU风机转速，新风量等控制变量少：室温，水量，FCU风机转速等设计难设计难度度要求计算项目比FCU新风空调系统多，计算结果要求严格。要求计算项目比VAV空调系统少，计算简便。水系水系统统比FCU新风空调系统简单，易平衡。AHU一般采用比例调节阀控制水量，可采用大温差技术。比VAV空调系统复杂，平衡较难。FCU采用两通阀控制水量或不控制水量时。二、常用变风量系统类型二、常用变风量系统类型1、单风管变风量空调系统该系统是变风量系统中最简单的一种。这种方式只能同时加热或同时冷却，大多应用在：1）不分区但需要同时供冷或供热的办公楼变风量系统中，季节转换时，各房间同时进行。2）大型办公楼变风量空调系统的内区，全年需要供冷。 2、单风管变风量再加热空调系统 该系统采用带有加热盘管的变风量末端装置。在室内温度减少到一定程度时开启加热盘管补偿热量，既能满足房间最小风量而又不会产生房间过冷现象。在冬季可利用加热盘管供暖，以补偿围护结构的热损失。该系统目前多用在大型办公楼外区的变风量系统中。 3、单风管变风量与热水供暖、FC系统等的组合系统 热水供暖、FC系统设置目的：克服夏季周边区的围护结构特别是玻璃窗的辐射影响，以及冬季外墙内表面产生的冷气流影响。该系统可用在办公楼的变风量系统中。三、常用变风量末端装置三、常用变风量末端装置 1变风量末端变风量末端1.1末端装置按照是否补偿压力变化，分压力有关型和压力无关型两种；二者在控制意义上的定义：压力无关型：使用风量控制器调节末端阀位执行机构，而风 量控制器的设定值则通过房间温度控制器进行重设定。压力有关型：直接根据房间温度控制器来控制末端阀位执行机构。压力无关型控制原理压力有关型控制原理1.2 风速传感器 ）压力无关型变风量末端装置常使用的风速传感器有：皮托管型、超声波流量计型等。压力信号输出端前面的全压测孔后面的静压测孔压力信号输出端后面的静压测孔前面的全压测孔皮托管型风速传感器）风速传感器的应用： 欧美的压力无关型变风量末端均采用了皮托管型，而日本的压力无关型变风量末端而采用超声波流量计等。 日本的变风量末端装置不采用皮托管风速传感器是基于以下2点考虑： 一、认为皮托管易堵塞； 二、不能测量低风速。在日本，一般办公楼空调系统的末端风管的设计风速为34.5m/s。当末端装置的最小风量为设计风量的30时，其进风口风速为11.5m/s，无法采用皮托管风速传感器。 ）风速传感器对设计的要求： 变风量末端装置采用风速传感器不同，其进风接管的设计风速也不同：1.在样本许可的风量范围内选择相应规格的末端装置并确定末端装置的最大和最小风量，才能保证所选的末端装置在整个空调期间其风量检测值在误差范围内。2.日本变风量末端装置的一次风进风接管都是矩形风管，其接管风速在8m/s以下。3.欧美变风量末端装置的一次风进风接管大多是圆形接管，一般其接管设计风速为1216m/s，最小风速不小于5m/s。4.为保证风速传感器的测量精度，末端装置一次风接管直管段长度一般不小于45D。2风机动力式变风量末端风机动力式变风量末端1）节流型变风量末端是变风量空调系统的最基本形式。2）串联风机型变风量末端：风机与变风量阀串联布置，一次风既通过变风量阀又通过风机加压； 并联风机型变风量末端：风机与变风量阀并联布置，一次风仅通过变风量阀，不需要风机加压。节流型变风量末端 并联风机型变风量末端串联风机型变风量末端名称名称串联串联并联并联末端风机运行末端风机运行连续运行连续运行，采暖和制冷时均运行，采暖和制冷时均运行间歇运行间歇运行，只有采暖、低冷负荷和夜间，只有采暖、低冷负荷和夜间时才运行时才运行送入房间的风送入房间的风量量不变风量不变风量。在中、高冷负荷时在中、高冷负荷时变风量变风量；在低冷负荷、；在低冷负荷、采暖时不变。采暖时不变。送风温度送风温度变化变化。制冷时，一次风和回风混合；采暖时，。制冷时，一次风和回风混合；采暖时，再热器逐级加热。再热器逐级加热。中、高冷负荷时中、高冷负荷时不变不变；在低冷负荷和采；在低冷负荷和采暖时变，再热器逐级加热。暖时变，再热器逐级加热。末端装置风机末端装置风机规格规格按制冷设计负荷选用按制冷设计负荷选用，风机需克服风阀、风，风机需克服风阀、风管和风口的阻力损失，静压较高。管和风口的阻力损失，静压较高。按采暖负荷选用按采暖负荷选用，风机需克服风管和风，风机需克服风管和风口的阻力损失，因风量减少，末端装置口的阻力损失，因风量减少，末端装置风机静压相应减少。风机静压相应减少。噪声噪声1.房房间间有人有人时时，末端装置，末端装置风风机机连续连续运运转转，噪，噪声声连续发连续发生；生；2.末端装置末端装置风风机静机静压较压较高；高；3.入口需要静入口需要静压较压较低低（25Pa100Pa ），），只只克服克服风阀风阀阻力阻力损损失，噪声与入口静失，噪声与入口静压压成正比。成正比。1.在在设计设计冷冷负负荷荷时时，末端装置，末端装置风风机不运机不运转转，在采暖，在采暖时时，风风机机间间歇运歇运转转，噪声，噪声间间歇歇发发生；生；2.末端装置末端装置风风机静机静压较压较低低；3.并并联联式需要式需要较较高的入口静高的入口静压压（100Pa180Pa），），需克服需克服风阀风阀，风风阀阀后后风风管和管和风风口阻力口阻力损损失。失。末端风机能耗末端风机能耗风机连续运转，风机连续运转，其其耗能高耗能高。风机间歇运行，规格风机间歇运行，规格小，小，耗能低耗能低。末端风机控制末端风机控制为防止压力过高，为防止压力过高，与中央空气处理机组连锁与中央空气处理机组连锁。由温控器信号控制，与由温控器信号控制，与中央空气处理机中央空气处理机组无连锁。组无连锁。空调机组风机空调机组风机所需入口静压较低，所需入口静压较低，节约了机组风机的能耗节约了机组风机的能耗。所需入口静压较高，所需入口静压较高，机组风机的能耗大。机组风机的能耗大。串联风机型变风量末端 节流型变风量末端 并联风机型变风量末端 2.1室内最小新风量的确定室内最小新风量的确定1室内最小新风量按细则第14.2.2条：表14.2.2 空调建筑的室内设计参数2室内空气质量按细则第14.2.4条。国家现行标准中部分室内污染物容许浓度指标污污染物名称染物名称符号符号单单位位容容许浓许浓度度备备注注二氧化硫二氧化硫SO2mg/m30.501小时均值二氧化氮二氧化氮NO2mg/m30.241小时均值二氧化碳二氧化碳CO20.10日平均值一氧化碳一氧化碳COmg/m3101小时均值臭氧臭氧O3mg/m30.161小时均值四、变风量空调系统的设计问题四、变风量空调系统的设计问题3、日本中央空调建筑的室内空气品质基准规定： 表表3.室内空气品质基准室内空气品质基准浮游粉浮游粉尘尘量量0.15 mg/m3以下一氧化碳一氧化碳浓浓度度10ppm以下二氧化碳二氧化碳浓浓度度1000ppm以下温度温度1）17282）室内温度不得明显低于室外空气温度相相对对湿度湿度4070气流气流0.5m/s以下相相对对新新陈陈代代谢谢率率RMR运运动动量量CO2呼出量呼出量m3/(h人人)设计设计CO2呼出量呼出量m3/(h人人)除去体臭最小除去体臭最小新新风风量量m3/(h人人)0安静坐卧0.01320.01301极轻作业（坐姿）0.01320.02420.0221212轻作业（空手慢走）0.02420.03520.03016.424中等作业（频繁站立）0.03520.05720.04625.147重作业0.05720.09020.07440.5表表3.2 不同运动量的不同运动量的CO2呼出量和除去体臭最小新风量呼出量和除去体臭最小新风量 4、ASHRAE有关规定：）室内舒适度范围：温度温度2225相相对对湿度湿度2560空气流速空气流速1.夏季：小于0.25m/s2.冬季：小于0.15m/s垂直温度垂直温度梯度梯度小于2.53.52.2 新风量的计算新风量的计算、设计室外空气通风量的计算公式：DVR=RPPDD+RBAB式中：RPP每人所需的最小新风量，L/(人s)； PD室内人数，人； D差异系数； RB单位地板面积所需的最小新风量，L/(sm2) AB建筑面积，m2。第一部分：RPPDD称人员部分，意在稀释室内人员本身及其活动产生的污染物；第二部分：RBAB称建筑部分，意在稀释由建筑材料、家具及HVAC系统散发的污染物。使用使用类类型型标标准准62-1989R要求要求通通风风需求需求使用指使用指标标（仅仅是推荐）是推荐）使用指使用指标标下下总总新新风风量量RPRB人人员员密度密度差异差异因数因数通通风风效率效率最小新最小新风风量量最小新最小新风风量量L/(人人s)L/(人人s)人人/（100 m2）L/(人人s)L/(sm2)办办公空公空间间3.00.35710.8010.00.7零售商店零售商店3.50.85150.751.0011.11.2普通教室普通教室3.00.553510.904.91.8会会议议室室2.50.355011.003.21.6表4.1 ASHRAE 62-1989R新风量要求）二氧化碳指标原标准（ASHRAE 62-1989）建议极限值为1000ppm，并明确指出该浓度“并不是从危害健康角度考虑，而是人体舒适感（臭气）的一种表征”。研究表明：没有任何受控研究表明，CO2浓度低于2500ppm会对人体健康造成任何影响。已有的CO2浓度超过1000ppm会导致困倦的观测数据还没有在受控小室研究中得到证实。因此，修订案不再将CO2作为所关注的污染物代表，也不再提及1000ppm这一指标。 小结：当VAV系统采用CO2控制新风量时，建仪仍采用极限值为1000ppm。 2.2 新风量的分配新风量的分配 系统新风比：每一房间所需新风量之和与计及多区效应和其它功能所需总风量之比。 X Y= 1+X-Z式中：Y系统的新风比； X各房间新风量的和与总送风量之比； Z各房间中新风量与送风量之比的最大值。 多区系统的总新风量就等于Y与系统总送风量之积。2、系统新风量的计算举例1.某办公区域总面积2050 m2，其中办公室2000 m2，会议室50 m2，空调送风量按满足冷负荷要求确定，办公室、会议室的单位面积总风量分别为：5.0 L/(sm2)、4.4 L/(sm2)。2.系统新风量的计算如下： 名称名称办办公室公室会会议议室室总计总计面面积积（m2）2000502050单单位面位面积积送送风风量量(L/(sm2)5.04.4送送风风量（量（L/s）1000022010220RP L/(人人s)3.02.5PD(人人)14025D1.00.8RB(L/(sm2)0.350.35DVR（L/s）3.01401.0+0.35200011202.5250.8+0.355067.51188新新风风比比1120100000.11267.52200.3070.143 结论：1、 系统实际新风量要应大于系统所需新风量，其倍数为：146111881.23倍2、新风比取0.143时，办公室、会议室新风量分别为：1430 L/s、31.5 L/s，会议室的新风量不能满足最小新风量的要求。3、解决此问题的最佳方法：设独立的新风处理与分配系统，其实质是把跟踪冷负荷的变风量系统与准确分配最小新风量的定新风系统分开设置，使新风量的分配完全不受冷负荷的影响，而只与各房间内的设计人数及新风供给标准有关。4、其他处理措施： 1）合理布置空调箱回风口，尽可能布置在内区； 2）合理布置内区FPB二次风的回风口，使其回风口布置在外区。、变风量系统风道设计、变风量系统风道设计为确保变风量空调系统中的各变风量末端装置的控制特性相似，设计变风量空调系统的风道系统时须较严格做好水力平衡计算。变风量末端装置的工作流量特性为下图的快开流量特性时，小开度时的控制灵敏度过高，容易造成其风阀开度控制发生振荡，从而使室内居住者明显地感到风量变化和温度变化，影响室内的热舒适性。风阀特性曲线风阀特性曲线 风阀设置示意风阀设置示意 风道的计算一般采用等摩阻法。由于所有末端装置的最大送风量之和大于系统总送风量，所以确定主风管管径时要利用“差异系数”重新分配风量。 将差异量人为地分配到各送风主管段上，风量调整后再利用等摩阻法计算管径。一般在主管末端大约1/3范围内，差异系数取1.0，在余下的2/3范围内，差异系数平均分配。 例如：系统总送风量6300m3/h，各末端装置最大送风量之和7590 m3/h，见下图。送风机AB1#1220C2#870D3#1220E4#870F5#1220G6#870H7#1320根据公式计算得 ： 差异系数6300/75900.83 差异量10.830.17 表表2 风管干管送风量调整结果风管干管送风量调整结果分支干分支干管管末端装置最大送末端装置最大送风风量之和量之和(m3/h)差异系差异系数数调调整后的整后的计计算算风风量量(m3/h)AB75900.836300BC63700.865478CD55000.894895DE42800.923938EF34100.963274FG21901.02190GH13201.013204末端的噪声设计末端的噪声设计）变风量末端有两类噪声源：一、气流噪声：压力无关型的VAV末端都带有风速测量传感器，这些传感器一般要求风速高于一定数值才能保证测量准确，所以流过末端入口的风速都比较高，产生较高的气流噪声。二、风机动力型末端的风机噪声。）设计时应注意：校核每个末端装置在最小、最大风量下产生的噪声值。末端装置的型号不宜过大，应适当控制。合理控制一次风送风管路的压力，使末端装置的入口静压值不要超过最小资用压头过多。末端装置的下游管路宜进行消声处理。 五、变风量系统的控制系统五、变风量系统的控制系统 典型的变风量系统有四个基本控制环节：末端流量控制、送风机转速控制、新风量控制及送风温度控制。 末端流量控制：测量房间温度偏差，调节末端风阀； 送风机转速控制：根据送风道上测点静压调节送风机转速；变风量系统的控制图 5.1 送风机转速控制送风机转速控制 1定静压控制法：定静压控制法：优点是控制简单、稳定，但节能效果差。存在的难题是：静压测点的位置及静压控制器中静压值的设定。解决的方式之一是：完善系统的风道设计，尽可能使主风道上的静压一致，使静压测点的位置及静压值的设定相对简单。 图2 变风量系统送风静压 图3 变风量系统静压点选择 2变静压控制法变静压控制法: 该方法能最大限度地节省风机能耗，但控制算法复杂。对一个比较理想的静压设定算法，静压测点的位置并不重要，静压设定算法完全可以弥补测点的位置影响，一般可将测点位置放在离风机出口不远处。 变静压控制法至少必须满足以下两个基本条件： 1) 只能使用压力无关型的末端装置； 2) 各末端装置要能向静压设定器合适地给出压力升高或降低的信号。 变静压控制法有两种策略，一种是在定静压控制的基础上增加各BOX阀位反馈，实时调整系统送风静压设定值，使送风静压值比定静压系统更小，BOX阀位开度更合理；另一种方法是省却静压控制环路，直接用各BOX的阀位反馈信息控制变频器的频率输出，达到变静压效果。 变静压控制系统更加节能, 并可以弥补定静压控制中的不足；缺陷是变静压控制环路复杂且离不开BAS系统的管理，AHU和BOX均必须联网到BAS中。 带静压传感器的变静压控制逻辑 两种变静压控制的异同 不带静压传感器的变静压控制逻辑 在控制效果上二者大同小异，其控制的目的都是尽可能地实时改变送风静压，使BOX开度尽可能大，送风管路阻力尽可能小，因此在总送风量相同的情况下，风机的电耗达到最小，系统能够达到理想的运行状态和节能效果。 3. 总风量控制法总风量控制法 控制原理控制原理: 部分学者认为定风量控制法不够节能，而变风量控制法运算的环路复杂，传输的数据较多，而且都属于反馈控制，于是提出了总风量控制法（更适合于没有阀位反馈功能的BOX）。即用系统中各BOX的需求风量之和来调整AHU的总送风量. 总风量法控制逻辑 上述方法是假设空调系统阻力系数不发生变化时的模糊控制，笔者认为，可以用加装流量传感器测量总风量的方法来消除上述误差。当然也可以同时读取各BOX的实际风量，求和得到AHU总实际风量。 总风量法控制逻辑2 总风量法控制逻辑3 4. 三种控制方法的优劣比较三种控制方法的优劣比较 AHU控制方法 控制性质 风机节能效果 各自卖点 缺点BOX及BA联网要求 工程应用比例 定静压控制法 反馈控制4050% 控制简单不必联网 节能效果稍差 不必联网，与压力有关无关均可，无需风量阀位反馈82% 变静压控制法 反馈控制5060% 最节能 控制复杂，传输数据较多 必须联网，与压力有关无关均可，需阀位反馈15% 总风量控制法 前馈控制4555% 前馈控制响应快 控制复杂，传输数据较多 必须联网，需与压力无关型，需风量反馈，精度高3%注：上述数据为估算值仅供比较之用 5.2 常用新风的控制常用新风的控制 新风的控制是系统控制的难点。常用的新风控制法有风机跟踪控制法、浓度控制法及专设新风机（或新风末端）控制法等. 1设定最小新风阀位：设定最小新风阀位： 该方法实际上近似固定新风比，缺点是当送风量下降时，而室内新风量要求不变时，会引起IAQ问题。工程中采用以下方法解决：（1）新风入口处设置流量传感器，以保证新风量满足最小新风量要求，同时，可满足过渡季全新风的要求。 （2）新风入口处设置VAV或CAV，以保证新风量满足最小新风量要求。 2风机跟踪法控制新风量：风机跟踪法控制新风量： 控制原理：送风机送风量回风机回风量新风量。通过测量送、回风道上的流量，调节回风机转速，使送、回风道上的流量差保持不变，以维持房间适度的正压值。 3浓度控制法：浓度控制法： 利用变送器测量回风管中的浓度并转换为标准电信号，送入调节器控制新风阀的开度，以保持足够的新风。 4.变风量系统的全新风控制方法（经济器）变风量系统的全新风控制方法（经济器） M8YTQ