变风量空调系统设计

孙宁 清华大学 热能工程系（100084 北京清华大学热能系空调教研组）

摘要 讨论了变风量（VAV）空调系统设计中的新风、噪声、气流组织、房间正压、末端装置的选择以及系统控制方法等几个主要问题，并提出一些建议，供参考。

变风量（VAV）系统简介
变风量系统（Variable Air Volume System, VAV系统）本世纪60年代诞生在美国。VAV技术的基本原理很简单，就是通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷。由于空调系统大部分时间在部分负荷下运行，所以，风量的减少带来了风机能耗的降低。VAV系统追求以较少的能耗来满足室内空气环境的要求。VAV系统出现后并没有得到迅速推广，当时美国占主导地位的仍是定风量（CAV，Constant Air Volume）系统加末端再加热和双风道系统。西方70年代爆发的石油危机促使VAV系统在美国得到广泛应用，并在其后20年中不断发展，已经成为美国空调系统的主流，并在其他国家也得到应用。

VAV系统有如下优点：

a.由于VAV系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化，同时在确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用情况，所以能够节约风机运行能耗和减少风机装机容量。有关文献介绍，VAV系统与CAV系统相比大约可以节能30%-70%，对不同的建筑物同时使用系数可取0.8左右。

b.系统的灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑，例如出租写字楼等。当室内参数改变或重新隔断时，可能只需要更换支管和末端装置，移动风口位置，甚至仅仅重新设定一下室内温控器。

c.VAV系统属于全空气系统，它具有全空气系统的一些优点，可以利用新风消除室内负荷，没有风机盘管凝水问题和霉菌问题。

图1是一个典型的单风道VAV空调系统。在这个系统中，除了送、回风机、末端装置（VAV Terminal）、阀门及风道组成的风路外，还有4个反馈控制环路（室温控制、送风静压控制、送回风量匹配控制及新排风量控制）。

在供冷季节中，当某个房间的温度低于设定值时，温控器就会调节VAV末端装置中的风阀开度，减少送入该房间的风量。由于系统阻力增加，送风静压会升高。当超过设定值时，静压控制器通过调节送风机入口导叶角度或电机转速，减少系统的总送风量。送风量的减少导致送回风量差值的减少，送回风量匹配控制器会减少回风量以维持设定值。风道压力的变化将导致新排风量的变化，控制器将调节新风、回风和排风阀来保持新排风量。

在冬季，对于有内外区的建筑，内区继续供冷，外区末端装置只提供最小风量以保证新风和气流组织，由末端再热装置或其他采暖系统供热。

VAV系统不仅限于图1所示的单风道节流型这一种形式，还有旁通型、双风道等等形式。广义地讲，只要是风量变化的全空气系统都可以称作VAV系统。

我国在80年代初曾经引进过VAV系统，但由于对系统性能不够了解，致使系统不能按设计要求运行。一时间VAV系统的应用和研究停顿了下来，近来，工程师们又把目光转向了VAV系统。笔者认为，这其中有两大原因。一是国内目前的CAV系统和风机盘管系统暴露出一些缺点。由于我国目前舒适性空调系统都是没有末端再热的CAV系统，所以，一个送风参数不能满足不同房间的要求。风机盘管系统可以避免这个问题，但是凝水污染吊顶以及霉菌问题同样令人不能容忍。随着室内办公设备的增加、房间使用功能的变化、房间格局的变化，空调系统也应当做相应改动，可是CAV系统和风机盘管系统改扩建较麻烦。第二个原因是受VAV系统节能的诱惑。空调历来是个能耗大户，而其中风机能耗占大半。因此，业主也希望采用VAV系统以节约运行费用。

虽然VAV系统有很多优点，但是伴随着VAV系统的诞生，大部分系统或多或少地也暴露出如下问题。从用户的角度看，主要有：

1、缺少新风，室内人员感到憋闷；

2、房间内正压或负压过大导致室外空气大量渗入，房门开启困难；

3、室内噪声偏大。

从运行管理方面看，主要有：

1、系统运行不稳定，尤其是带“经济循环（Economizer Cycle）”的系统；

2、节能效果不明显。

此外，目前VAV系统还存在一些固有的缺点：

1、系统的初投资比较大；

2、对于室内湿负荷变化较大的场合，如果采用室温控制而又没有末端再热装置，往往很难保证室内湿度要求。

3、对一个系统来说，问题并不一定时时刻刻都存在，可能在某个工况发生，在另一个工况又消失了。

从表面上看，似乎VAV系统只不过比CAV系统多了一些末端装置和风量调节功能。可是，就因为VAV系统风量的变化和增加的末端设备，使得VAV系统从方案设计到设备选择、施工图设计，直到施工和调试都具有不同于定风量系统的特殊性。VAV系统存在的这些问题和缺陷，其原因是多方面的。有的可能需要一定的技术支持才能解决；而有的可能通过空调系统设计人员的努力就可以避免。

笔者只是刚开始

二、新风问题

a. 图2是一个典型的CAV系统的经济循环系统（Economizer Cycle System）。在过渡季，通过调节新风、回风和排风3个阀门的开度来改变新风量以维持一个混风温度。这种做法是为了缩短冷机的开启时间。这里姑且不谈经济循环系统在定风量系统中能否正常运行，不过，单纯地像图2那种做法在VAV系统中肯定无法保证新风量。图3给出了一个系统的压力分布图，实线表示设计工况，虚线为50%设计风量时的情况。可以看出，如果不采用任何恒定新风的措施，当总风量减少时，新回风混合点处的压力（指绝对值）就会变小，从而导致新风量减少。

对于采用混风的空调系统，不论是CAV系统，还是VAV系统，新风量在各个房间之间是按负荷分配的。也就是说，即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。对于VAV系统，由于送入房间的风量是变化的，所以房间的新风量必然也是变化的。

所以，VAV系统中，新风主要存在三方面的问题：总新风量的控制、总新风量的确定和新风的分配（新风量的控制问题在本文§5中介绍）。

b.新风量的确定和分配

前面提到，不论是CAV系统，还是VAV系统，新风量在各个房间之间是按负荷分配的。即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。如果为了满足这些房间的要求，总新风量将会增加，甚至在有的时候可能超过需要的送风量。为此。ASHRAE标准62-1989提出，在一定的新风量下，总回风中CO2的含量不一定超标，可以利用回风以减少总新风量。该标准给出了修正总新风量的计算式


式中Y——修正后的总新风量与总送风量之比；

X——未修正的需求的总新风量与总送 风量之比；

Z——各房间中，新风量与送风量之比的最大值。

ASHRAE标准62-1989只回答了如何确定总新风量问题。可是，对于VAV系统，送入房间的风量是变化的，房间的新风量必然也是变化的。新风的问题就更加突出了。所以，在新风要求很高的场合，可能要单独敷设新风道。这样，风道占用建筑的空间就要增加了。

新风问题与建筑物负荷特点、系统形式及室外气象条件等很多因素有关。上述方法或设想，从控制逻辑上可能是可行的，实际当中却未见得适用于任何系统。对于某一特定建筑，很有必要具体分析系统的夏季工况、冬季工况及过渡季经济循环工况。

三、 噪声问题

在VAV系统中，比较大的噪声源除了送、回（排）风机外，还有VAV末端装置。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，这是末端装置产生较高噪声的一个原因。一般的节流型末端是靠调节阀片开度来改变风量的，所以，当阀片关小的时候，流经阀片的风速也增加了，所以，阀门调节也是一个产生噪声的根源。

末端装置产生的噪声通过送风和外壳传入室内，前者称为送风噪声（Discharge Noise)，后者称为辐射噪声（Radiated Noise）。在末端装置的产品样本中，都列有详细的噪声数据供设计者参考。一般，末端装置产生的噪声随型号增大而增加，随着后压差的增加而增加。由于VAV系统的运行工况是变化的，势必室内的声压级要随之变化。一般来说，人耳对稳定声压级的噪声环境有一定的适应能力，长时间后，人的感觉就不很明显了。但是，当声压级的变化达到5dB，人的耳朵就能较清楚地感觉到。这就是为什么在有的VAV系统中，室内人员有时候能听到噪声，而有时候又感觉不到。

对于噪声问题，笔者提出以下几点建议供读者参考：

a.校核每个末端装置在最小、最大风量下产生的噪声。

b.对于噪声要求较高的场合（如NC35以下），采用VAV系统要谨慎，而带风机的末端通常用在NC40以上的场合。

c.因为末端的型号越大噪声也越大，所以，最好选用入口直径不大于300mm的末端装置。

d.尽量把末端装置安装在房间外面（如走廊）。如果只能装在室内且噪声又超标，应与建筑工种协调，看是否可以采用消声效果好的吊顶材料或其他措施。

e.末端装置出风口到房间送风口间的风道压力损失不要超过60-70Pa。否则，在低负荷工况会导致末端装置前后压差较大，从而使室内噪声级变化较大。

f.房间设计噪声声压级最好比要求的低大约5dB。

四、气流组织

一般的空调系统的送风口都是定截面的，导叶角度也很少改变，所以当风量减少时，势必影响室内气流组织。

国外通常采用空气分布特性指标ADPI来评价房间的气流组织性能。该指标综合考虑了空气温度、气流速度和人的舒适度三方面的因素。如果ADPI=100%，表示全室人员都感到舒适；ADPI达到80%，即可认为是满意的气流组织效果。有关的气流组织试验结果表明：在变风量送风的情况下，条缝散流器和灯具散流器在较大的风量变化范围内，ADPI均可保持在80%以上，说明这两种送风口的性能较为理想。

所以，在VAV系统中一般不使用普通的方形或圆形散流

变风量（VAV）系统的控制

VAV空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。前面提到，图1所示的VAV系统当中采用了房间温度控制、送风静压控制、送回风风量匹配控制和新排风风量控制等4个控制环路。直接数字控制DDC虽然不采用环路控制，但是也包含这4部分控制内容，它们是VVA空调控制系统的必要组成部分。当然，系统还会有送风温度控制、预冷预热等其他控制。

一、 变风量（VAV）控制系统的组成

1 房间温度控制

1.1 送风静压控制

在VAV系统中，通常根据静压传感器的信号来调节风机送风量，静压控制器通过调节风机转速或入口导叶来恒定静压控制点的静压值，以满足下游风道、末端装置及送风口的压力损失。恒定静压的目的是保证任何一个末端的设计资用压力。那么，就要将静压传感器放在系统最不利的末端入口。由于要恒定静压，送风机不能无限制地减少风量，所以风机功耗并不与风量的3次方成正比。由于存在风道阻力损失，静压传感器越靠近管路末端，静压设定值就越小，就越能节约风机功耗。由于VAV系统的动态特性，实际上不容易定义一个最不利的末端装置。任何一个都可能成为最不利。ASHRAE建议，在使用带定风量装置末端的场合，把静压传感器放在送风机到系统末端的2/3处，笔者认为，这只是个折衷的考虑。不过，对于中小规模的低速送风系统，风道远近压差不太大，所以矛盾不很突出。

1.2 新排风风量的控制

前面说过，系统风量的调节会导致总新风量的变化，为此，在需要维持新风量不变的场合，有必要采取恒定新风量的措施，下面列举两种：

a.将最小新风道和经济循环新风道分开，分设新风阀，并在最小新风道上安装流量传感器，以此来调节3个风阀的开充，维持最小新风量。通常，为保证测量精度，流量传感器前后要保证一定的直管段。

但是，由于现场情况比较复杂，经常很难完全满足所要求的直管段。这样，必然对测量和控制效果产生很大影响。据说，现场最好的测量准确度只有20%左右。

b.混风压力变化是造成新风量变化的直接原因，所以，恒定新回风混合箱内压力就能够保证新风量。在需要最小新风量的时候，关闭经济循环新风阀，通过调节回风阀来恒定混风压力；在过渡季的时候，由混风温度控制器调节经济循环风阀的开度，随着新风量的增大，混风压力减小，这时，混风压力控制器关小混风阀直至完全关闭，整个系统采用全新风。

虽然这种方法原理简单，但实际上很难实现，混风箱内气流很乱，压力极不稳定，压力测点不容易选择。

前面提到的两种方法都为是为了恒定新风量。有人认为，对于新风主要用于保证室内空气品质（IAQ），可以采用以室内CO2浓度来控制新风量的办法。这种方法适用于新风品质较差的地区，如夏季空气湿热，冬季干冷。不过，CO2浓度达到要求并不能代表室内空气品质合格，室内还会存在其他易挥发性污染物。

关于新、排风的控制，以下几个点值得注意：

a.合理选择新风、回风和排风阀，以减少不稳定干扰。

b.采用送回风机的系统，回风阀前后压差很大，风阀很难调节。所以有人提出用排风机取代回风机，如图4所示。这样，回风阀前后都是负压，且压差较前者小很多。排风机可由新风、排风流量计或室内压力来控制。

c.在新风道阻力较大的场合，可能有必要采用新风机。否则，混风箱内负压过大可能会影响系统稳定。

d.另外，室外风压和建筑物的烟囱效应也不容忽视。10m/s的风的滞止压力为65Pa，所以阵风对混风温度和压力的影响是很大的。适当加大新排风道的阻力损失可以增强系统对风压和热压的抵抗能力。

1.3送回风风量匹配控制

送风量随负荷变化，回风量也要随之变化，这样才能保证房间的正常压力。由于房间向外渗风和厕所排风，回风量要比送风量小。下面是几种目前常用的风量匹配控制方法：

a.一种最简单的控制方法是送风机和回风机都由一个送风静压控制器来调节。当负荷减少时，送回风量按同一比例减少，这样送回风量的差值也减少了，从而导致新排风量不平衡。不过，笔者认为，对于变风量比不太小的系统，问题可能不大。

b.回风机由放在新回风混合箱里或房间内的静压控制器控制。前面说过，新回风混合箱里气流太乱，不易测量；而房间正压一般很小，容易受干扰。

c.在送风和回风风道上安装风量计，并用一个控制器控制二者的差值来解决这个问题。由于现场情况复杂，风量常常无法测准。

二、系统控制的稳定性

在实际工程中，象图1那样采用多个环路的控制系统，每个环路单独工作都正常，。但是，当4个控制系统都工作时，整个系统就会出现不稳定。例如，当某个房间的温度下降，该房间末端装置的风阀就会关小，从而导致系统静压升高，其他房间的送风量增加。这时，这些房间的末端装置的风阀就会关小以恒定各自的送风量。这将导致系统静压进一步升高。当达到某一限度，静压控制器就

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变风量空调系统的控制方法的比较

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变风量空调系统的优化设计浅谈
变风量空调系统于60年代在美国诞生，其基本原理是通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷。在当今特别提倡节能和舒适性的条件下，变风量空调系统正在逐渐被人们接收并得到应用。

变风量空调系统主要有以下几个优点：

由于变风量空调系统是通过改变送入房间的风量来适应负荷的变化，而空调系统大部分时间的部分负荷下运行，所以风量的减少带来了风机能耗的降低。

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