关于变风量空调系统的探讨及分析

林 婷 莹

(中国建筑西南设计研究院有限公司福建分公司，福建 福州 350000)

1 概述

变风量空调系统于20世纪60年代中期诞生于美国，经过多年的发展，变风量系统在技术上日益成熟。基于变风量系统的节能性，系统灵活性等优势，该技术在各国得到越来越广泛的应用。

定风量系统的送风量保持不变，通过再热等手段改变送风温度，来适应不同的室内负荷。变风量系统是指保持送风状态不变，利用改变送入室内的送风量来实现对室内温度调节的全空气空调系统[1]。由此可见，变风量系统能够充分利用允许的最大送风温差，节约再热量及与之相当的冷量；另外，由于变风量系统的风量减少，风机能耗相应降低。显而易见，变风量系统相较于传统的定风量系统而言，运行更为经济。

变风量空调系统由空气处理机组、送风系统、末端装置及自控装置等组成[2]，如图1所示。其中末端装置及自控装置是变风量系统的关键设备，它们可以接收室温调节器或大楼自动管理系统的指令，根据室温的高低自动调节送风量，以满足室内负荷的需求。

2 变风量末端装置的分类

VAV末端装置种类繁多，总体上可分为单风道型、风机动力型和旁通型[3]。其中，风机动力型还可根据增压风机与一次风风阀排列的位置不同，分为并联式和串联式。

2.1 单风道型

单风道型末端装置主要由室温传感器、风速传感器、控制器及电动风阀组成。单风道型末端运行时，空调机组的一次风经过末端内置的电动风阀送入空调区域，室内回风不经过VAV BOX。末端送风量的改变由电动风阀来实现。

单风道型末端装置有以下几点优势：

1)无风机，噪声小且耗电少，对于噪声有较高要求的场所较为合适。

2)末端装置体积较小，不占用过大的吊顶空间。

2.2 风机动力型

2.2.1串联式末端装置

串联式末端装置主要由室温传感器、风速传感器、电动风阀、风机和电机、控制器组成。串联式末端装置是指内置风机与一次风风阀串联设置，如图2所示。集中空调机组的一次风经末端内置的一次风风阀调节，再与吊顶内的二次回风混合后通过内置连续运转的风机增压送出恒定风量。在变风量箱内，一次风既通过一次风风阀，又通过增压风机。串联式末端内置风机的总送风量恒定，通过调节一次风风阀，改变一次风和二次回风的风量比，实现送风温度的变化，以适应不同的室内负荷。

串联式末端装置的优势如下：

1)当系统最小冷风量工况下，室内区域仍出现过冷时，利用二次回风的余热增加系统的送风温度，减少空调机组的再热能耗。

2)冬季工况时，末端内置风机诱导吸入内区吊顶内的回风，将吊顶内照明等余热转移至需要供热的外区，利用余热进行热回收，减少系统能耗，达到节能的目的。

3)末端的内置风机诱导吸入二次回风，使末端总送风量加大，极大改善了室内的气流组织。

4)一次风经过增压风机，增加风系统的余压，可解决下游阻力较大的BOX箱压头不够的问题。

2.2.2并联式末端装置

并联式末端装置主要由室温传感器、风速传感器、电动风阀、风机和电机、控制器组成。并联式末端装置是指内置风机与一次风风阀并联设置，如图3所示。集中空调机组的一次风经过末端内置的一次风风阀，不通过增压风机；在内置的风机开启时，增压风机诱导吸入室内二次回风；经过风阀的一次风与经过风机的二次回风混合后送入空调区域。

并联式末端装置有以下两种不同的运行方式：

1)内置风机关闭，变送风量定送风温度方式。该运行方式适用于夏季大风量供冷工况，风机出口止回阀关闭，送风温度不变，通过改变一次风阀的开度改变送风量，以适应室内冷负荷的变化，维持室温的恒定。2)内置风机开启，定送风量变送风温度方式。该运行方式适用于最小风量供冷或供热工况，该工况下增压风机开启，总送风量恒定，通过调节一次风风阀，改变一次风和二次回风的风量比，实现送风温度的变化，以补偿室内负荷的变化。

与串联式末端装置相同，并联式末端装置具有免费再热过低送风温度，以及冬季工况下吊顶内余热回收的优势。除此之外，并联式末端装置还有以下几点优点：

1)系统低风量运行时，通过增压风机旁通，末端装置风量加大，避免出现气流组织不畅的问题。

2)由于并联式末端装置的风机间歇运行，其耗电较串联式的少。

3)并联式末端装置风机风量一般为一次风设计风量的60%，远小于串联式末端内置的风机，所以并联式末端装置箱体占用空间较串联式的小。

2.3 旁通型

旁通型末端装置一般由分流器式风阀、旁通风口和控制器组成，如图4所示。当室内负荷减少时，通过分流器式风阀来减少送入室内的空气量，其余部分排入吊顶内回风管循环使用。送入房间的空气量是可变的，但空调机组的风量仍保持一定，因此风机能耗得不到节省。

3 变风量系统的设计

合理的设计是变风量空调系统节能运行的关键，大致可按照以下几点步骤进行：

1)确定空调分区，划分空调系统。

在同一建筑内，各个分区其围护结构、照明、人员等内扰外因的差异产生了不同的空调负荷。科学地把空调区域划分为若干个温度控制区域，更为精细地追踪负荷变化，有利于降低空调系统的能耗。空调最基本的分区是内区和外区，外区是直接受到围护结构日射得热、温差传热和空气渗透等负荷影响的区域。内区负荷主要由人体、灯光照明以及其他设备散热形成，该部分负荷波动较小，且全年均为冷负荷。进深小于8 m的房间无明显的内外分区现象，可不设内区，都按外区处理。影响外区的进深主要有外围护结构的热工性能以及气候条件等，一般外区进深可按2 m～5 m确定。内区温控区宜为50 m2～100 m2，外区温控区宜为25 m2～50 m2[4]。

2)冷热负荷计算。

计算各个房间及空调分区的逐时冷负荷及热负荷，作为空调机组及末端设备的选型依据。

3)供热方式的确定。

一般变风量系统的供热可通过以下两种方式实现：a.建筑进深小，不分内外区，全区采用冷热型末端装置，集中空调系统提供冷风或热风，通过末端装置输出实现供冷或供暖。b.空调区域分内外区，内区采用单冷型末端装置，外区采用带再热的末端装置或冷热兼用的风机盘管。集中空调系统全年送冷风，夏季工况时，内外区的末端装置供冷；冬季工况时，内区的单冷型末端装置供冷，外区由末端装置的再热器或风机盘管供暖。

4)计算各个空调分区的一次风量。

对于冷热型的变风量装置，其供冷时和供热时的最大风量应分别计算，取最大风量值作为选择末端设备的依据。各个空调分区的一次风最大风量应根据式(1)进行计算。一次风最小风量要综合考虑新风量和气流组织确定，一般采用最大风量的30%～40%。

(1)

其中，G为变风量末端最大风量，kg/s；Qx为房间或温控区的显热负荷，kW；tn为房间或温控区的干球温度，℃；to为空调系统送风干球温度，℃。

5)确定变风量系统的组合形式，选择末端设备类型。

为适应室内负荷的变化，变风量系统有多种组合形式，其特点及适用条件如表1所示。

表1 变风量系统不同组合应用特点比较

6)根据计算的风量，选择BOX的规格及参数。

7)根据气流组织合理性，合理分布风口。

由于变风量系统的特殊性，实际项目设计过程中，我们还需特别注意以下几点：a.风速对测量仪的测量精度有很大的影响，为保证风速测量的精准性，风速测量仪所在的那一段风管(即进入BOX箱前的那一段)，风速一般控制在3 m/s～10 m/s。b.气流的紊流程度同样影响风速测量的精度，为保证数据采集的准确性，进入BOX箱前至少有5D长的直管段来保证气流的均匀度。c.集中空气处理机组的风机余压应为AHU设计最大风量下的阻力及末端消耗的压力降之和。综合考虑出投资、能耗和全寿命周期后，末端所需的全压降建议取125 Pa～150 Pa[5]。

4 结语

相对传统定风量系统而言，变风量系统的控制更为复杂，对系统设计合理性和设备控制的要求较高。实际工程中，变风量系统存在的设计粗犷及设备控制调试不精准等问题，均严重影响系统运行的稳定性及空调节能效果。变风量技术对我国节能事业具有重要的意义，在研究及发展变风量技术这条道路上，我们任重而道远。