变风量空调的的能耗分析

李兰花（阿自倍尔自控工程（上海）有限公司，上海 200233）

变风量空调的的能耗分析

李兰花
（阿自倍尔自控工程（上海）有限公司，上海 200233）

变风量空调系统是通过改进送入房间的风量来满足室内负荷的变化，根据瞬态负荷来确定送风量，送风量随负荷的变化使变风量空调系统具有较大的节能效果，高效的节能系统不管是对空调本身或是对人们生活产生的影响都是非常重要的。本文介绍了定静压控制，总风量控制，最小阻力控制等方法，通过比较变风量空调系统控制方法，阐明了变风量空调系统的节能效果。

变风量空调系统 定静压控制 总风量控制 最小阻力控制 节能

1　变风量空调系统基本概念

1.1变风量空调系统定义

变风量空调是指，在送风温度不变的条件下，通过改变风量的办法来适应负荷变化。而风量的变化是通过专用的变风量末端装置来实现的。变风量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。在同一空调系统中，各空调区域内设置变风量末端送风装置，可以根据区域需求，调节所需风量，满足不同温度控制需要，节省运行费用。

空调系统中建筑物最大冷负荷直接决定空调系统的大小。对于空调房间来说，客观上存在着一些干扰因素影响房间热、湿负荷，如太阳辐射、建筑物朝向、室内的设备、照明、人体活动。这些都会引起房间逐时负荷的不同。VAV系统是根据瞬态负荷来确定送风量，送风量随负荷的变化使VAV系统具有较大的节能效果。

1.2国内外发展概况

变风量（Variable AirVolume）空调系统于20世纪60年代起源于美国。在当时定风量系统加末端再热和双风道系统在很长一段时间内占据舒适性空调的主导地位，因此，变风量系统出现以后并没有立刻得到推广，直到1973年西方石油危机之后，能源危机推动了变风量系统的研究和应用，此后40年中不断发展，如今已经成为美国空调系统的主流。

在日本，将变风量空调方式用于低速送风系统的研究与开发值得关注。由于传统的皮托管流量传感器在5m/s的风速下难以测定，因此日本开发研究了超声波流量传感器和电磁式流量传感器等多种适用于低速送风系统的前端设备，一方面节能，另一方面降低了风管噪音，因此，进入90年代以后，无论是新建还是70年代以前建造的空调系统的翻新改造，基本上都采用变风量空调系统。

我国在70年代即有人研究VAV系统的开发和应用，风量空调技术，也在不断地发展和完善。目前，在国内智能建筑的高速发展过程中，急需全面深刻地分析变风量空调系统的发展趋势和技术关键，总结工程实例，促进这一重要技术的平稳发展。

1.3变风量空调系统的组成

1.3.1空气处理设备

空气处理设备一般都安装在单独的空调机房里，或安装在建筑物的屋顶上。空气处理设备有普通的新风格栅、新风阀和回风阀、预热器、表冷器和送风机组成。表面冷却器即可以是直接蒸发式，也可以是冷水式，但在大型民用建筑中，绝大多数都是采用冷水式。

1.3.2送风系统

VAV系统从送风机到各末端装置的送风系统，一般都是一个中速中压系统。在一个大型VAV系统中，由于受到安装空间的限制，其送风主干管甚至可能采用更高的风速。由于系统在运行时要求风管内要有一定的静压值，所以需要一个强度较大、密封性好的风管系统，以防止出现空气的渗漏以及由于风速较高而防止因风管振动产生有害的噪音。支管通常采用一定压力的圆形软管，将主风管和末端装置连接在一起。

1.3.3末端装置

末端装置是VAV系统的关键设备，通过它来调节送风量，补偿变化着的室内负荷，维持室温。一个VAV系统运行成功与否，在很大程度上取决于所选用的末端装置性能的好坏。末端装置的种类很多，构造各异，但他们都要有进风短管、消声腔、风量调节器、控制阀等几个基本部分组成。有的末端装置还和送风散流器连成一体。

2　变风量空调系统控制方法

2.1定静压控制

定静压控制的基本思想是为了节能，应尽量减少风道中的静压。其工作原理是在系统中由于VAV BOX 控制器根据室内负荷变化来调整末端出风量满足负荷要求。出风量的变化引起系统管路中静压变化，静压传感器测量静压变化并传递给风机变频器DDC，变频器DDC根据静压变化信号，去控制空调机电机转速，调整总出风量，维持送风管路系统的静压恒定

定静压控制有以下缺点，最佳定压值很难设定，静压设置过低或者过高都会出现问题，静压设定过低，则会出现有些房间达不到要求风量；静压设定过高，则风机不停地高速运行，节能不思想，且噪音很大。

2.2变风机转速的总风量加阀位反馈控制

变风机转速的总风量加阀位反馈控制的特点是不使用压差传感器，利用各个VAV末端的信息（风量和阀位）来控制风机转速，并且动作响应快，控制精度高，节能效果好。

总风量控制法在实际应用上一般不会引起室温失控的问题，但转速偏低引起风量不足。风量不足造成的室温偏差将在以后的控制中随着总要求风量的改变，风机转速将得以修正。转速偏高引起的静压偏高将被风阀关小而吸收，由此而产生一定的风机动力浪费。

2.3最小阻力控制

所谓最小阻力控制，就是当变风量系统的总流量发生变化时，通过风机的变转速控制，在保证各空调VAV末端（空调机）流量要求的前提下，始终保持全系统中至少有一个，或一个以上的VAV末端的风阀开度处于全开状态，以此来达到变风量系统的阻力损失始终最小的风机转速控制目的的控制方法。

最小阻力控制的效果，整个VAV空调系统的风量控制精度高，不出现过冷过热现象，转速控制响应快，不使用静压传感器，并且节能。其次是无需测量风管静压，排除了讨论静压传感器的安装位置和设定值等实际应用中的不定因素，在风机扬程可及的条件下，不管风管系统设计如何，绝对保证各VAV末端不出现倒抽风现象。

最小阻力变静压控制的控制目标是以维持VAV末端风阀开度全开为控制目标。传统的定静压控制，以及变静压控制方法之一的总风量控制均没有以维持VAV末端风阀开度全开为控制目标，因此

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……

不能取得理想的控制精度和理想的节能效果。最小阻力变静压控制法应用了前馈控制+反馈控制的现代控制技术。最小阻力变静压控制法一边根据总要求风量给出前馈控制信号，一边根据VAV末端风阀阀位给出反馈控制信号，用前馈控制和反馈控制的合成信号作为风机变频器的转速控制信号。

最小阻力变静压控制法由于采用了VAV末端的阀位信号作为反馈控制信号，控制逻辑中包含了只要有一个VAV末端的风阀开度超出全开，风机转速就逐步增加，直至没有一个VAV末端的风阀开度超出全开为止的控制动作。形象的说，最小阻力变静压控制法相当于在每个VAV末端入口装了一个静压传感器。所以，最小阻力变静压控制法首先确保了防止个别VAV末端出现倒抽风。

同时，当没有风阀开度超出全开的VAV末端时，控制逻辑又逐步提高风机转速，直到实现VAV末端风阀达到全开的控制目标。此时的状态为最小静压状态，对于现设计的风道系统，最小阻力变静压控制不能保证完全消除VA V末端风阀ON/O FF动作的可能性，但是它最大限度地减小了VA V末端风阀ON/O FF动作的可能性。由于最小阻力变静压控制法以VAV末端风阀达到全开为控制目标，所以可以说它实现了AHU风机最大限度的节能。

另外，当空调负荷发生巨大变化时，最小阻力变静压控制法以总要求风量为前馈信号，使得风机转速发生大幅度变化，从而实现快速追随反应负荷的变化。

由于最小阻力变静压控制法没有使用串级控制，也没有使用中间变量，较好的解决了快速反应和精确控制的矛盾。同时，最小变静压控制法的控制逻辑中只有一个调试参数，而且几乎所有的工程都可以使用同一参数。当VAV末端控制器给出出厂默认值时，可以免去现场调试。因此，变静压控制的调试工作甚至比定静压控制还要简单。

假定主风道定静压设定值为300 Pa，AHU设计风量为30000 m3/h，风机效率为80%，维持静压所需风机功率为3.7kW。年平均风量为15000 m3/h，年运行时间为12（小时）′25（天）′12（月）= 3600小时，维持定静压所需年耗电为6660kWh，按1.0元/kWh的电费来计算，维持定静压的年运行费为6660元/年台。

最小阻力控制的年平均静压为定静压的45.75% （30%，50%，75%，100%的风量各占25%），节省能耗也为定静压控制定压能耗的45.75%。即节约电费为6660*（1-0.4575）=3613元/年。如果一个房间省这么多，那有100个房间，一年能省361300元，这个节省费用是非常可观的。

3　结语

变风量空调系统是通过改进送入房间的风量来满足室内负荷的变化。由于空调系统大部分时间是在部分负荷下运行，所以风量的减少也带来了风机能耗的降低。其中最小阻力变静压控制方式是控制最为理想最为节能的控制方法。