VAV空调系统运行中的问题分析和改造的研究

梁辰

【摘要】变风量（VAV）空调系统诞生于上世纪60年代，从最初的金茂大厦，VAV系统在上海已经发展了20多年。据不完全统计，上海采用VAV系统的大楼数量已经超过了100幢，而其中运行了超过10年的项目也不计其数。这些项目都运行得怎么样呢？作者所在公司恰好收购了位于上海静安寺地区的一幢11万平米写字楼，该项目采用VAV空调系统已运行了8年多。本文将对该系统运行中出现的问题进行分类总结，并研究如何通过改造来解决这些问题。

【关键词】VAV系统改造;VAV设备管理;管道风平衡

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.126

VAV空调系统因其更优秀的空气品质，已然成为甲级写字楼的标配。但使用VAV系统的大楼在实际的空调表现方面一定就是最优秀最好用的吗？使用VAV系统的项目，一定就能发挥出其应有的效能吗？答案是：不一定。近期，笔者作为一名机电改造负责人，有幸对此类大楼的VAV系统进行了深入研究，找出运行中的诸多问题。希望通过本文的总结，带给此类大楼的管理者更多的改造思路和管理上的思考。

1、VAV空调系统的主要组成、控制原理和系统优势

1.1 AHU（AirHandleUnit）空气处理机

AHU是VAV系统的一个重要部件，该设备位于每个楼层空调机房内，总共约100台，每台由4个主要传感器（见图1：《AHU空气处理器（VAV基本型）组成图》的字母标注）组成。分别是：1.风管压力传感器P：当采用定静压法控制时，压力点直接作用于变频器调节;2.风速传感器V：将风速值转换为送风量后，在总风量法控制时，提供总风量值供系统比对使用;3.二氧化碳传感器CO2：为系统提供二氧化碳浓度值，调节新风量，保持优质的空气品质;4.送/回风温度传感器T：实时提供系统送回风管内的温度值。由4个动作控制点（见图一：①～④）组成：分别是：①/②：冷热水阀门控制器。③：变频器。④.新风风阀控制器。

1.2 VAVBOX（Variable Air Volume BOX）

VAVBOX是VAV系统的末端装置。安装在楼层租户区内。每个楼层内外分区，共约50台。全楼共有1200多台。项目选用单风道型，每台由3个硬件点组成。分别是：1.温度控制面板：负责采集现场温度;2.一体化VAV控制器：根据现场温度和设定温度的比对，计算出需求风量，自动控制风阀开度，实现变风量控制;3.皮托管式风量传感器：实时采集送风量。其中VAV控制器作为一台小型DDC，出厂时需对应每台VAVBOX的规格进行一对一的程序标定（本文不作展开讨论）。

1.3控制原理和优势

AHU主要遵循如下控制逻辑：1.温度控制方面：冷热水电动阀门（①/②）根据送（回）风温度（T）与设定温度进行比较，PID调节阀门的开度，使得送（回）风温度渐近于设定值并保持出风温度恒定。2.空气品质方面：根据回风二氧化碳浓度（CO2）与设定值对比，PID调节新风风阀（④）的开度，使得回风的二氧化碳浓度趋向于设定值并保持。由于新风与回风充分混合，空气内含氧量的均匀度提升。并且通过AHU内部安装的初效过滤和静电过滤除尘（见图1所示），空气质量得到进一步提升。3.能耗控制方面：根据末端VAVBOX的温度探测器，通过自动累加需求风量，计算出楼层的总需求风量（总风量法）;或通过定静压压力点设定，根据末端VAVBOX阀门变化导致的压力变化（定静压法），AHU的马达通过变频器（③）实时调节风量，确保环境温度舒适且做到节能运行。

2、VAV空调系统运行中存在的问题分析

2.1驻场检查的工作内容

（1）对空调机房、新风机房内机组逐台检查。特别是风机马达和皮带、手动水阀、风阀、初中效过滤、静电除尘装置等。结合BA平台，对每台机组的启停、运行状态和反馈进行一对一的测试。在BA平台上反应的各机电设备逐一进行数据匹配检查。

（2）对已经退租的楼层，将天花拆除后，直观观察风管和VAVBOX的状态。结合BA平台，了解VAVBOX的运行情况。

（3）查阅近几年来的工程维修记录、租户报修和投诉记录，对大楼内空调有关的问题进行记录，归类分析。

（4）分别与整租层租户和分割单元租户代表交流谈心，收集他们对空调系统的直观感受和诉求。

（5）了解房屋竣工后8年来的租户变化，结合楼层的投诉和维修，进一步收集和归类分析问题点。

2.2问题的收集和呈现

经过1个月的检查和资料查阅，这幢运行8年多的VAV系统大楼的问题点，被一一呈现出来：

（1）主风管为轻软的玻纤材料制作，使用粘合剂配合熨烫工艺安装，经不起改造和管道内高压。由于二次装修在对风管进行二次改造时工艺不恰当，导致了风管的开裂。当风管内压力过大时，进一步加速了风管的破裂和漏风。再加上多年的使用，本身粘合部位存在老化，漏风和破裂更加严重并伴随有啸叫声。最终导致制冷制热效果不佳等问题的产生。

（2）针对大量租户反应的风太大、太小、风不均匀等问题，我们发现原设计的VAVBOX前端没有设置手动风阀，仅仅在风口末端设置。这样的方式，在经历了几轮租户更替后，会导致VAV的风平衡出现严重混乱。主要体现在：末端风口全开，风仍然很小或末端风口开一点点却风很大，各风口的风量不平衡。呈現出越接近空调机房主风管，风越大，越往后风越小的特征。有一些区域因租户二装改造时为了天花美观，私自将若干风口合并到一个风口，导致风特别大。也有租户将一个VAVBOX分到不同区域，通过很长的接管，导致末端没有风。更有租户内外区混接，导致负荷输送错误。

（3）通过与BA平台联合测试，发现了很多机组上的问题：1.很多AHU的送风温度不受控。原因是大量的冷/热水阀门工作在旁通状态下（即冷热水阀被旁通的手动阀干预后，电动阀失效的一种状态）。不少电动阀故障卡死没有及时更换，这也是为什么开启手动旁通阀的原因。2.电动阀从0%到100%，再从100%到0%进行着频繁地“开”与“关”，无法按设定的出风温度稳住阀门。3.变频器频率被设置为“手动锁频”。变风量变成了定风量。4.大量的传感器损坏或读数不准。如：风管压力、二氧化碳、温度传感器故障或数值偏离。特别是压力传感器，每台AHU压力传感器的数值有很大偏差。检查发现其安装位置存在问题。正确的最不利压差点应该位于主风管末端三分之一处，而现场被安装在空调机房主风管的出口处，导致数值波动大。当系统运行于定静压控制法时，变频器会伴随着压力波动而波动。这也就是为什么很多变频器处于固定频率的原因。

（4）通过与VAVBOX平台界面的联合测试。发现的问题有：1.接近5%的VAVBOX处于离线状态，风阀未开启，无风量显示。这也是导致室内出风不均匀的原因之一。2.BA平台上很多VAVBOX的温度显示不正确，或呈现出某种规律的不正确。这就误导了VAV控制器，使其错误地计算出了房间需求风量，导致区域风量不均，过冷过热。3.将AHU满频送风，通过累加所有VAVBOX在风阀全开状态下的风量数值，与AHU铭牌值进行比对后，发现效率低下，部分只有75%效率。检查发现的原因有：初效过滤和静电过滤堵塞（管理上疏于清洗或在二次装修时未对过滤进行保护，完成后未及时清洗导致）;电动机的皮带老化;个别楼层的总回风口被装饰材料遮挡;还有些整租楼层，因小租户更换走道天花材料，回风根本无法到达天花内，等等。

3、关于VAV空调系统改造的研究

在使用中的写字楼内展开改造，是一件非常困难的事情。更何况要在上海静安寺地区的一幢11万m2写字楼内。我们采取了“腾挪”改造的原则。即：退租的楼层立即进行整层改造。对正在使用的楼层，按租约排定改造計划。小单元租户在租约到期后约谈退租或腾挪至已改造完成的楼层续约，整租单元则建议换层续约。就这样，一场为期3年的整改工程开始了。以下篇幅将针对“VAV空调系统的改造”结合上一章节分析的问题点，逐一提出改造措施：

3.1设计不合理点的改造

3.1.1风管的改造

将玻纤材料的主风管更换为铁皮风管，彻底解决漏风和啸叫。也彻底解决了各种故障导致的管内压力过大对风管的破坏;在主风管的拐弯处设置导风装置，减小风力损失。

3.1.2  VAVBOX安装位置的优化改造

将部分位置不合理的VAVBOX移位。原则是：必须保证VAVBOX与主风管有一段足够长度的直管段。一般控制在VAVBOX出风口尺寸的4倍;VAVBOX的位置因尽量利于将来风口的安装，风口接出的软管不应过长，必须要延长的，应设置足够的硬管段。外区VAVBOX的安装应考虑梁高，部分可利用原有梁上的预留洞，部分则需要进行非标改造。在所有VAVBOX的前端设置百分比型的手动阀门。保留VAVBOX出风口的阀门，用于风量的微调。

3.1.3压力传感器的位置调整

将安装于空调机房内（空调主管出风口）的压力传感器拆除，移位到主风管末端1/3处的最不利压差点上。相应与BA系统连接的管线一并调整。

3.1.4装饰管理和检查

将单元走道隔间墙上被二装拆除的风阀集中检查并恢复。个别被阻挡的总回风口，全部按要求恢复正常尺寸。走道天花正确设置回风口，做到回风通畅。

3.2疏于管理导致问题的改造

3.2.1传感器和执行器的检查和维修

集中检查AHU、PAU内所有重要传感器和执行机构。包括所有参与控制的重要参数点位如：频率、风管压力、风速、二氧化碳传感器等。发现损坏及时维修或更换。但在执行机构的更换中，遇到了比如：冷热水阀执行机构和阀体因紧贴风管壁，无法拆解，需切除水管;传感器插管位置不佳，无法更换等困难。这些细节在一次施工安装时应格外注意，做到施工需考虑维修。

3.2.2 VAV控制器、温控器的检查和维修

将损坏的VAV控制器从VAVBOX中拆下换新，替换后需注意拨码和原控制器保持一致。在对VAV温控器进行维修替换时，终于找出了温控器温度呈现出某种规律性不正确的原因是：不同年代、不同型号规格的温控器，其温度变量名不同。需根据不同的温控器，制作不同的VAVBOX程序。在替换完温控器后，必须有针对性得重新写入程序。这类有规律的温度错误得以解决。

3.2.3风平衡与二次装修管理

风平衡调试是否正确实施，是VAV系统调试的重中之重，更是VAV系统成败的关键。为此，我们设计了《VAV风平衡调试表》（见下图），用于确保每个楼层的VAV都经过正确的风平衡调试。而这些调试资料将被存档，用于指导将来的二次装修改造。过去，由于设计上的缺陷，VAV风平衡调试仅采用调节末端风口阀门的方式进行。二次装修时，一方面由于末端风口数量太多，一不小心就打破了风平衡;另一方面，虽然末端的风可以手动关小，但经过VAVBOX本体的风量减小必须依靠VAVBOX的阀门来实现，这样一来就造成某些大风量BOX的风压增大，噪音增大。通过在VAVBOX前端加装比例型手动阀，可以非常顺利直观地减少进入VAVBOX的风量，完成风平衡调试，也更利于记录存档和二装管理。

二次装修的单位在进行负荷设计和配置时，必须根据风平衡记录来进行。不得随意调整VAVBOX的位置，不得随意改变VAVBOX前端的手动阀门开度。使风平衡的劳动成果能保持到二装完成。物业管理单位应要求二装单位完成装修后提供详细的风平衡测试资料存档。倘若二次装修对VAVBOX有重大改变，需按改造方案，对二次装修后的风平衡进行重新调试和记录。物业管理单位的工程师也应当在必要时候介入二装的风平衡调试。在租户退租后，应当特别重视复原工作，记录和更新好每个楼层的风平衡数据，以便下一个租户进入装修。风平衡的调试方法本文不作展开讨论。

3.2.4物业管理的重点

（1）做好设施设备的定期巡检和更换。特别是与控制有关的各类传感器和控制部件。（2）做好AHU的定期维保，对初中效过滤和静电过滤进行清洗保养，避免堵塞，提高出风效率;马达皮带一旦松脱或损坏应立即更换;定期使用前文提到的AHU总风量值与租户VAVBOX累加值比对法，检查AHU的出风效率。（3）加强租户二装的审图。原则上不允许移动VAVBOX位置，温控器尽量安装于回风口附近等。管理好风平衡，按照拟定的《VAV风平衡调试表》进行风平衡管理。（4）规范人员的操作。原则上，必须通过BA平台来完成客诉和相关参数的设置，不允许物业人员私自对空调机房的进水阀、手动旁通阀、变频器频率进行干预和调节。看上去问题可能马上得到解决，但从此留下了失控的后遗症，这是物业管理过程中特别需要注意的。（5）在物业的定岗中，弱电和空调是两个相对独立的专业岗位，BA这个跨专业平台由谁来操作，成了物业工程经理头痛的问题。所以，物业管理在人员招聘录用时，应当重视对BA操作人员专业能力考核，并在录用后加强培训。这也是VAV系统后期能顺畅和科学运行的关键。（6）在二次装修过程中，物业管理还要多注意观察建筑内外结构，针对某些冬季特别寒冷的单元和区域，要仔细检查，排除建筑幕墙漏风的可能。

3.3 BA平台控制逻辑的选定和VAV控制器的升级改造

3.3.1控制逻辑的选定

在选择采用总风量控制法还是定静压控制法时，产生了一些犹豫。考虑到本项目的实际情况，存在楼层分区域改造的实际困难，且改造的过程将非常漫长，最后决定选用新装的位于“风管末端1/3处”的最不利点压力传感器作为控制的关键点，实现定静压控制的VAV控制方案。特别是楼层风管更换为铁皮风管后，定静压控制法的实施将更加稳定可靠。但在实施过程中，压力点的选取成为了一个难题，主要在于内外区的压力偏差极大。末端1/3位置选取不易。但最终经过插管实验，选到了几个压力穩定的区域，使得系统正常运行。所以在选用定静压控制法时，如何正确选择“最不利压差点”，是重中之重。

3.3.2部分参数的优化调整

针对部分电动阀从0%到100%，再从100%到0%进行着频繁地“开”与“关”，无法按设定的出风温度稳住阀门的问题，我们将系统内PID设置有关的参数进行了反复调整测试，最终实现了稳定。需调整的设备有：冷热水电动阀、变频器频率、新风阀等。这是一个需要反复测试的工作，没有绝对的经验值。

针对定静压控制法的“最不利点压力值”设置，也需要调试人员在判断现场后，重复测试设定。并没有办法预先计算出一个最优的设定值。

3.3.3 VAV控制器的改造升级

楼层VAV控制器使用了8年，损坏量大约60个，占总量的5%。温控器损坏100多个，大部分为几次拆装后的人为损坏。VAV控制器是江森N2协议的产品，但如今随着BACnet协议的普及，N2协议的产品陆续停产和淘汰，给这次改造升级带来了困难和挑战。经过研究和实验后。我们选择新增一台江森品牌支持BACnet协议的NAE（见图3《VAVBOX改造升级示意图》），负责承担31～33层（选择这三个楼层是因为高区每层VAV数量只有30个，三个楼层累计恰好满足一根总线的要求，且三个楼层恰好为空租楼层，适合整体升级）共约90个VAV控制器和温控器的连接。替换下来的控制器及温控器用作维修备品自然消耗。因为BACnet协议的NAE需要运行在江森ADS9.0系统下。所以我们原先计划安装一台新的PC工作站，将原来的运行ADS5.0的PC淘汰，并将系统下所有的N2协议的NAE移植到新PC中，一并升级为ADS9.0。但意想不到的是，N2协议的NAE经过多次测试，无法在ADS9.0系统下运行。在对N2协议的NAE进行最新版本的升级后，也没有取得成功。最终只能两台工作站，一台运行ADS9.0，一台运行ADS5.0。留下了些许遗憾，

因为运行ADS5.0的计算机运行了8年，我们在合并升级未果的情况下，希望将电脑换新，但碰到的问题是新电脑无法运行WindowsXP，而ADS5.0必须在XP环境下运行。为解决此问题，我们使用WindowsServer2000作为操作系统进行尝试，得以实现电脑的替换。

总结：

经历近3年的改造，我们深刻认识到：VAV空调系统并非一个独立的空调系统，而是一个结合了智能化、机电所有学科的综合系统。如何管理好这样的VAV项目，是当下放在开发商和物业面前的课题。作者以亲身经历，抛砖引玉，在文中给出了一部分的答案和结论。希望留给各层面的管理者一个深刻的思考，让VAV空调系统发挥出其应有的效能。

参考文献：

[1]王秉虎.变风量空调系统调试技术及调试过程中常见问题分析[J].安装，2020，（10）

[2]周治.变风量空调系统智能控制研究[D].西安科技大学，2020-07-01

[3]宣明.浅论变风量空调系统的设计[J].建筑.建材.装饰，2020，（17）

[4]叶大法，杨国荣.VAV空调系统设计[M].中国建筑工业出版社，2007年