变风量空调系统的设计原理及应用

文｜深圳市可信自控有限公司 卞立群

1 概述

变风量空调系统，是相对定风量空调系统而言的，是在定风量空调系统上发展出来的。

定风量空调系统的空调机组定风量送出一次风，通过控制空调机组的冷（热）水阀实现变冷（热）水流量调节，使送风温度接近露点温度进行（加热）除湿，而后将干空气送到多个风机盘管末端；风机盘管再次通过变水流量调节对一次风和室内回风进行制冷（热），平衡室内冷（热）负荷，达到将室内温度稳定在设定值的目的。

变风量空调系统的空调机组变风量送出一次风，通过控制空调机组的冷水阀实现变冷水流量调节，使送风温度接近露点温度进行除湿，而后将干空气送到多个变风量末端箱，变风量末端箱通过风阀的变风量调节对一次风和室内回风进行制冷或热水盘管加热，平衡室内冷（热）负荷，达到将室内温度稳定在设定值的目的。

定风量和变风量空调系统比较如下：

（1）定风量空调机组可以设置冷水盘管和热水盘管，可以在夏季为一次风供冷，在冬季为一次风供热，风机盘管可以冷水供冷也可以热水供热。变风量空调机组只设置冷水盘管，在夏季为一次风供冷，在冬季关闭冷水阀，将室外冷空气作为一次风，由变风量末端箱的热水盘管提供热负荷。

（2）定风量空调用风机盘管作为末端，由冷水和热水提供与室内温度的温差，通过人工选择三速开关的高中低三种风量来改变冷热负荷变化，室内温度调节精度差。变风量空调系统用变风量箱作为末端，由一次风或热水盘管提供温差，通过风阀比例控制调节室内温度，室内温度调节精度高。

（3）定风量系统与变风量系统的共同之处是：无论是定风量空调机组还是变风量空调机组都主导着一次风的送风温度和送风温差以及大部分的送风量，所以主导着大部分的冷热负荷量；而无论是风机盘管还是变风量末端箱都只为局部区域（房间）提供变化的冷热负荷，调节局部区域的温度。

目前国内的业界普遍感觉变风量空调系统难调，不成功的例子也屡屡出现，主要原因是对变风量空调系统没有充分的研究和理解。因为变风量空调系统需要控制的技术环节多，从设计、安装到调试，涉及多个单位和专业的共同合作，设计院、工程商、空调产品供应商、自控产品供应商等各个单位都必须理解整个系统的运行过程和自己负责的内容，暖通空调、电气和自控专业人员必须相互协调，共同研究解决设计、施工、调试中的每个环节的实际问题，才能达到设计目标。设计院应在设计阶段就完善各项设计内容，不留设计盲点；施工单位应严格遵守施工标准，在诸如控制漏风率、保温降噪、保证接口圆滑等方面细致工作；自控调试人员应仔细核准末端风量，扣除漏风量，计算风机送风量，调试最大、最小风量调节幅度，最后调试合理的送风温度，最终通过变风量（实际是变冷热负荷）实现对室内温度的控制。

2 设计概念和各参数间的关系

（1）负荷与送风量和送风温差的关系

负荷与送风量和送风温差的关系如下：

式中，Q为空调送风所要吸收的全热余热，以W为单位；L为送风量，以m3/h为单位；p为空气密度，以kg/m3为单位，可取1.2；c为空气定压比热，以kJ/kg℃为单位，可取1.01；Tn为室内温度；Ts为送风温度。

（2）变风量箱额定风量

变风量箱的额定风量或标准风量不是最大风量，而是最大风量和最小风量之间的中值。一般来说，额定风量是最大风量的85%，最小风量是最大风量的70%。

额定风量出现在室内温度等于室内温度设定值的时候。这时，温差为零，PID输出为50%，所以：

额定风量是变风量空调系统设计当中选择变风量箱的基本参数。

（3）变风量箱的最小风量

变风量箱的最小风量是以下因素综合的最大值：

①最小室内新风量，比如每人30m3/h。

②变风量空调机组的最小送风量，一般是风机最大风量的70%在变风量箱末端的分配额。

③使变风量箱利用效率最高的工作点（在风机最大风量50%～100%的较大风量区间内）。

④风量传感器的最小精度，即传感器能够测量的最小风量，可根据VAV控制器提供的最小动压1.9Pa计算出来。

（4）变风量箱的风量设定值

变风量箱的风量设定值可以利用室内温度与室内温度设定值之差的PID百分比，按照下式计算：

（5）变风量箱的风阀调节

调节变风量箱风阀的作用是令实测的风量值接近乃至等于风量设定值。VAV控制器自带风阀，通过浮点控制的方法实现风阀的正转/反转/闲置。当实测风量小于风量设定值，风阀正转；当实测风量大于风量设定值，风阀反转；当实测风量在风量设定值±死区的一半范围内时，风阀闲置。

（6）变风量箱的风量测量值

VAV控制器自带皮托管风速计，其原理是测量全压和静压之差，即动压。根据动压的平方根与风速成正比的原理，即可计算出风量，计算公式如下：

式中，VP为动压，即全压与静压之差，单位是in.H2O（英寸水柱），取值范围为0.008～1.0in.H2O（1.9～249Pa）；K为十字流量传感器放大系数之倒数，通过试验校正得到其范围为0.5～1.0；A为入口截面积，单位是ft2；V为风速，单位是ft/min（FPM），风速范围（K取1时）为350～4005FPM（1.8～20.4m/s）；F为风量，单位是ft3/min（CFM），风量范围（K取1时）即V与A的乘积，如变风量箱入口风管直径为0.2m，面积为0.031416m2，则风量范围（K取1时）为204m3/h～2307 m3/h。

（7）常用单位换算公式

（8）变风量箱的入口温度、送风温差

在变风量箱的入口风管中，与十字传感器同侧的位置上，内置有温度传感器，用于检测入口温度。入口温度是变风量空调机组送出的一次风到达变风量箱的入口处的温度，由于受到变风量空调机组的冷水盘管（或热水盘管）的电动阀控制的送风温度和风管温升（降）的影响，每个变风量箱的入口温度都因为风管的长度不同而不同。

变风量箱所提供的送风温差等于室内温度与入口温度之差，该温差与风量之积即送风冷（热）负荷，该负荷用于抵消室内冷（热）负荷的增加，如当两者相等，则室内温度保持不变。

由于变风量箱需要提供一定的冷（热）负荷，所以必须有一定的送风温差，一般为5℃～7℃。

以深圳夏季为例，室内设计干球温度为24℃～26℃，室内相对湿度≤65%，室外干球温度为33.5℃，室外相对湿度83%，变风量空调机组的机器露点温度为10℃～14℃。较高温度的新风湿空气和室内温度的回风干空气，首先通过盘管降至露点温度并除湿，经过风机温升后到达送风口的送风温度为16℃，如考虑风机和管道温升造成的冷损失为15%，风道漏风冷损失4%，则：

在深圳冬季，室内干球温度为20℃～22℃，室外干球温度为5℃。因为最大冷负荷出现在夏季，所以按照夏季条件计算出的冷负荷完全可以负担冬季的冷负荷需求。

（9）根据房间冷负荷计算变风量箱额定送风量

在设计院空调设计阶段，首先应根据设计规范和房间功能，计算房间最大冷负荷，再根据变风量箱的送风温差，计算变风量箱的额定送风量，公式如下：

式中，L为额定送风量，以m3/h为单位；Q为空调送风所要吸收的全热余热，以W为单位，取最大冷负荷值；p为空气密度，以kg/m3为单位，可取1.2；c为空气定压比热，以kJ/kg℃为单位，可取1.01；Tn为室内温度，可取平均值25℃；Ts为送风温度，可取最大值21.5℃；Tn－Ts即送风温差，可取平均值6℃。

如某房间，南朝向，外围护结构负荷692W，灯光负荷1755W，人体负荷显热213W、潜热112W、散湿量168g/h，总负荷全热余热2771W、显热余热2660W、余湿0.17kg/h，则：

（10）变风量空调机组额定风量

变风量空调机组的额定风量是风机能提供的最大风量，所以又称风机额定风量。风机额定风量应能满足风管上连接的全部变风量箱的最大风量需求并弥补风管漏风的损失。如按照漏风量占额定风量的4%计算，则：

（11）变频器控制特性与风机运行特性

变频器控制特性与风机运行特性有如下特点：

①变频器输出频率与风机转数成正比。

②风量与风机转数成正比。

③风机出风全压与风机转数的2次方成正比。

④风机功率与风机转数的3次方成正比。

⑤风管管道曲线随风量的减小而上翘。

⑥风道管道曲线在风机70%负荷时，流量趋零。

⑦应该选取U/f模式的变频器，以保证风机总效率达到最高。

⑧在风机管道送风的情况下，变频器的有效输出范围是70%～100%。

（12）变风量空调机组

在进行变风量空调机组的参数设计时必须考虑以下几点：

①满足冷负荷逐时最大值要求。

②风量末端在工作稳定点上还有±15%的调节性能。

③变风量机组不宜供热，因为：

◆ 当变风量空调机组同时服务于内区和外区时，不能解决内区只需要冷负荷的问题；

◆ 即使单独用一台变风量空调机组服务于外区，还是解决不了外区不同朝向在不同时段的冷热负荷变化的问题。

④变风量机组应该与变风量箱具有相同的压力特性，按以下方式搭配的变风量箱也应具有相同的压力特性：

◆ 内区单风道末端箱，外区单风道末端箱加热水盘管；

◆ 内区单风道末端箱，外区并联风机动力型末端箱加热水盘管；

◆ 内区并联风机动力型末端箱，外区并联风机动力型末端箱加热水盘管。

⑤变风量机组送风全压要大于末端最大全压，例如750Pa～1250Pa。

⑥变风量机组送风速度可在中速12.5m/s到高速20m/s之间选定。

⑦变风量机组送风温度要接近露点温度。

⑧变风量机组送风阻力需要重点考虑，考虑对象包括冷热水盘管、风管弯曲位置等；圆形直风管段的风道阻力很小，可以忽略不计。

（13）压力无关型变风量箱

VAV箱属于压力有关型还是压力无关型既与其自身有关，更与VAV控制器有关。

压力有关型（pressure dependent）是指风阀执行机构直接由房间温度控制。

压 力 无 关 型（pressure independent）是指风阀执行机构由送风量来控制，而送风量设定值由房间温度决定。

压力有关型VAV箱只有风阀执行器，没有风量检测装置，它受室内温度控制，不断改变开度调节送风量。由于温度变化滞后，但静压、风速和送风量参数即时快速变化的缘故，当变风量系统中各VAVBOX都在调节各自温度时，整个系统的静压将剧烈变化。再加上其控制模式采用静压控制法（即通过控制风机变频器，调节变频空调机组风机的风速，令风道最不利点的静压值恒定在设定值上），便造成了在系统调节过程中，由于调节速度过快，使得输送给各个VAV箱的送风量变化剧烈，从而引起末端送风量频繁出现“超调”或者“欠调”，使室内温度波动较大的情况。

压力无关型VAV箱针对以上缺陷，提出由温度决定送风量的设定值，控制送风量达到送风量设定值的解决方案。这样一来，原来滞后反应的控制参数（温度）被转化成快速变化的控制参数（送风量），控制参数（送风量）成为与静压和风速参数一样的即时变化值。在变频空调机组一侧，风机变频器的控制方式改成总风量法和变静压法共同控制的方式，保持较稳定的总管静压。“大步走”改成了“小步跑”，所以消除送风量“超调”或者“欠调”的情况，减小室内温度的波动。因此，带十字风量探针，VAV控制器配有风量传感器，由温度控制转化为送风量控制的VAV箱就是压力无关型的。

（14）全压、动压和静压

变风量末端箱的静压降总是小于全压降，这是因为进口风速远大于出口风速，动压降导致静压复得。全压等于动压与静压之和，全压降才是输送风量通过末端箱的能耗，所以变风量箱设计选型的依据是全压降而不是静压降。

应考虑到变风量箱带有多个风口，选择合适的风口和送风距离，计算需要克服的变风量箱摩擦阻力，得到需要的全压。

根据变风量机组送风全压和风速，减去总风管的损耗，计算每个变风量箱的入口全压和风速，以保证满足变风量箱调节和风口送风距离的要求。

一般常见的变风量箱入口全压在500Pa以下，静压在250Pa以下（这是为了给读者以数据的概念而给出的一般情况下的数据，具体的数据还需根据具体情况进行计算）。

3 设计案例

下面通过一个具体的设计案例来说明如何通过调节风量和改变送风温度设定点来调节室内一年四季的冷热负荷。

如某个变风量空调机组负责10个变风量箱。每个房间的室内设计温度是25℃，在风道内的送风温度是15℃，末端温差为10℃。每个房间的最大冷负荷是3000W，通过计算得到末端额定风量是890m3/h，即温差10℃，送风量890m3/h时，能够平衡室内3000W的冷负荷，将室内温度维持在25℃。最大风量是额定风量的1/0.85，即1047m3/h，最小风量是最大风量的70%，即733m3/h。风量与阀位的关系如表1所示。

表1 风量与阀位关系表

从表1中可以看出：当室内温度高于25℃的设定值，送风温度保持在15℃不变时，温差增大，额定风量下提供的冷负荷增大，可以弥补室内产生的少量冷负荷增加，使室内温度稳定在设定值；当室内冷负荷增加较大时，通过增加风量来增加冷负荷供给，可使温度回到设定值。当室内温度低于25℃的设定值时，温差减小，额定风量下提供的冷负荷减小，可以弥补室内产生的少量冷负荷减小，使室内温度稳定在设定值；当室内冷负荷减小较多时，通过减少风量来减少冷负荷供给，可使温度回到设定值。风量有±15%的变化，即冷负荷有±528W的增减量。

在夏季，风量变化提供±15%的冷负荷变化应该可以保证室内温度的稳定控制。但在春秋两季，室外温度降低，尽管风阀开度降低到70%，室内温度却还在降低，这时应该进一步减少风阀开度，降低温差？

如果所有变风量箱风阀开度小于70%，变频器也应该小于70%来平衡风量，但是根据风道特性曲线我们知道，风机输出小于70%时，风能已经非线性地减少到几乎为零，所以只有通过降低送风温差来减少冷负荷供给。反之，当变频器100%输出时，也只有通过提高送风温差来提高冷负荷供给。

当室外温度进一步降低，送风温差接近为零时，冷水机组应该停止，用室外新风作为冷源。

当冬季室外温度低于5℃，变风量箱应该启用热水盘管，利用空调热水为室内提供热负荷。通过控制送风温差与风量调节温度的方法与供冷情况类似，逻辑相反。