變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計原理及應(yīng)用

文｜深圳市可信自控有限公司 卞立群

1 概述

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，是相對定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)而言的，是在定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)上發(fā)展出來的。

定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組定風(fēng)量送出一次風(fēng)，通過控制空調(diào)機組的冷（熱）水閥實現(xiàn)變冷（熱）水流量調(diào)節(jié)，使送風(fēng)溫度接近露點溫度進行（加熱）除濕，而后將干空氣送到多個風(fēng)機盤管末端；風(fēng)機盤管再次通過變水流量調(diào)節(jié)對一次風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)進行制冷（熱），平衡室內(nèi)冷（熱）負荷，達到將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的目的。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組變風(fēng)量送出一次風(fēng)，通過控制空調(diào)機組的冷水閥實現(xiàn)變冷水流量調(diào)節(jié)，使送風(fēng)溫度接近露點溫度進行除濕，而后將干空氣送到多個變風(fēng)量末端箱，變風(fēng)量末端箱通過風(fēng)閥的變風(fēng)量調(diào)節(jié)對一次風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)進行制冷或熱水盤管加熱，平衡室內(nèi)冷（熱）負荷，達到將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的目的。

定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)比較如下：

（1）定風(fēng)量空調(diào)機組可以設(shè)置冷水盤管和熱水盤管，可以在夏季為一次風(fēng)供冷，在冬季為一次風(fēng)供熱，風(fēng)機盤管可以冷水供冷也可以熱水供熱。變風(fēng)量空調(diào)機組只設(shè)置冷水盤管，在夏季為一次風(fēng)供冷，在冬季關(guān)閉冷水閥，將室外冷空氣作為一次風(fēng)，由變風(fēng)量末端箱的熱水盤管提供熱負荷。

（2）定風(fēng)量空調(diào)用風(fēng)機盤管作為末端，由冷水和熱水提供與室內(nèi)溫度的溫差，通過人工選擇三速開關(guān)的高中低三種風(fēng)量來改變冷熱負荷變化，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)精度差。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)用變風(fēng)量箱作為末端，由一次風(fēng)或熱水盤管提供溫差，通過風(fēng)閥比例控制調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)精度高。

（3）定風(fēng)量系統(tǒng)與變風(fēng)量系統(tǒng)的共同之處是：無論是定風(fēng)量空調(diào)機組還是變風(fēng)量空調(diào)機組都主導(dǎo)著一次風(fēng)的送風(fēng)溫度和送風(fēng)溫差以及大部分的送風(fēng)量，所以主導(dǎo)著大部分的冷熱負荷量；而無論是風(fēng)機盤管還是變風(fēng)量末端箱都只為局部區(qū)域（房間）提供變化的冷熱負荷，調(diào)節(jié)局部區(qū)域的溫度。

目前國內(nèi)的業(yè)界普遍感覺變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)難調(diào)，不成功的例子也屢屢出現(xiàn)，主要原因是對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)沒有充分的研究和理解。因為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)需要控制的技術(shù)環(huán)節(jié)多，從設(shè)計、安裝到調(diào)試，涉及多個單位和專業(yè)的共同合作，設(shè)計院、工程商、空調(diào)產(chǎn)品供應(yīng)商、自控產(chǎn)品供應(yīng)商等各個單位都必須理解整個系統(tǒng)的運行過程和自己負責(zé)的內(nèi)容，暖通空調(diào)、電氣和自控專業(yè)人員必須相互協(xié)調(diào)，共同研究解決設(shè)計、施工、調(diào)試中的每個環(huán)節(jié)的實際問題，才能達到設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計院應(yīng)在設(shè)計階段就完善各項設(shè)計內(nèi)容，不留設(shè)計盲點；施工單位應(yīng)嚴格遵守施工標(biāo)準(zhǔn)，在諸如控制漏風(fēng)率、保溫降噪、保證接口圓滑等方面細致工作；自控調(diào)試人員應(yīng)仔細核準(zhǔn)末端風(fēng)量，扣除漏風(fēng)量，計算風(fēng)機送風(fēng)量，調(diào)試最大、最小風(fēng)量調(diào)節(jié)幅度，最后調(diào)試合理的送風(fēng)溫度，最終通過變風(fēng)量（實際是變冷熱負荷）實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。

2 設(shè)計概念和各參數(shù)間的關(guān)系

（1）負荷與送風(fēng)量和送風(fēng)溫差的關(guān)系

負荷與送風(fēng)量和送風(fēng)溫差的關(guān)系如下：

式中，Q為空調(diào)送風(fēng)所要吸收的全熱余熱，以W為單位；L為送風(fēng)量，以m3/h為單位；p為空氣密度，以kg/m3為單位，可取1.2；c為空氣定壓比熱，以kJ/kg℃為單位，可取1.01；Tn為室內(nèi)溫度；Ts為送風(fēng)溫度。

（2）變風(fēng)量箱額定風(fēng)量

變風(fēng)量箱的額定風(fēng)量或標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量不是最大風(fēng)量，而是最大風(fēng)量和最小風(fēng)量之間的中值。一般來說，額定風(fēng)量是最大風(fēng)量的85%，最小風(fēng)量是最大風(fēng)量的70%。

額定風(fēng)量出現(xiàn)在室內(nèi)溫度等于室內(nèi)溫度設(shè)定值的時候。這時，溫差為零，PID輸出為50%，所以：

額定風(fēng)量是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中選擇變風(fēng)量箱的基本參數(shù)。

（3）變風(fēng)量箱的最小風(fēng)量

變風(fēng)量箱的最小風(fēng)量是以下因素綜合的最大值：

①最小室內(nèi)新風(fēng)量，比如每人30m3/h。

②變風(fēng)量空調(diào)機組的最小送風(fēng)量，一般是風(fēng)機最大風(fēng)量的70%在變風(fēng)量箱末端的分配額。

③使變風(fēng)量箱利用效率最高的工作點（在風(fēng)機最大風(fēng)量50%～100%的較大風(fēng)量區(qū)間內(nèi)）。

④風(fēng)量傳感器的最小精度，即傳感器能夠測量的最小風(fēng)量，可根據(jù)VAV控制器提供的最小動壓1.9Pa計算出來。

（4）變風(fēng)量箱的風(fēng)量設(shè)定值

變風(fēng)量箱的風(fēng)量設(shè)定值可以利用室內(nèi)溫度與室內(nèi)溫度設(shè)定值之差的PID百分比，按照下式計算：

（5）變風(fēng)量箱的風(fēng)閥調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)變風(fēng)量箱風(fēng)閥的作用是令實測的風(fēng)量值接近乃至等于風(fēng)量設(shè)定值。VAV控制器自帶風(fēng)閥，通過浮點控制的方法實現(xiàn)風(fēng)閥的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/閑置。當(dāng)實測風(fēng)量小于風(fēng)量設(shè)定值，風(fēng)閥正轉(zhuǎn)；當(dāng)實測風(fēng)量大于風(fēng)量設(shè)定值，風(fēng)閥反轉(zhuǎn)；當(dāng)實測風(fēng)量在風(fēng)量設(shè)定值±死區(qū)的一半范圍內(nèi)時，風(fēng)閥閑置。

（6）變風(fēng)量箱的風(fēng)量測量值

VAV控制器自帶皮托管風(fēng)速計，其原理是測量全壓和靜壓之差，即動壓。根據(jù)動壓的平方根與風(fēng)速成正比的原理，即可計算出風(fēng)量，計算公式如下：

式中，VP為動壓，即全壓與靜壓之差，單位是in.H2O（英寸水柱），取值范圍為0.008～1.0in.H2O（1.9～249Pa）；K為十字流量傳感器放大系數(shù)之倒數(shù)，通過試驗校正得到其范圍為0.5～1.0；A為入口截面積，單位是ft2；V為風(fēng)速，單位是ft/min（FPM），風(fēng)速范圍（K取1時）為350～4005FPM（1.8～20.4m/s）；F為風(fēng)量，單位是ft3/min（CFM），風(fēng)量范圍（K取1時）即V與A的乘積，如變風(fēng)量箱入口風(fēng)管直徑為0.2m，面積為0.031416m2，則風(fēng)量范圍（K取1時）為204m3/h～2307 m3/h。

（7）常用單位換算公式

（8）變風(fēng)量箱的入口溫度、送風(fēng)溫差

在變風(fēng)量箱的入口風(fēng)管中，與十字傳感器同側(cè)的位置上，內(nèi)置有溫度傳感器，用于檢測入口溫度。入口溫度是變風(fēng)量空調(diào)機組送出的一次風(fēng)到達變風(fēng)量箱的入口處的溫度，由于受到變風(fēng)量空調(diào)機組的冷水盤管（或熱水盤管）的電動閥控制的送風(fēng)溫度和風(fēng)管溫升（降）的影響，每個變風(fēng)量箱的入口溫度都因為風(fēng)管的長度不同而不同。

變風(fēng)量箱所提供的送風(fēng)溫差等于室內(nèi)溫度與入口溫度之差，該溫差與風(fēng)量之積即送風(fēng)冷（熱）負荷，該負荷用于抵消室內(nèi)冷（熱）負荷的增加，如當(dāng)兩者相等，則室內(nèi)溫度保持不變。

由于變風(fēng)量箱需要提供一定的冷（熱）負荷，所以必須有一定的送風(fēng)溫差，一般為5℃～7℃。

以深圳夏季為例，室內(nèi)設(shè)計干球溫度為24℃～26℃，室內(nèi)相對濕度≤65%，室外干球溫度為33.5℃，室外相對濕度83%，變風(fēng)量空調(diào)機組的機器露點溫度為10℃～14℃。較高溫度的新風(fēng)濕空氣和室內(nèi)溫度的回風(fēng)干空氣，首先通過盤管降至露點溫度并除濕，經(jīng)過風(fēng)機溫升后到達送風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃，如考慮風(fēng)機和管道溫升造成的冷損失為15%，風(fēng)道漏風(fēng)冷損失4%，則：

在深圳冬季，室內(nèi)干球溫度為20℃～22℃，室外干球溫度為5℃。因為最大冷負荷出現(xiàn)在夏季，所以按照夏季條件計算出的冷負荷完全可以負擔(dān)冬季的冷負荷需求。

（9）根據(jù)房間冷負荷計算變風(fēng)量箱額定送風(fēng)量

在設(shè)計院空調(diào)設(shè)計階段，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計規(guī)范和房間功能，計算房間最大冷負荷，再根據(jù)變風(fēng)量箱的送風(fēng)溫差，計算變風(fēng)量箱的額定送風(fēng)量，公式如下：

式中，L為額定送風(fēng)量，以m3/h為單位；Q為空調(diào)送風(fēng)所要吸收的全熱余熱，以W為單位，取最大冷負荷值；p為空氣密度，以kg/m3為單位，可取1.2；c為空氣定壓比熱，以kJ/kg℃為單位，可取1.01；Tn為室內(nèi)溫度，可取平均值25℃；Ts為送風(fēng)溫度，可取最大值21.5℃；Tn－Ts即送風(fēng)溫差，可取平均值6℃。

如某房間，南朝向，外圍護結(jié)構(gòu)負荷692W，燈光負荷1755W，人體負荷顯熱213W、潛熱112W、散濕量168g/h，總負荷全熱余熱2771W、顯熱余熱2660W、余濕0.17kg/h，則：

（10）變風(fēng)量空調(diào)機組額定風(fēng)量

變風(fēng)量空調(diào)機組的額定風(fēng)量是風(fēng)機能提供的最大風(fēng)量，所以又稱風(fēng)機額定風(fēng)量。風(fēng)機額定風(fēng)量應(yīng)能滿足風(fēng)管上連接的全部變風(fēng)量箱的最大風(fēng)量需求并彌補風(fēng)管漏風(fēng)的損失。如按照漏風(fēng)量占額定風(fēng)量的4%計算，則：

（11）變頻器控制特性與風(fēng)機運行特性

變頻器控制特性與風(fēng)機運行特性有如下特點：

①變頻器輸出頻率與風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)成正比。

②風(fēng)量與風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)成正比。

③風(fēng)機出風(fēng)全壓與風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)的2次方成正比。

④風(fēng)機功率與風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)的3次方成正比。

⑤風(fēng)管管道曲線隨風(fēng)量的減小而上翹。

⑥風(fēng)道管道曲線在風(fēng)機70%負荷時，流量趨零。

⑦應(yīng)該選取U/f模式的變頻器，以保證風(fēng)機總效率達到最高。

⑧在風(fēng)機管道送風(fēng)的情況下，變頻器的有效輸出范圍是70%～100%。

（12）變風(fēng)量空調(diào)機組

在進行變風(fēng)量空調(diào)機組的參數(shù)設(shè)計時必須考慮以下幾點：

①滿足冷負荷逐時最大值要求。

②風(fēng)量末端在工作穩(wěn)定點上還有±15%的調(diào)節(jié)性能。

③變風(fēng)量機組不宜供熱，因為：

◆ 當(dāng)變風(fēng)量空調(diào)機組同時服務(wù)于內(nèi)區(qū)和外區(qū)時，不能解決內(nèi)區(qū)只需要冷負荷的問題；

◆ 即使單獨用一臺變風(fēng)量空調(diào)機組服務(wù)于外區(qū)，還是解決不了外區(qū)不同朝向在不同時段的冷熱負荷變化的問題。

④變風(fēng)量機組應(yīng)該與變風(fēng)量箱具有相同的壓力特性，按以下方式搭配的變風(fēng)量箱也應(yīng)具有相同的壓力特性：

◆ 內(nèi)區(qū)單風(fēng)道末端箱，外區(qū)單風(fēng)道末端箱加熱水盤管；

◆ 內(nèi)區(qū)單風(fēng)道末端箱，外區(qū)并聯(lián)風(fēng)機動力型末端箱加熱水盤管；

◆ 內(nèi)區(qū)并聯(lián)風(fēng)機動力型末端箱，外區(qū)并聯(lián)風(fēng)機動力型末端箱加熱水盤管。

⑤變風(fēng)量機組送風(fēng)全壓要大于末端最大全壓，例如750Pa～1250Pa。

⑥變風(fēng)量機組送風(fēng)速度可在中速12.5m/s到高速20m/s之間選定。

⑦變風(fēng)量機組送風(fēng)溫度要接近露點溫度。

⑧變風(fēng)量機組送風(fēng)阻力需要重點考慮，考慮對象包括冷熱水盤管、風(fēng)管彎曲位置等；圓形直風(fēng)管段的風(fēng)道阻力很小，可以忽略不計。

（13）壓力無關(guān)型變風(fēng)量箱

VAV箱屬于壓力有關(guān)型還是壓力無關(guān)型既與其自身有關(guān)，更與VAV控制器有關(guān)。

壓力有關(guān)型（pressure dependent）是指風(fēng)閥執(zhí)行機構(gòu)直接由房間溫度控制。

壓 力 無 關(guān) 型（pressure independent）是指風(fēng)閥執(zhí)行機構(gòu)由送風(fēng)量來控制，而送風(fēng)量設(shè)定值由房間溫度決定。

壓力有關(guān)型VAV箱只有風(fēng)閥執(zhí)行器，沒有風(fēng)量檢測裝置，它受室內(nèi)溫度控制，不斷改變開度調(diào)節(jié)送風(fēng)量。由于溫度變化滯后，但靜壓、風(fēng)速和送風(fēng)量參數(shù)即時快速變化的緣故，當(dāng)變風(fēng)量系統(tǒng)中各VAVBOX都在調(diào)節(jié)各自溫度時，整個系統(tǒng)的靜壓將劇烈變化。再加上其控制模式采用靜壓控制法（即通過控制風(fēng)機變頻器，調(diào)節(jié)變頻空調(diào)機組風(fēng)機的風(fēng)速，令風(fēng)道最不利點的靜壓值恒定在設(shè)定值上），便造成了在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，由于調(diào)節(jié)速度過快，使得輸送給各個VAV箱的送風(fēng)量變化劇烈，從而引起末端送風(fēng)量頻繁出現(xiàn)“超調(diào)”或者“欠調(diào)”，使室內(nèi)溫度波動較大的情況。

壓力無關(guān)型VAV箱針對以上缺陷，提出由溫度決定送風(fēng)量的設(shè)定值，控制送風(fēng)量達到送風(fēng)量設(shè)定值的解決方案。這樣一來，原來滯后反應(yīng)的控制參數(shù)（溫度）被轉(zhuǎn)化成快速變化的控制參數(shù)（送風(fēng)量），控制參數(shù)（送風(fēng)量）成為與靜壓和風(fēng)速參數(shù)一樣的即時變化值。在變頻空調(diào)機組一側(cè)，風(fēng)機變頻器的控制方式改成總風(fēng)量法和變靜壓法共同控制的方式，保持較穩(wěn)定的總管靜壓。“大步走”改成了“小步跑”，所以消除送風(fēng)量“超調(diào)”或者“欠調(diào)”的情況，減小室內(nèi)溫度的波動。因此，帶十字風(fēng)量探針，VAV控制器配有風(fēng)量傳感器，由溫度控制轉(zhuǎn)化為送風(fēng)量控制的VAV箱就是壓力無關(guān)型的。

（14）全壓、動壓和靜壓

變風(fēng)量末端箱的靜壓降總是小于全壓降，這是因為進口風(fēng)速遠大于出口風(fēng)速，動壓降導(dǎo)致靜壓復(fù)得。全壓等于動壓與靜壓之和，全壓降才是輸送風(fēng)量通過末端箱的能耗，所以變風(fēng)量箱設(shè)計選型的依據(jù)是全壓降而不是靜壓降。

應(yīng)考慮到變風(fēng)量箱帶有多個風(fēng)口，選擇合適的風(fēng)口和送風(fēng)距離，計算需要克服的變風(fēng)量箱摩擦阻力，得到需要的全壓。

根據(jù)變風(fēng)量機組送風(fēng)全壓和風(fēng)速，減去總風(fēng)管的損耗，計算每個變風(fēng)量箱的入口全壓和風(fēng)速，以保證滿足變風(fēng)量箱調(diào)節(jié)和風(fēng)口送風(fēng)距離的要求。

一般常見的變風(fēng)量箱入口全壓在500Pa以下，靜壓在250Pa以下（這是為了給讀者以數(shù)據(jù)的概念而給出的一般情況下的數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)還需根據(jù)具體情況進行計算）。

3 設(shè)計案例

下面通過一個具體的設(shè)計案例來說明如何通過調(diào)節(jié)風(fēng)量和改變送風(fēng)溫度設(shè)定點來調(diào)節(jié)室內(nèi)一年四季的冷熱負荷。

如某個變風(fēng)量空調(diào)機組負責(zé)10個變風(fēng)量箱。每個房間的室內(nèi)設(shè)計溫度是25℃，在風(fēng)道內(nèi)的送風(fēng)溫度是15℃，末端溫差為10℃。每個房間的最大冷負荷是3000W，通過計算得到末端額定風(fēng)量是890m3/h，即溫差10℃，送風(fēng)量890m3/h時，能夠平衡室內(nèi)3000W的冷負荷，將室內(nèi)溫度維持在25℃。最大風(fēng)量是額定風(fēng)量的1/0.85，即1047m3/h，最小風(fēng)量是最大風(fēng)量的70%，即733m3/h。風(fēng)量與閥位的關(guān)系如表1所示。

表1 風(fēng)量與閥位關(guān)系表

從表1中可以看出：當(dāng)室內(nèi)溫度高于25℃的設(shè)定值，送風(fēng)溫度保持在15℃不變時，溫差增大，額定風(fēng)量下提供的冷負荷增大，可以彌補室內(nèi)產(chǎn)生的少量冷負荷增加，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；當(dāng)室內(nèi)冷負荷增加較大時，通過增加風(fēng)量來增加冷負荷供給，可使溫度回到設(shè)定值。當(dāng)室內(nèi)溫度低于25℃的設(shè)定值時，溫差減小，額定風(fēng)量下提供的冷負荷減小，可以彌補室內(nèi)產(chǎn)生的少量冷負荷減小，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；當(dāng)室內(nèi)冷負荷減小較多時，通過減少風(fēng)量來減少冷負荷供給，可使溫度回到設(shè)定值。風(fēng)量有±15%的變化，即冷負荷有±528W的增減量。

在夏季，風(fēng)量變化提供±15%的冷負荷變化應(yīng)該可以保證室內(nèi)溫度的穩(wěn)定控制。但在春秋兩季，室外溫度降低，盡管風(fēng)閥開度降低到70%，室內(nèi)溫度卻還在降低，這時應(yīng)該進一步減少風(fēng)閥開度，降低溫差？

如果所有變風(fēng)量箱風(fēng)閥開度小于70%，變頻器也應(yīng)該小于70%來平衡風(fēng)量，但是根據(jù)風(fēng)道特性曲線我們知道，風(fēng)機輸出小于70%時，風(fēng)能已經(jīng)非線性地減少到幾乎為零，所以只有通過降低送風(fēng)溫差來減少冷負荷供給。反之，當(dāng)變頻器100%輸出時，也只有通過提高送風(fēng)溫差來提高冷負荷供給。

當(dāng)室外溫度進一步降低，送風(fēng)溫差接近為零時，冷水機組應(yīng)該停止，用室外新風(fēng)作為冷源。

當(dāng)冬季室外溫度低于5℃，變風(fēng)量箱應(yīng)該啟用熱水盤管，利用空調(diào)熱水為室內(nèi)提供熱負荷。通過控制送風(fēng)溫差與風(fēng)量調(diào)節(jié)溫度的方法與供冷情況類似，邏輯相反。