變風(fēng)量空調(diào)的的能耗分析

李蘭花（阿自倍爾自控工程（上海）有限公司，上海 200233）

變風(fēng)量空調(diào)的的能耗分析

李蘭花
（阿自倍爾自控工程（上海）有限公司，上海 200233）

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改進(jìn)送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)負(fù)荷的變化，根據(jù)瞬態(tài)負(fù)荷來確定送風(fēng)量，送風(fēng)量隨負(fù)荷的變化使變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有較大的節(jié)能效果，高效的節(jié)能系統(tǒng)不管是對(duì)空調(diào)本身或是對(duì)人們生活產(chǎn)生的影響都是非常重要的。本文介紹了定靜壓控制，總風(fēng)量控制，最小阻力控制等方法，通過比較變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制方法，闡明了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng) 定靜壓控制 總風(fēng)量控制 最小阻力控制 節(jié)能

1　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)基本概念

1.1變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)定義

變風(fēng)量空調(diào)是指，在送風(fēng)溫度不變的條件下，通過改變風(fēng)量的辦法來適應(yīng)負(fù)荷變化。而風(fēng)量的變化是通過專用的變風(fēng)量末端裝置來實(shí)現(xiàn)的。變風(fēng)量技術(shù)的基本原理很簡(jiǎn)單，就是通過改變送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)變化的負(fù)荷。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，所以，風(fēng)量的減少帶來了風(fēng)機(jī)能耗的降低。在同一空調(diào)系統(tǒng)中，各空調(diào)區(qū)域內(nèi)設(shè)置變風(fēng)量末端送風(fēng)裝置，可以根據(jù)區(qū)域需求，調(diào)節(jié)所需風(fēng)量，滿足不同溫度控制需要，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

空調(diào)系統(tǒng)中建筑物最大冷負(fù)荷直接決定空調(diào)系統(tǒng)的大小。對(duì)于空調(diào)房間來說，客觀上存在著一些干擾因素影響房間熱、濕負(fù)荷，如太陽輻射、建筑物朝向、室內(nèi)的設(shè)備、照明、人體活動(dòng)。這些都會(huì)引起房間逐時(shí)負(fù)荷的不同。VAV系統(tǒng)是根據(jù)瞬態(tài)負(fù)荷來確定送風(fēng)量，送風(fēng)量隨負(fù)荷的變化使VAV系統(tǒng)具有較大的節(jié)能效果。

1.2國內(nèi)外發(fā)展概況

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(shí)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(shí)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(dòng)了變風(fēng)量系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，此后40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。

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5m/s的風(fēng)速下難以測(cè)定，因此日本開發(fā)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(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)。

我國在70年代即有人研究VAV系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，風(fēng)量空調(diào)技術(shù)，也在不斷地發(fā)展和完善。目前，在國內(nèi)智能建筑的高速發(fā)展過程中，急需全面深刻地分析變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)關(guān)鍵，總結(jié)工程實(shí)例，促進(jìn)這一重要技術(shù)的平穩(wěn)發(fā)展。

1.3變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的組成

1.3.1空氣處理設(shè)備

空氣處理設(shè)備一般都安裝在單獨(dú)的空調(diào)機(jī)房里，或安裝在建筑物的屋頂上?？諝馓幚碓O(shè)備有普通的新風(fēng)格柵、新風(fēng)閥和回風(fēng)閥、預(yù)熱器、表冷器和送風(fēng)機(jī)組成。表面冷卻器即可以是直接蒸發(fā)式，也可以是冷水式，但在大型民用建筑中，絕大多數(shù)都是采用冷水式。

1.3.2送風(fēng)系統(tǒng)

VAV系統(tǒng)從送風(fēng)機(jī)到各末端裝置的送風(fēng)系統(tǒng)，一般都是一個(gè)中速中壓系統(tǒng)。在一個(gè)大型VAV系統(tǒng)中，由于受到安裝空間的限制，其送風(fēng)主干管甚至可能采用更高的風(fēng)速。由于系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)要求風(fēng)管內(nèi)要有一定的靜壓值，所以需要一個(gè)強(qiáng)度較大、密封性好的風(fēng)管系統(tǒng)，以防止出現(xiàn)空氣的滲漏以及由于風(fēng)速較高而防止因風(fēng)管振動(dòng)產(chǎn)生有害的噪音。支管通常采用一定壓力的圓形軟管，將主風(fēng)管和末端裝置連接在一起。

1.3.3末端裝置

末端裝置是VAV系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，通過它來調(diào)節(jié)送風(fēng)量，補(bǔ)償變化著的室內(nèi)負(fù)荷，維持室溫。一個(gè)VAV系統(tǒng)運(yùn)行成功與否，在很大程度上取決于所選用的末端裝置性能的好壞。末端裝置的種類很多，構(gòu)造各異，但他們都要有進(jìn)風(fēng)短管、消聲腔、風(fēng)量調(diào)節(jié)器、控制閥等幾個(gè)基本部分組成。有的末端裝置還和送風(fēng)散流器連成一體。

2　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制方法

2.1定靜壓控制

定靜壓控制的基本思想是為了節(jié)能，應(yīng)盡量減少風(fēng)道中的靜壓。其工作原理是在系統(tǒng)中由于VAV BOX 控制器根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化來調(diào)整末端出風(fēng)量滿足負(fù)荷要求。出風(fēng)量的變化引起系統(tǒng)管路中靜壓變化，靜壓傳感器測(cè)量靜壓變化并傳遞給風(fēng)機(jī)變頻器DDC，變頻器DDC根據(jù)靜壓變化信號(hào)，去控制空調(diào)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整總出風(fēng)量，維持送風(fēng)管路系統(tǒng)的靜壓恒定

定靜壓控制有以下缺點(diǎn)，最佳定壓值很難設(shè)定，靜壓設(shè)置過低或者過高都會(huì)出現(xiàn)問題，靜壓設(shè)定過低，則會(huì)出現(xiàn)有些房間達(dá)不到要求風(fēng)量；靜壓設(shè)定過高，則風(fēng)機(jī)不停地高速運(yùn)行，節(jié)能不思想，且噪音很大。

2.2變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的總風(fēng)量加閥位反饋控制

變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的總風(fēng)量加閥位反饋控制的特點(diǎn)是不使用壓差傳感器，利用各個(gè)VAV末端的信息（風(fēng)量和閥位）來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并且動(dòng)作響應(yīng)快，控制精度高，節(jié)能效果好。

總風(fēng)量控制法在實(shí)際應(yīng)用上一般不會(huì)引起室溫失控的問題，但轉(zhuǎn)速偏低引起風(fēng)量不足。風(fēng)量不足造成的室溫偏差將在以后的控制中隨著總要求風(fēng)量的改變，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將得以修正。轉(zhuǎn)速偏高引起的靜壓偏高將被風(fēng)閥關(guān)小而吸收，由此而產(chǎn)生一定的風(fēng)機(jī)動(dòng)力浪費(fèi)。

2.3最小阻力控制

所謂最小阻力控制，就是當(dāng)變風(fēng)量系統(tǒng)的總流量發(fā)生變化時(shí)，通過風(fēng)機(jī)的變轉(zhuǎn)速控制，在保證各空調(diào)VAV末端（空調(diào)機(jī)）流量要求的前提下，始終保持全系統(tǒng)中至少有一個(gè)，或一個(gè)以上的VAV末端的風(fēng)閥開度處于全開狀態(tài)，以此來達(dá)到變風(fēng)量系統(tǒng)的阻力損失始終最小的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目的的控制方法。

最小阻力控制的效果，整個(gè)VAV空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量控制精度高，不出現(xiàn)過冷過熱現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)快，不使用靜壓傳感器，并且節(jié)能。其次是無需測(cè)量風(fēng)管靜壓，排除了討論靜壓傳感器的安裝位置和設(shè)定值等實(shí)際應(yīng)用中的不定因素，在風(fēng)機(jī)揚(yáng)程可及的條件下，不管風(fēng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何，絕對(duì)保證各VAV末端不出現(xiàn)倒抽風(fēng)現(xiàn)象。

最小阻力變靜壓控制的控制目標(biāo)是以維持VAV末端風(fēng)閥開度全開為控制目標(biāo)。傳統(tǒng)的定靜壓控制，以及變靜壓控制方法之一的總風(fēng)量控制均沒有以維持VAV末端風(fēng)閥開度全開為控制目標(biāo)，因此

……

……

不能取得理想的控制精度和理想的節(jié)能效果。最小阻力變靜壓控制法應(yīng)用了前饋控制+反饋控制的現(xiàn)代控制技術(shù)。最小阻力變靜壓控制法一邊根據(jù)總要求風(fēng)量給出前饋控制信號(hào)，一邊根據(jù)VAV末端風(fēng)閥閥位給出反饋控制信號(hào)，用前饋控制和反饋控制的合成信號(hào)作為風(fēng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。

最小阻力變靜壓控制法由于采用了VAV末端的閥位信號(hào)作為反饋控制信號(hào)，控制邏輯中包含了只要有一個(gè)VAV末端的風(fēng)閥開度超出全開，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就逐步增加，直至沒有一個(gè)VAV末端的風(fēng)閥開度超出全開為止的控制動(dòng)作。形象的說，最小阻力變靜壓控制法相當(dāng)于在每個(gè)VAV末端入口裝了一個(gè)靜壓傳感器。所以，最小阻力變靜壓控制法首先確保了防止個(gè)別VAV末端出現(xiàn)倒抽風(fēng)。

同時(shí)，當(dāng)沒有風(fēng)閥開度超出全開的VAV末端時(shí)，控制邏輯又逐步提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，直到實(shí)現(xiàn)VAV末端風(fēng)閥達(dá)到全開的控制目標(biāo)。此時(shí)的狀態(tài)為最小靜壓狀態(tài)，對(duì)于現(xiàn)設(shè)計(jì)的風(fēng)道系統(tǒng)，最小阻力變靜壓控制不能保證完全消除VA V末端風(fēng)閥ON/O FF動(dòng)作的可能性，但是它最大限度地減小了VA V末端風(fēng)閥ON/O FF動(dòng)作的可能性。由于最小阻力變靜壓控制法以VAV末端風(fēng)閥達(dá)到全開為控制目標(biāo)，所以可以說它實(shí)現(xiàn)了AHU風(fēng)機(jī)最大限度的節(jié)能。

另外，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷發(fā)生巨大變化時(shí)，最小阻力變靜壓控制法以總要求風(fēng)量為前饋信號(hào)，使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生大幅度變化，從而實(shí)現(xiàn)快速追隨反應(yīng)負(fù)荷的變化。

由于最小阻力變靜壓控制法沒有使用串級(jí)控制，也沒有使用中間變量，較好的解決了快速反應(yīng)和精確控制的矛盾。同時(shí)，最小變靜壓控制法的控制邏輯中只有一個(gè)調(diào)試參數(shù)，而且?guī)缀跛械墓こ潭伎梢允褂猛粎?shù)。當(dāng)VAV末端控制器給出出廠默認(rèn)值時(shí)，可以免去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。因此，變靜壓控制的調(diào)試工作甚至比定靜壓控制還要簡(jiǎn)單。

假定主風(fēng)道定靜壓設(shè)定值為300 Pa，AHU設(shè)計(jì)風(fēng)量為30000 m3/h，風(fēng)機(jī)效率為80%，維持靜壓所需風(fēng)機(jī)功率為3.7kW。年平均風(fēng)量為15000 m3/h，年運(yùn)行時(shí)間為12（小時(shí)）′25（天）′12（月）= 3600小時(shí)，維持定靜壓所需年耗電為6660kWh，按1.0元/kWh的電費(fèi)來計(jì)算，維持定靜壓的年運(yùn)行費(fèi)為6660元/年臺(tái)。

最小阻力控制的年平均靜壓為定靜壓的45.75% （30%，50%，75%，100%的風(fēng)量各占25%），節(jié)省能耗也為定靜壓控制定壓能耗的45.75%。即節(jié)約電費(fèi)為6660*（1-0.4575）=3613元/年。如果一個(gè)房間省這么多，那有100個(gè)房間，一年能省361300元，這個(gè)節(jié)省費(fèi)用是非?？捎^的。

3　結(jié)語

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改進(jìn)送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)負(fù)荷的變化。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，所以風(fēng)量的減少也帶來了風(fēng)機(jī)能耗的降低。其中最小阻力變靜壓控制方式是控制最為理想最為節(jié)能的控制方法。