变风量空调系统设计

《空气调节》补充教材1变风量空调系统设计1．变风量系统的概念按处理空调负荷所采用的输送介质分类，变风量(VAVSystem)空调系统是属于全空气式的一种空调方式，即全空气系统的一种。该系统是通过变风量箱调节送入房间的风量或新回风混合比，并相应调节空调机(AHU)的风量或新回风混合比来控制某一空调区域温度的一种空调系统。在这里，有以下几个方面值得注意:①系统必须是利用变风量箱来分配流量的。也就是说，系统中必须有变风量箱使用。②在工程实例中，有的变风量系统是保持送入房间的风量不变而改变一次风与回风的混合比例的；而有的变风量系统却是保持一次风恒定而改变一次风与回风的混合比例的。因此，用“改变风量或新回风混合比”的概念代替单纯的“改变风量”的概念，似乎更能概括目前存在的各种各样的变风量系统的总体特征。③区域温度的控制由变风量箱(VAVbox)来实现。即通过气动或电动或DDC(直接数字控制)来控制变风量阀的开度调节风量，或通过调节变风量箱中的风机转速来调节送风量或调节旁通风阀来实现。④空调机组(AHU)的送风量应根据送风管内的静压值进行相应调节，与变风量箱减少或者增加送风量以控制房间温度相呼应。一般地，空调机组送风机的性能曲线应相当平缓，从而使得风量的减少不至于使送风静压过快升高。按照控制方法分，空调机组的送风量控制又可分为定静压、变静压、总风量控制三种基本形式。2．变风量系统分类一般地，可以把变风量系统按周边供热方式和变风量箱结构两方面进行分类。2．1按照周边供热方式的分类(内部区域单冷)按周边供热方式，变风量系统可以分为如下几类:①内部区域单冷系统。即是指在空调内区采用的变风量空调形式，一般地不带供热功能，下面几种形式均是以采用内部区域单冷为前提的。②散热器周边系统。散热器设置在周边地板下，不用冷、热空气的混合来控制空气温度，一般采用热水或电热散热器，具有防止气流下降、运行成本低、控制简单等优点。但需要精确计算冷却和加热负荷，以避免冷热同时作用。在国外一些豪华考究的设计中，采用顶棚辐射散热器提供更舒适的空调环境。《空气调节》补充教材2③风机盘管周边系统。风机盘管可以是四管式，也可采用冷热切换二管式，或单供热二管制。风机盘管采用暗吊时不占用地板面积，同样具有运行成本低、控制简单的优点。夏天由于吊顶内仍保留冷水管及凝水盘，对天花板仍有发生水患的可能。④变风量再热周边系统。在变风量末端装置中加再热盘管，一般采用热水、蒸汽或电加热盘管。该系统比双风管系统初投资为低，比定风量再热系统节约能源，尽管同样不占用地板面积，但控制程序复杂。⑤变温度定风量周边系统。该系统的特点是送风量恒定，通过改变一次风与回风的混合比例来调节房间温度。回风全部吸收灯光热量再送出，因而节能。初投资较双风管系统低，控制也较复杂。⑥双风管变风量周边系统。该系统的优点是能量效率高，当采用两个风机时，可利用灯光发热，在所有时间内，由于冷却和加热的交替功能，可以获得最小的送风量。但初投资较高，控制较复杂。⑦转换变风量系统。加热和冷却均由一套风管系统通过冬夏转换承担。其缺点是温度控制不灵活，当建筑物有若十个区时，不能由一套系统来控制，例如不能同时满足一个区域需要加热而另一个区域需要供冷的要求，这时就需要划分若十个转换系统。以上7种系统，各有优缺点。一般应综合建筑功能、初投资、地域特征、产品来源、装潢等多方面进行优选。一般地:对于周边热损失较大的情况，即单位长度外墙热损失超过450W/m，应考虑将加热器设置在窗台下或外墙底部，以免气流下沉，这时可以考虑选择散热器周边系统或落地式风机盘管周边系统。对于周边热损失中等的情况，即单位长度外墙热损失250~450W/m,可以采用吊顶暗装式送风，送风直接吹向外墙和窗户，这时可以选择暗吊式风机盘管周边系统;也可以采用上述④~⑦各个系统，但条缝型散流器宜设计成单向的。对于周边热损失小的情况，即单位长度外墙热损失小于250W/m,可以采用上述④一⑦各个系统，这时条缝型散流器宜布置在房间中间，且两向送风。2.2按变风量箱的结构分类按调节原理分，变风量箱可以分成四种基本类型，即节流型、风机动力型(fanPowered)、双风道型和旁通型四种。《空气调节》补充教材3①节流型节流型变风量箱是最基本的变风量箱，其它如风机动力型、双风道型、旁通型等都是在节流型的基础上变化发展起来的，所有变风量箱的“心脏”就是一个节流阀，加上对该阀的控制和调节元件以及必要的面板框架就构成了一个节流型变风量箱。一般地，节流阀有三种基本类型，即百叶型、文丘里型和气囊型。百叶型的调节原理和百叶风阀的调节原理一样，在小风量的情况下，一般做成单叶风阀，通过调节风阀的开度来调节风量，如约克产品；文丘里型的调节原理是在一个文丘里式的套管内装上一个可以沿轴线方向滑动的滑块，通过滑块的位移改变气流通过的截面积来调节风量，如特灵产品；气囊型的调节原理是通过静压调节气囊的膨胀程度达到调节风量的目的，如开利产品。②风机动力型(FanPowered)风机动力型是目前在北美等地被广泛推崇的变风量箱，可能是由于它的出现和自控水平的提高，使人们改变了在60-70年代对空调变风量系统的偏见。风机动力型是在节流型变风量箱中内置加压风机的产物。根据加压风机与变风量阀的排列方式又分为串联风机型(SeriesFanTermfinals)和并联风机型(ParallelFanTermfinals)两种产品。所谓串联风机型是指风机和变风量阀串联内置，一次风既通过变风量阀，又通过风机加压；所谓并联风机型是指风机和变风量阀并联内置，一次风只通过变风量阀，而不需通过风机加压。根据美国TITUS公司提供的资料，串联风机型和并联风机型的比较见表2。除以下比较外，还有以下几方面问题必须指出:a.串联风机型变风量系统一般较适合用于一次风低温送风的系统，如空调水系统大温差设计(供回水温度大于50C)的系统和有冰蓄冷的系统，其优点是可以减小中末端设备和风管的尺寸及节约风机能耗。b.串联风机型和并联风机型可以同时使用，对于像休息室、人厅、咖啡室等需要维持一定送风量的地方是可以考虑的。③双风道型一般由冷热两个变风量箱组合而成。因其初投资昂贵和控制较复杂而较少得到使用。④旁通型这是利用旁通风阀来改变房间送风量的系统。由于其并不具备变风量系统的全部优点，因而在有些论文中称其为“准”变风量系统。该系统的特点是投资较低，但节能却很小，因为有人量送风直接旁通返回空调设备，并不怎么减小风机能耗，所以目前使用也不多。以上4种系统目前设计使用较多的是风机动力型和节流型。串联风机型加上空调水系统《空气调节》补充教材4大温差设计成为北美空调设计的特色。2.3变风量箱和周边供热方式的组合变风量系统的三大要素是:①变风量箱；②周边供热方式；③自动控制。这三者缺一不可，相互依存。对于具体的变风量系统而言，必然存在这三大要素的不同组合。自动控制一般为气动、电动或DDC控制。变风量系统的具体描述参见表3。3．控制系统构成变风量空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。如：房间温度控制、送风量控制、送回风风量匹配控制、新排风风量控制和送风温度控制5个控制环路。直接数字控制DDC虽然不一定采用反馈环路控制，但是也包含这5部分控制内容。它们是变风量空调控制系统的必要组成部分。当然，系统还会有预冷、预热等其他控制。《空气调节》补充教材53.1房间温度控制在变风量系统中，通常根据末端装置温控器自接控制风阀或者根据一个风量传感器和一个风量控制器，温控器为主控器，风量控制器为副控器，构成串级控制环路，温控器根据温度偏差设定风量控制器设定值，风量控制器根抓风量偏差调节末端装置内的风阀。当末端入口压力变化时，通过末端的风量会发生变化，压力无关型末端可以较快地补偿这种压力变化，维持原有的风量；而压力有关型末端则要等到风量变化改变了室内温度才动作，在时间上要滞后一些。价格上，压力无关型要比压力有关型高一些。（定义：压力无关(pressureindependent)是指阀门的执行机构由速度控制器来控制，而速度控制器由房间温度控制器设定。压力有关(pressuredependent)是指阀门的执行机构直接由房间温度控制器控制。）3.2送风量控制在变风量系统中，通常根据静压传感器的信号来感知系统风量的变化，并通过控制器调节风机送风量。静压控制器通过调节风机转速或入口导叶来恒定静压控制点的静压值，以满足下游风道、末端装置及送风口的压力损失。恒定静压的目的是保证任何一个末端入口的设计资用压力。由于要恒定静压，送风机不能无限制地减少风量，所以风机功耗并不与风量的3次方成正比。由于存在风道阻力损失，静压传感器越靠近管路末端，静压设定值就越小，就越能节约风机功耗。我们希望将静压传感器放在系统最不利的末端入口。由于变风量系统的动态特性，实际上不容易定义一个最不利的末端装置。任何一个都可能成为最不利。ASHRAE建议，在使用压力无关型末端的场合，把静压传感器放在送风机到系统末端的2/3处。3.3新排风风量的控制系统风量的调节会导致总新风量的变化，为此，在需要维持新风量不变的场合，有必要采取恒定新风量的措施，下面列举两种:①将最小新风道和经济循环新风道分开，分设新风阀，并在最小新风道上安装流量传感器，以此来调节3个风阀的开度，维持最小新风量通常，为保证测量精度，流量传感器前后要保证一定的直管段。但是，由于现场情况比较复杂，经常很难完全满足所要求的直管段这样，必然对测量和控制效果产生很大影响。据说，现场最好的测量准确度只有20%左右。②混风压力变化是造成新风量变化的直接原因。所以，恒定新回风混合箱内压力就《空气调节》补充教材6能够保证新风量在需要最小新风量的时候，关闭经济循环新风阀，通过调节回风阀来恒定混风压力;在过渡季的时候，由混风温度控制器调节经济循环风阀的开度，随着新风量的增大，混风压力减小，这时，混风压力控制器关小混风阀直至完全关闭，整个系统采用全新风。虽然这种方法原理简单，但实际上很难实现，因为混风箱内气流很乱，压力极不稳定，压力测点不容易选择，而且，可能容易产生新风量控制和风机风量控制的耦合，造成系统运行不稳定。前面提到的两种方法都是为了恒定新风量。有人认为，新风主要用于保证室内空气品质(IAQ)，可以采用以室内CO2浓度来控制新风量的办法。这种方法适用于新风品质较差的地区，如夏季空气湿热，冬季干冷。不过，CO2浓度达到要求并不能代表室内空气品质合格，室内还会存在其他易挥发性污染物。采用送回风机的系统，回风阀前后压差很大，风阀很难调节。所以有人提出用排风机取代回风机。这样，回风阀前后都是负压，且压差较前者小很多。排风机可由新、排风流量计或室内压力来控制。新风问题与建筑物负荷特点、系统形式及室外气象条件等很多因素有关。上述方法或设想，从控制逻辑上可能是可行的，实际当中却未见得适用于任何系统。对于某一特定建筑，很有必要具体分析系统的夏季工况、冬季工况及过渡季经济循环工况。3.4送回风风量匹配控制送风量随负荷变化，回风量也要随之变化，这样才能保证房间的正常压力。由于房间向外渗风和厕所排风，回风量要比送风量小。下面是几种目前常用的风量匹配控制方法：一种最简单的控制方法是送风机和回风机都由一个送风静压控制器来调节。当负荷减少时，送回风量按同一比例减少。这样送回风量的差值也减少了，从而导致新排风量不平衡。回风机由放在新回风混合箱里或房间内的静压控制器控制。新回风混合箱里气流太乱，不易测量；而房间正压一般很小，容易受干扰。在送风和回风风道上安装风量计，并用一个控制器控制两者的差值来解决这个问题。由于现场情况复杂，风量常常无法测准。3.5系统控制的稳定性在实际工程中，采用多个环路的控制系统，每个环路单独工作都正常。但是，当几个控制系统都工作时，整个系统就会出现不稳定。比如，当某个房间的温度下降，该房间末端装《空气调节》补充教材7置的风阀就会关小，从而导致系统静压升高，其他房间的送风量增加。这时，这些房间的末端装置的风阀就会关小以恒定各自的送风量。这将导致系统静压进一步升高。当达到某一程度，静压控制器就降低送