變風量系統基本原理與控制策略

變風量系統基本原理與控制策略

提要：本文主旨指導初學者了解一些變風量系統的基本概念，提供變風量系統設計流程及設計方案選擇指南，同時著重介紹Onyx-2000變風量系統基本控制策略。

一、 變風量空調系統基本概念

1.1 變風量空調系統定義

    眾所周知，變風量空調系統是通過改變送風量也可調節送風溫度來控制某一空調區域溫度的一種空調系統。該系統是通過變風量末端裝置調節送入房間的風量，并相應調節空調機（AHU）的風量來適應該系統的風量需求。變風量空調系統可根據空調負荷的變化及室內要求參數的改變，自動調節空調送風量（達到*小送風量時調節送風溫度），以滿足室內人員的舒適要求或其他工藝要求。同時根據實際送風量自動調節送風機的轉速，*大限度地減少風機動力，節約能量。

1.2 國內外發展概況

    變風量(Variable Air Volume)空調系統于20世紀60年代起源于美國。在當時定風量系統加末端再熱和雙風道系統在很長一段時間內占據舒適性空調的主導地位，因此，變風量系統出現以后并沒有立刻得到推廣，直到1973年西方石油危機之后，能源危機推動了變風量系統的研究和應用，此后20年中不斷發展，如今已經成為美國空調系統的主流。

    變風量系統在發展初期,因支管風量平衡的需要和控制設備的局限,大多要求采用高速送風系統,主要送風速度在12.5m/s以上,并且推薦采用靜壓復得法設計風管系統。盡可能地采用圓形或橢圓形風管,以減小摩擦阻力。但是高速送風系統的風機耗能大,且管路系統噪音增加。隨著壓力無關型VAV BOX基本上**取代壓力相關型VAV box及DDC控制器的發展,于是變風量空調方式在低速送風系統中的應用越來越普遍。

    在日本,將變風量空調方式用于低速送風系統的研究與開發值得關注。由于傳統的皮托管流量傳感器在5m/s的風速下難以測定,因此日本人開發研究了超聲波流量傳感器和電磁式流量傳感器等多種適用于低速送風系統的前端設備,一方面節能,另一方面降低了風管噪音,因此,進入90年代以后,無論是新建還是70年代以前建造的空調系統的翻新改造,基本上都采用變風量空調系統。

    我國在70年代即有人研究VAV系統的開發和應用，并在地下廠房、紡織廠、體育館等建筑中就采用過VAV系統。在80年代末期我國出現的首批智能化建筑中，也曾采用過VAV系統，但由于建設過程和使用過程中的種種問題，有些工程兩三年后使用單位便取消了變風量系統的運行方式，相應的自控設備也拆除了，這使得變風量系統的優點沒有發揮出來，變風量系統附加的投資難以得到回報。在此期間，變風量空調技術(包括控制技術和設備)，也在不斷地發展和完善。目前，在國內智能建筑的高速發展過程中，急需**深刻地分析變風量空調系統的發展趨勢和技術關鍵，總結工程實例，促進這一重要技術的平穩發展。

1.3 變風量系統的特點

1.能實現局部區域（房間）的靈活控制，可根據負荷的變化或個人的舒適要求自動調節自己的工作環境；不再需要加熱方式或雙風道方式就能適應多種室內舒適要求或工藝設計要求；完全消除再加熱方式或雙風道方式的冷熱混合損失。

2.自動調節各個空調區域的送入能量，在考慮同時使用系數的情況下，空調器總裝機容量可減少10%-30%左右。

3.室內無過熱過冷現象，由此可減少空調負荷15%-30%左右。

4.部分負荷運轉時可大量減少送風動力，根據理論模擬計算，全年平均空調負荷率為60%時，變風量空調系統（變靜壓法控制）可節約風機動力78%。

5.可應用于民用建筑、工業廠房等各類相應的場合?？蛇m應于采用全熱交換器的熱回收空調系統及全新風空調系統。

6.可避免凝結水對吊頂等裝飾的影響，并方便二次裝飾分割。

    總之，變風量空調系統較定風量空調系統和風機盤管系統而言，具有舒適、節能、安全和方便的優點，已得到越來越多的采用。

1.4 變風量系統的構成

1．VAV裝置

    VAV空調系統的運行依靠稱為VAV裝置的設備來根據室內要求提供能量控制其送風量。同時向DDC控制器傳送自己的工作狀況，經DDC分析計算后發出控制風機變頻器信號。根據系統要求風量改變風機轉速，節約送風動力。*常用的VAV裝置原理如圖1-1所示。主要由室內溫度傳感器、電動風閥、控制用DDC板、風速傳感器等部件構成。大部分采用可換式通用設備，控制系統多為各設備廠家自己開發。像風速傳感器就有多種型式，如采用超聲波渦旋法、葉輪轉子法、皮托管法、半導體法、磁體法、專線法等磚利產品。

圖1-1  VAV裝置原理圖

     如圖1-2所示的VAV裝置常常被稱為FPB（Fan Powered Box），即風機動力型末端。

    其特點是根據室內負荷由VAV裝置調節一次送風量，同時與室內空氣混合后經風機加壓（或一次風不經風機加壓與加壓室內空氣并聯）送入室內，以保持室內換氣次數不變。該方式加設了風機系統，成本提高，可靠性、噪聲等性能指標有所下降。

2．DDC控制器

    DDC控制器的主要功能是根據系統中各VAV裝置的動作狀態或風管的靜壓值（設定點），分析計算系統的*佳控制量，指示變頻器動作。在各種VAV空調系統的控制方法中，除DDC式外，其他方法均設置獨立式系統控制器。

3．變頻風機（空調機）

    VAV空調系統常采用在送風機的輸入電源線路上加裝變頻器的方法，根據DDC控制器的指示改變送風機的轉速，滿足空調系統的需求風量。

1.5 變風量系統的分類

     一般地，可以把變風量系統按周邊供熱方式和變風量末端結構兩方面進行分類。

（1）按照周邊供熱方式的分類(內部區域單冷)

①  內部區域單冷系統。即是指在空調內區采用的變風量空調形式，一般地不帶供熱功能，下面幾種形式均是以采用內部區域單冷為前提的。

②  周邊散熱器系統。散熱器設置在周邊地板上，不用冷、熱空氣的混合來控制空氣溫度，一般采用熱水或電熱散熱器，具有防止冷氣流下降、運行成本低、控制簡單等優點。但需要**計算冷卻和加熱負荷，以避免冷熱同時作用。在國外一些豪華考究的設計中，常采用頂棚輻射散熱器提供更舒適的空調環境。

③  風機盤管周邊系統。風機盤管可以是四管式，也可采用冷熱切換二管式，或單供熱二管式。風機盤管采用暗吊時不占用地板面積，同樣具有運行成本低、控制簡單的優點。夏天由于吊頂內仍保留冷水管及凝水盤，天花板仍有發生水患的可能。

④  變風量再熱周邊系統。在變風量末端裝置中加再熱盤管，一般采用熱水或電加熱盤管。該系統比雙風道系統初投資更低，比定風量再熱系統節約能源，盡管同樣不占用地板面積，但控制程序復雜。

⑤  變溫度定風量周邊系統。該系統的特點是送風量恒定，通過改變一次風與回風的混合比例來調節房間溫度?；仫L全部吸收燈光熱量再送出，因而節能。初投資較雙風道系統低，控制也較復雜。

⑥  雙風道變風量周邊系統。該系統的優點是能量效率高，當采用兩個風機時，可利用燈光發熱，在所有時間內，由于冷卻和加熱的交替功能，可以獲得*小的送風量。但初投資較高，控制較復雜。

⑦  轉換變風量系統。加熱和冷卻均由一套風管系統通過冬夏轉換承擔。其缺點是溫度控制不靈活，當建筑物有若干個區時，不能由一套系統來控制，例如不能同時滿足一個區域需要加熱而另一個區域需要供冷的要求，這時就需要劃分若干個轉換系統。

（2）按變風量末端的結構分類

     按調節原理分，變風量末端可以分成四種基本類型，即節流型、風機動力型(Fan Powered)、雙風道型和旁通型四種，還有一種是在北歐廣泛采用的誘導型。

①  節流型

     節流型變風量末端是*基本的變風量末端，其它如風機動力型、雙風道型、旁通型等都是在節流型的基礎上變化發展起來的。所有變風量末端的“心臟”就是一個節流閥，加上對該閥的控制和調節元件以及必要的面板框架就構成了一個節流型變風量末端。

②  風機動力型(Fan Powered)

     風機動力型是在節流型變風量末端中內置加壓風機的產物。根據加壓風機與變風量閥的排列方式又分為串聯風機型(Series Fan Terminals)和并聯風機型(Parallel Fan Termina1s)兩種產品。所謂串聯風機型是指風機和變風量閥串聯內置，一次風既通過變風量閥，又通過風機加壓；所謂并聯風機型是指風機和變風量閥并聯內置，一次風只通過變風量閥，而不需通過風機加壓。根據美國TITUS公司提供的資料，串聯風機型和并聯風機型的比較見下表：

③  雙風道型

    一般由冷熱兩個變風量末端組合而成，因其初投資昂貴，控制較復雜而較少得到使用。

④  旁通型

    這是利用旁通風閥來改變房間送風量的系統。由于其并不具備變風量系統的全部優點，因而在有些論文中稱其為“準”變風量系統。該系統的特點是投資較低，但節能卻很小，因為有大量送風直接旁通返回空調設備，并不怎么減小風機能耗，所以目前使用也不多。

    以上4種系統目前設計使用較多的是風機動力型和節流型。串聯風機型加上空調水系統大溫差設計成為北美空調設計的特色。

⑤ 誘導型

    誘導型VAV box的原理是通過一次風（可以是低溫送風）誘導室內回風后再送入房間。與FPB相比，節約了末端的風機能耗，但空調和風機動力增加，這種方式在北歐廣泛采用，特別是醫院病房等要求較高的場合。

1.6 變風量系統設計方案選擇指南

    有兩種大相徑庭的設計風格可供設計師選擇。其一是所謂日式風格，以種類繁多——周邊窗際熱環境表現手法為特點，其二是所謂的美國風格，以大溫差蓄冷空調系統特點FPB為發展方向，下面介紹美式風格的設計方法。

    當暖通設計者們在設計大樓空調系統的時候，他們有很多不同的系統可選，但要決定*終選擇哪一個并不是一件容易的事情。設計者設計的方案必須滿足業主的安裝要求，操作要求和運行費用的要求。設計者必須同時考慮到設備的性能、容量、可靠性和空間的要求及限制條件。下面就講述一下不同類型設備的應用、限制條件和局限性。

1.建筑功能

    當設計者在開始考慮選用哪種系統時，他首先應該考慮清楚這個大樓的功能。辦公室建筑的系統每天是按時間表進行運轉的，在美國通常采用風機動力型末端裝置。在建筑外區一般使用有輔助加熱器的風機動力型末端。裝有這類末端裝置的獨立分區，它的調節具有很大的靈活性。

2.建筑尺寸

    在大型建筑中，中心空氣處理器根據各區不同的需要將大量的空氣送出去。這是風機動力型末端裝置的一個典型的應用。內區可能根本就不需要加熱，所以既可采用單管系統，也可采用無加熱盤管的風機動力型系統。除了熱帶地區，外區通常都是需要加熱的，可選用電加熱盤管或熱水盤管。這些盤管一般都包括在末端裝置中，有時還需要加熱基礎板。

    在一些購物大廈，或其他的低層建筑中，每個租戶的面積很小，所以一般采用小型的成套的空調設備。如果采用風機動力型末端則一般選擇旁通型。這種系統的主要特點是在送風管上裝有一個主要的旁通閥。旁通閥根據送風管道內的靜壓進行調節。這樣就可以保持壓力恒定，保持系統在定流量下運行，而且各個獨立分區都是壓力相關型VAV。

3.噪聲限制

    像廣播工作室，劇場和圖書館這些地方要求低噪聲，設備的選擇和安裝位置是非常重要的。如果采用風機動力型末端，就必須仔細的檢查設備的噪聲性能。如果是設計電視播音室，那么還要考慮RFI和EMI。

4.環境因素

    環境因素包括氣候和建筑內外的氣流情況。同時還包括規范中的要求比如說新風通風率以及當地建筑標準。如果內區要求的通風速率很高，那么就需設置再加熱器。在圖書館這樣高通風率的地方，如果同時開啟多個通風櫥就需要進行再加熱。在有些區域，比如說高層辦公室建筑的外區，季節、日照負荷和人員占用情況對區域影響很大，**中區域的負荷變化很明顯，在這種區域選用風機動力型末端是比較理想的。在負荷比較穩定的地方常選用單風道系統。

5.污染考慮

    污染問題在醫院，潔凈室和實驗室里顯得尤為突出。手術室，艾滋病患區域和潔凈室都有壓力要求。除了壓力要求以外，還要盡量避免使用再加熱盤管和暴露在外面的玻璃纖維，消除微生物滋生的可能性。醫院的房間和潔凈室通常需要穩定和高效的通風率，所以宜選用雙風道裝置。具有高度傳染性的房間，比如說肺結核，就需要對它進行負壓控制避免病菌傳播。使用有害物質的實驗室也需要進行負壓控制。在這類型的建筑中，一般都是選用單風道或雙風道系統。

6.維護和可行性

    一些特殊類型的房間如潔凈室，它需要末端裝置具有高可靠性，因為這關系到服務水平和設備維護的困難和費用。例如潔凈室，如果天花板必須是打開的，那在使用前就必須將房間進行**。相關費用包括損失的生產時間和**的費用。在這種情況下，設備應該安裝在潔凈室的外面或應該使用具有高可靠性，低維護的設備。

7.費用因素

    在*終確定設備方案以前就應該將費用考慮好。安裝費用，運行費用和維護費用都應該考慮進去。有時候其中的某一項費用會顯得比較重要。例如，如果業主在大樓建造以前就將它賣掉，那么業主*關心的就是建造費用，運行費用就不是那么重要了。如果是由租戶自己來付水電費，那么建筑商或開發商就不太關心運行費用。電加熱盤管比熱水盤管的安裝費用低，但是它們的運行費用較高。在做*后決定以前，應該對當地定價做好調查以便做出*佳決定。

8.系統選擇

    下表列出了在美國常見的幾種末端裝置及它們的適用范圍，僅供國內設計人員參考。

P＝優先選擇。 S＝有時候采用。 N＝不推薦。 *＝密封的襯里以減小空氣夾帶纖維。＃＝應該特別考慮選用噪聲小的設備或考慮使用消聲器。

9.變風量系統與風機盤管+新風系統技術經濟比較

   VAV空調系統與FC+新風系統技術經濟對比分析一覽表

二、 Onyx-2000變風量系統控制策略設計

    變風量系統送至各房間的風量和系統的總風量，都會隨著房間負荷的變化而變化，因此，它必然會有較多和較復雜的控制要求。只有實現這些控制要求，系統的運行才能穩妥可靠，使她的節能性和經濟性充分體現出來。

    變風量系統的基本控制要求包括以下幾個方面：

    房間溫度控制：它是通過末端裝置對送風量的控制來實現的。任何一種末端裝置都攜帶這類控制部件。

    系統的靜壓控制：這是變風量系統十分重要的控制環節。實現這一控制，才能使系統保持一個穩定的運行壓力，從而保證整個系統的運行可靠。

    空氣處理裝置的控制：實現這類控制，則可在運行*為經濟的情況下，既保證送風溫度符合設計要求，又使送風量緊隨著系統負荷的變化而變化。

    此外，還有房間正壓控制，它是通過對送風機和回風機的平衡控制來實現的。如果建筑物內設計有周邊供暖系統，則它需要獨立控制。變風量系統的控制可以是氣動的、電動的。特別是近年來控制技術迅速發展，微電腦和計算機技術廣泛應用于空調系統的控制，使得控制功能大大加強，控制精度提高，安裝簡便，運行可靠，價格也越來越便宜。

2.1定靜壓法

    所謂定靜壓控制，是在送風系統管網的適當位置（常在離風機2/3處）設置靜壓傳感器，在保持該點靜壓一定值的前提下，通過調節風機受電頻率來改變空調系統的送風量。

     當空調負荷減小，相應地空調系統風量需要減小時，部分房間或空調區域的變風量末端裝置開度關小，此時系統末端局部阻力增加，管路綜合阻力系數增加，管路特性曲線變陡，工況點由A→B，風量有QA→QB。根據理論分析，對于定靜壓變風量系統，風機功率的減小率基本上等于風機風量的減小率。當風機風量全年平均在60%的負荷下運行時，此時風機功率節約不到40%。定靜壓控制目前仍作為一種主要的控制方法在變風量系統中得到普遍采用。如果送風干管不是一條，則需設計多個靜壓傳感器，通過比較，用靜壓要求*低的傳感器控制風機，風管靜壓的設定值一般在250-375Pa之間。

2.2變靜壓控制法

    所謂變靜壓控制，就是在保持每個VAV末端的閥門開度在85%-100%之間，即使閥門盡可能全開和使風管中靜壓盡可能減小的前提下，通過調節風機受電頻率來改變空調系統的送風量。其運行狀況如圖1-6所示。

    在這種控制方式下，由于閥門始終于85%~100%之間，VAV末端裝置局部阻力系統變化很?。赡茉黾?，也可能減?。?，相應地管路綜合阻力系數S也變化很小，綜合阻力曲線上升或下降幅度微小，當空調系統風量減小時，工況點A基本上沿管路綜合阻力曲線變化到B點，此時QA→QB，HA→HB（由于管路綜合阻力系數S的微小變化，系統實際余興工況點B點位置可能發生微小的振蕩）。對于變靜壓變風量系統，風機功率的減小率基本上等于風機風量減小率的三次方。當風機功率全年平均在60%的負荷下運行時，此時風機功率節約率為（1-0.63=78.4%）

美國學者T.B.Hartman較早提出了變靜壓控制TRAV（TERMINAL REGULATED AIR VOLUME）的新概念，TRAV基于末端裝置實時的風量要求，采用先進的控制軟件，實施對風機的控制。日本則把末端風量控制與室內參數設定值的修正結合起來，作為自己常規的VAV系統控制方法。   圖1-6 變靜壓法控制原理圖

2.3 Onyx-2001總風量控制法

Onyx-2001總風量法，即大智科技總風量法，我們通過抓住兩個非常有用的參數，其一是我們大智科技計算出來的實時*佳需求風量值，即我司根據溫差（積分比例等）計算出來的實時*佳需求風量，我們不妨稱之為Gi-demand，我們據此可以方便地計算出VAV系統實時*佳需求總風量，即∑Gi-demand。其二是VAV控制器計算出來的實時運行風量值，我們不妨稱之為Gi-run，我們同樣可以據此計算出VAV系統實時運行總風量，即∑Gi-run。抓住了這兩個總風量值，就可以方便地實現總風量法控制了，如果還有什么疑問，可與大智公司取得聯系，以上控制方法稱Onyx-2001總風量控制法。

2.4 Onyx-2002雙重控制法

所謂Onyx-2002雙重控制法，即采用定靜壓與總風量雙重控制法，就是將定靜壓法的簡單可靠與總風量法的先進直觀相結合，通過總風量法來不斷“修正”定靜壓法的定靜壓值，使其具有一定的調節范圍而獲得相應的節能效果?？刂圃砣鐖D所示：

2.5 Onyx-2003雙重控制法

所謂Onyx-2003雙重控制法即采用變靜壓與總風量雙重控制法，就是將變靜壓的顯著節能與總風量的先進直觀相結合，通過變靜壓法來不斷“修正”總風量法的設計轉速，使其獲得更好的節能效果?？刂圃砣鐖D所示：