變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展前景

曹振華

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院熱能工程學(xué)院,西安710302)

1 引 言

隨著智能建筑業(yè)的快速發(fā)展,自動化樓宇系統(tǒng)也逐步建立了更多、更科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的控制和管理,不僅使建筑功能等級提高,而且能產(chǎn)生較高的節(jié)能作用。變風(fēng)量 (VAV空調(diào))空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率、靈活性要遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型中央空調(diào)系統(tǒng),已漸漸成為中央空調(diào)設(shè)計(jì)者的主流研究方向。

在一些工業(yè)化發(fā)達(dá)國家,由于中央空調(diào)系統(tǒng)的廣泛使用,能耗損失相當(dāng)?shù)拇?例如,美、日、英、法等國在空調(diào)方面的能耗約占國家總能耗的三分之一,瑞典甚至高達(dá)50%左右,在我國,空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的70%左右[1],因此變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)以其高的節(jié)能率將會受到越來越多商家和用戶的親睞。

2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的原理

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是利用改變室內(nèi)的送風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的全空氣空調(diào)系統(tǒng),它的送風(fēng)狀態(tài)保持不變。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有單風(fēng)道、雙風(fēng)道、風(fēng)機(jī)動力箱式和誘導(dǎo)器式四種形式。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著,全年運(yùn)行時可節(jié)約能耗30%～50%[2]。

3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1)能實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域 (房間)的靈活控制,可根據(jù)負(fù)荷的變化或個人的舒適要求自動調(diào)節(jié)自己的工作環(huán)境;不再需要加熱方式或雙風(fēng)道方式就能適應(yīng)多種室內(nèi)舒適要求或工藝設(shè)計(jì)要求;完全消除再加熱方式或雙風(fēng)道方式的冷熱混合損失。

2)能夠?qū)⒏鱾€空調(diào)房間的送入能量進(jìn)行自動調(diào)節(jié),并且能夠在考慮同時使用系數(shù)的前提下,空調(diào)器的總裝機(jī)容量可減少20%～40%左右[2]。

3)室內(nèi)無過熱過冷現(xiàn)象,由此可減少空調(diào)負(fù)荷20%～40%左右。提高智能化程度。提高樓宇智能化程度,提高區(qū)域舒適化程度。

4)當(dāng)該空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時,送風(fēng)動力將會大大減少,通過理論模擬方法進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)該空調(diào)系統(tǒng)全年平均負(fù)荷率為70%時,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng) (變靜壓法控制)可節(jié)約風(fēng)機(jī)動力85%[2]。

5)可應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)廠房等各類相應(yīng)的場合。可適應(yīng)于采用全熱交換器的熱回收空調(diào)系統(tǒng)及全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

6)不會產(chǎn)生冷凝水,因?yàn)樗侨諝庀到y(tǒng),可以避免產(chǎn)生冷凝水造成的滴漏污染吊頂和霉菌問題。

7)新風(fēng)作冷源,因?yàn)樽冿L(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣系統(tǒng),在過渡季可大量采用新風(fēng)作為天然冷源,相對于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng),能大幅度減少制冷機(jī)的能耗,而且可改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

8)系統(tǒng)噪聲低,不存在現(xiàn)場噪聲。辦公區(qū)可達(dá)到較低的噪音水平。

9)減少綜合性初期投資,而且維修量小,壽命長。全年保持恒溫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,維修工作量小,使用壽命長。提供更為潔凈的空氣,符合世界高級建筑IAQ標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比具有的優(yōu)點(diǎn)[3]

1)具有良好的舒適性及自平衡特性,維護(hù)非常方便,運(yùn)行費(fèi)用低等。系統(tǒng)的靈活性較好,易于改、擴(kuò)建,尤其適用于格局多變的建筑。

2)與定風(fēng)量系統(tǒng)相比,運(yùn)行經(jīng)濟(jì),用改變房間送風(fēng)量的方法,補(bǔ)償房間負(fù)荷的變化,避免了因再熱造成的冷熱抵消。另外,風(fēng)機(jī)功率能接近建筑物空調(diào)負(fù)荷的實(shí)際需要,節(jié)省了能耗。同時在過渡季節(jié)也可以盡量利用室外新風(fēng)冷量。

3)與定風(fēng)量系統(tǒng)相比,各個房間的室內(nèi)溫度也可以個別調(diào)節(jié)。每個房間的風(fēng)量調(diào)節(jié)直接受裝在室內(nèi)的恒溫器控制。

4)與定風(fēng)量系統(tǒng)相比,系統(tǒng)的靈活性很高,易于改建、擴(kuò)建。特別適用于用途多變的建筑物,例如辦公室和實(shí)驗(yàn)室等。當(dāng)室內(nèi)參數(shù)改變或重新隔斷時,無需作重大變動,甚至只需重調(diào)室內(nèi)恒溫器的設(shè)定值即可。

5)與定風(fēng)量系統(tǒng)相比,風(fēng)量平衡方便。節(jié)省了風(fēng)量平衡中浩繁的測定和調(diào)整的工作量。

6)有與定風(fēng)量相同的舒適感,由于成功地開發(fā)了多種送風(fēng)方式,當(dāng)在小風(fēng)量下運(yùn)行時,仍能保持良好的風(fēng)速與溫度的綜合效果,不會產(chǎn)生 “吹風(fēng)”感。但當(dāng)風(fēng)量過低而影響氣流分布時,則只能以末端再熱來代替進(jìn)一步降低風(fēng)量。

7)與定風(fēng)量系統(tǒng)相比,具有一般低速集中空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn);例如可以進(jìn)行較好的空氣過濾、消聲等,并有利于集中管理。

3.3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)

1)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相對較為復(fù)雜,如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,不能很好地起到節(jié)能的作用,難以達(dá)到理想狀態(tài),這也是制約該空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的最重要的原因。

2)系統(tǒng)的初投資較大。

3)該系統(tǒng)易產(chǎn)生噪聲問題,因此噪聲控制也是設(shè)計(jì)的難題。

3.4 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的適用場合

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)適合多房間且負(fù)荷有一定變化的建筑。對于全年負(fù)荷變化較小的建筑物采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的意義并不大。

5 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀

變風(fēng)量 (Variable AirVolume)空調(diào)系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代起源于美國。在當(dāng)時定風(fēng)量系統(tǒng)加末端再熱和雙風(fēng)道系統(tǒng)在很長一段時間內(nèi)占據(jù)舒適性空調(diào)的主導(dǎo)地位。因此,變風(fēng)量系統(tǒng)出現(xiàn)以后并沒有立刻得到推廣,直到1973年西方石油危機(jī)之后,能源危機(jī)推動了變風(fēng)量系統(tǒng)的研究和應(yīng)用,此后20多年中不斷發(fā)展,如今已經(jīng)成為美國空調(diào)系統(tǒng)的主流[4]。

變風(fēng)量系統(tǒng)在發(fā)展初期,因支管風(fēng)量平衡的需要和控制設(shè)備的局限,大多要求采用高速送風(fēng)系統(tǒng),主要送風(fēng)速度在13.5m/s以上,并且推薦采用靜壓復(fù)得法設(shè)計(jì)風(fēng)管系統(tǒng)。盡可能地采用圓形或橢圓形風(fēng)管,以減小摩擦阻力。但是高速送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)耗能大,且管路系統(tǒng)噪音增加。隨著壓力無關(guān)型VAV box基本上全面取代壓力相關(guān)型VAV box及DDC控制器的發(fā)展,于是變風(fēng)量空調(diào)方式在低速送風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍。

在日本,將變風(fēng)量空調(diào)方式用于低速送風(fēng)系統(tǒng)的研究與開發(fā)值得關(guān)注。由于傳統(tǒng)的皮托管流量傳感器在4.5m/s的風(fēng)速下難以測定,因此日本人開發(fā)研究了電磁式流量傳感器和超聲波流量傳感器等多種適用于低速送風(fēng)系統(tǒng)的前端設(shè)備,一方面節(jié)能,另一方面降低了風(fēng)管噪音,因此,進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,無論是新建還是70年代以前建造的空調(diào)系統(tǒng)的翻新改造,基本上都采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)[4]。

我國在20世紀(jì)70年代即有人研究VAV系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,并在地下廠房、紡織廠、體育館等建筑中就采用過VAV系統(tǒng)。在80年代末期我國出現(xiàn)的首批智能化建筑中,也曾采用過VAV系統(tǒng),但由于建設(shè)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(fēng)量系統(tǒng)的運(yùn)行方式,相應(yīng)的自控設(shè)備也拆除了,這使得變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)沒有發(fā)揮出來,變風(fēng)量系統(tǒng)附加的投資難以得到回報(bào)。這不僅給業(yè)主帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,大量的能源浪費(fèi),而且給空調(diào)設(shè)計(jì)同行們帶來了巨大的不利影響,導(dǎo)致很長時間內(nèi)VAV系統(tǒng)在我國幾乎沒有應(yīng)用和進(jìn)行研究。因此近幾十年來,一直未能在我國普遍、廣泛推廣該系統(tǒng)。

在國外變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成功的在使用,而且節(jié)能效果很好,能夠達(dá)到舒適與節(jié)能的要求,但是在我國卻不能很好的運(yùn)行,達(dá)不到運(yùn)行的效果,究其原因主要是因?yàn)樽冿L(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)不相匹配,調(diào)試運(yùn)行困難,控制參數(shù)設(shè)置不穩(wěn)定,導(dǎo)致風(fēng)量調(diào)節(jié)不平衡,因此這對我國的空調(diào)施工人員和管理人員提出了很高的要求,不但要懂得空調(diào)工程的設(shè)計(jì)原理,而且要懂得空調(diào)系統(tǒng)的自控原理,這在我國很不現(xiàn)實(shí)。

直到最近幾年,空調(diào)工程師再次將目光轉(zhuǎn)向變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),原因主要有兩個:第一,目前國內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)中,風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和定風(fēng)量系統(tǒng)缺點(diǎn)很多。例如目前我國舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)采用的都是沒有末端加熱裝置的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),因此出現(xiàn)不能滿足各個房間不同送風(fēng)參數(shù)的要求的缺點(diǎn)。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)可以解決這一問題的出現(xiàn),但是同樣具有凝結(jié)水污染房屋吊頂、以及霉菌等問題。另外,隨著空調(diào)房間的格局布置的改變、功能用途的變化、辦公設(shè)備及其儀器的增減,空調(diào)系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)有所改變以適應(yīng)房間所需,然而,對定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)來說,改擴(kuò)建相對很麻煩;第二,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效率較高。

目前在我國上海、廣州等沿海發(fā)達(dá)城市,有些國外的老牌空調(diào)控制公司已經(jīng)開始推廣VAV系統(tǒng)的應(yīng)用,并且有的已經(jīng)運(yùn)行成功,這給我們國內(nèi)的設(shè)計(jì)單位敲響了警鐘。VAV系統(tǒng)肯定是未來應(yīng)用的主流空調(diào)系統(tǒng),沒有人愿意將它讓給外國的設(shè)計(jì)者去設(shè)計(jì)。實(shí)際上,對變風(fēng)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)人員還是有依據(jù)可循,難點(diǎn)在該系統(tǒng)的控制問題上,這也是該系統(tǒng)在完工后不能按設(shè)計(jì)計(jì)劃運(yùn)行的關(guān)鍵原因。因此,對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制問題的研究將直接關(guān)乎其在我國的發(fā)展前景[4]。

5 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的國內(nèi)發(fā)展前景

綜上所述,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一種節(jié)能、舒適和安全的空調(diào)系統(tǒng),大力發(fā)展變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。發(fā)展變風(fēng)量空調(diào)技術(shù),提高變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用性,將會對我國的能源節(jié)約起到至關(guān)重要的作用。隨著能源問題的突出,可以預(yù)見,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)將會成為我國乃至世界各國競相發(fā)展的主流方向。

[1]錢以明.高層建筑空調(diào)與節(jié)能 [M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1994

[2]霍小平,變風(fēng)量系統(tǒng)的概念、分類及應(yīng)用 [J].暖通空調(diào)技術(shù),1997,(2):4-6

[3]薛殿華.空氣調(diào)節(jié) [M].北京:清華大學(xué)出版社,1991

[4]葉大法,楊國榮,胡仰著.上海地區(qū)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)工程調(diào)研與展望 [J].暖通空調(diào)HV&AC,2000,27(6):14-16