關(guān)于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的探討及分析

林 婷 瑩

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司福建分公司，福建 福州 350000)

1 概述

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)于20世紀60年代中期誕生于美國，經(jīng)過多年的發(fā)展，變風(fēng)量系統(tǒng)在技術(shù)上日益成熟?；谧冿L(fēng)量系統(tǒng)的節(jié)能性，系統(tǒng)靈活性等優(yōu)勢，該技術(shù)在各國得到越來越廣泛的應(yīng)用。

定風(fēng)量系統(tǒng)的送風(fēng)量保持不變，通過再熱等手段改變送風(fēng)溫度，來適應(yīng)不同的室內(nèi)負荷。變風(fēng)量系統(tǒng)是指保持送風(fēng)狀態(tài)不變，利用改變送入室內(nèi)的送風(fēng)量來實現(xiàn)對室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)[1]。由此可見，變風(fēng)量系統(tǒng)能夠充分利用允許的最大送風(fēng)溫差，節(jié)約再熱量及與之相當(dāng)?shù)睦淞?；另外，由于變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)量減少，風(fēng)機能耗相應(yīng)降低。顯而易見，變風(fēng)量系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)而言，運行更為經(jīng)濟。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由空氣處理機組、送風(fēng)系統(tǒng)、末端裝置及自控裝置等組成[2]，如圖1所示。其中末端裝置及自控裝置是變風(fēng)量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它們可以接收室溫調(diào)節(jié)器或大樓自動管理系統(tǒng)的指令，根據(jù)室溫的高低自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以滿足室內(nèi)負荷的需求。

2 變風(fēng)量末端裝置的分類

VAV末端裝置種類繁多，總體上可分為單風(fēng)道型、風(fēng)機動力型和旁通型[3]。其中，風(fēng)機動力型還可根據(jù)增壓風(fēng)機與一次風(fēng)風(fēng)閥排列的位置不同，分為并聯(lián)式和串聯(lián)式。

2.1 單風(fēng)道型

單風(fēng)道型末端裝置主要由室溫傳感器、風(fēng)速傳感器、控制器及電動風(fēng)閥組成。單風(fēng)道型末端運行時，空調(diào)機組的一次風(fēng)經(jīng)過末端內(nèi)置的電動風(fēng)閥送入空調(diào)區(qū)域，室內(nèi)回風(fēng)不經(jīng)過VAV BOX。末端送風(fēng)量的改變由電動風(fēng)閥來實現(xiàn)。

單風(fēng)道型末端裝置有以下幾點優(yōu)勢：

1)無風(fēng)機，噪聲小且耗電少，對于噪聲有較高要求的場所較為合適。

2)末端裝置體積較小，不占用過大的吊頂空間。

2.2 風(fēng)機動力型

2.2.1串聯(lián)式末端裝置

串聯(lián)式末端裝置主要由室溫傳感器、風(fēng)速傳感器、電動風(fēng)閥、風(fēng)機和電機、控制器組成。串聯(lián)式末端裝置是指內(nèi)置風(fēng)機與一次風(fēng)風(fēng)閥串聯(lián)設(shè)置，如圖2所示。集中空調(diào)機組的一次風(fēng)經(jīng)末端內(nèi)置的一次風(fēng)風(fēng)閥調(diào)節(jié)，再與吊頂內(nèi)的二次回風(fēng)混合后通過內(nèi)置連續(xù)運轉(zhuǎn)的風(fēng)機增壓送出恒定風(fēng)量。在變風(fēng)量箱內(nèi)，一次風(fēng)既通過一次風(fēng)風(fēng)閥，又通過增壓風(fēng)機。串聯(lián)式末端內(nèi)置風(fēng)機的總送風(fēng)量恒定，通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)風(fēng)閥，改變一次風(fēng)和二次回風(fēng)的風(fēng)量比，實現(xiàn)送風(fēng)溫度的變化，以適應(yīng)不同的室內(nèi)負荷。

串聯(lián)式末端裝置的優(yōu)勢如下：

1)當(dāng)系統(tǒng)最小冷風(fēng)量工況下，室內(nèi)區(qū)域仍出現(xiàn)過冷時，利用二次回風(fēng)的余熱增加系統(tǒng)的送風(fēng)溫度，減少空調(diào)機組的再熱能耗。

2)冬季工況時，末端內(nèi)置風(fēng)機誘導(dǎo)吸入內(nèi)區(qū)吊頂內(nèi)的回風(fēng)，將吊頂內(nèi)照明等余熱轉(zhuǎn)移至需要供熱的外區(qū)，利用余熱進行熱回收，減少系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能的目的。

3)末端的內(nèi)置風(fēng)機誘導(dǎo)吸入二次回風(fēng)，使末端總送風(fēng)量加大，極大改善了室內(nèi)的氣流組織。

4)一次風(fēng)經(jīng)過增壓風(fēng)機，增加風(fēng)系統(tǒng)的余壓，可解決下游阻力較大的BOX箱壓頭不夠的問題。

2.2.2并聯(lián)式末端裝置

并聯(lián)式末端裝置主要由室溫傳感器、風(fēng)速傳感器、電動風(fēng)閥、風(fēng)機和電機、控制器組成。并聯(lián)式末端裝置是指內(nèi)置風(fēng)機與一次風(fēng)風(fēng)閥并聯(lián)設(shè)置，如圖3所示。集中空調(diào)機組的一次風(fēng)經(jīng)過末端內(nèi)置的一次風(fēng)風(fēng)閥，不通過增壓風(fēng)機；在內(nèi)置的風(fēng)機開啟時，增壓風(fēng)機誘導(dǎo)吸入室內(nèi)二次回風(fēng)；經(jīng)過風(fēng)閥的一次風(fēng)與經(jīng)過風(fēng)機的二次回風(fēng)混合后送入空調(diào)區(qū)域。

并聯(lián)式末端裝置有以下兩種不同的運行方式：

1)內(nèi)置風(fēng)機關(guān)閉，變送風(fēng)量定送風(fēng)溫度方式。該運行方式適用于夏季大風(fēng)量供冷工況，風(fēng)機出口止回閥關(guān)閉，送風(fēng)溫度不變，通過改變一次風(fēng)閥的開度改變送風(fēng)量，以適應(yīng)室內(nèi)冷負荷的變化，維持室溫的恒定。2)內(nèi)置風(fēng)機開啟，定送風(fēng)量變送風(fēng)溫度方式。該運行方式適用于最小風(fēng)量供冷或供熱工況，該工況下增壓風(fēng)機開啟，總送風(fēng)量恒定，通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)風(fēng)閥，改變一次風(fēng)和二次回風(fēng)的風(fēng)量比，實現(xiàn)送風(fēng)溫度的變化，以補償室內(nèi)負荷的變化。

與串聯(lián)式末端裝置相同，并聯(lián)式末端裝置具有免費再熱過低送風(fēng)溫度，以及冬季工況下吊頂內(nèi)余熱回收的優(yōu)勢。除此之外，并聯(lián)式末端裝置還有以下幾點優(yōu)點：

1)系統(tǒng)低風(fēng)量運行時，通過增壓風(fēng)機旁通，末端裝置風(fēng)量加大，避免出現(xiàn)氣流組織不暢的問題。

2)由于并聯(lián)式末端裝置的風(fēng)機間歇運行，其耗電較串聯(lián)式的少。

3)并聯(lián)式末端裝置風(fēng)機風(fēng)量一般為一次風(fēng)設(shè)計風(fēng)量的60%，遠小于串聯(lián)式末端內(nèi)置的風(fēng)機，所以并聯(lián)式末端裝置箱體占用空間較串聯(lián)式的小。

2.3 旁通型

旁通型末端裝置一般由分流器式風(fēng)閥、旁通風(fēng)口和控制器組成，如圖4所示。當(dāng)室內(nèi)負荷減少時，通過分流器式風(fēng)閥來減少送入室內(nèi)的空氣量，其余部分排入吊頂內(nèi)回風(fēng)管循環(huán)使用。送入房間的空氣量是可變的，但空調(diào)機組的風(fēng)量仍保持一定，因此風(fēng)機能耗得不到節(jié)省。

3 變風(fēng)量系統(tǒng)的設(shè)計

合理的設(shè)計是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行的關(guān)鍵，大致可按照以下幾點步驟進行：

1)確定空調(diào)分區(qū)，劃分空調(diào)系統(tǒng)。

在同一建筑內(nèi)，各個分區(qū)其圍護結(jié)構(gòu)、照明、人員等內(nèi)擾外因的差異產(chǎn)生了不同的空調(diào)負荷?？茖W(xué)地把空調(diào)區(qū)域劃分為若干個溫度控制區(qū)域，更為精細地追蹤負荷變化，有利于降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗?？照{(diào)最基本的分區(qū)是內(nèi)區(qū)和外區(qū)，外區(qū)是直接受到圍護結(jié)構(gòu)日射得熱、溫差傳熱和空氣滲透等負荷影響的區(qū)域。內(nèi)區(qū)負荷主要由人體、燈光照明以及其他設(shè)備散熱形成，該部分負荷波動較小，且全年均為冷負荷。進深小于8 m的房間無明顯的內(nèi)外分區(qū)現(xiàn)象，可不設(shè)內(nèi)區(qū)，都按外區(qū)處理。影響外區(qū)的進深主要有外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能以及氣候條件等，一般外區(qū)進深可按2 m～5 m確定。內(nèi)區(qū)溫控區(qū)宜為50 m2～100 m2，外區(qū)溫控區(qū)宜為25 m2～50 m2[4]。

2)冷熱負荷計算。

計算各個房間及空調(diào)分區(qū)的逐時冷負荷及熱負荷，作為空調(diào)機組及末端設(shè)備的選型依據(jù)。

3)供熱方式的確定。

一般變風(fēng)量系統(tǒng)的供熱可通過以下兩種方式實現(xiàn)：a.建筑進深小，不分內(nèi)外區(qū)，全區(qū)采用冷熱型末端裝置，集中空調(diào)系統(tǒng)提供冷風(fēng)或熱風(fēng)，通過末端裝置輸出實現(xiàn)供冷或供暖。b.空調(diào)區(qū)域分內(nèi)外區(qū)，內(nèi)區(qū)采用單冷型末端裝置，外區(qū)采用帶再熱的末端裝置或冷熱兼用的風(fēng)機盤管。集中空調(diào)系統(tǒng)全年送冷風(fēng)，夏季工況時，內(nèi)外區(qū)的末端裝置供冷；冬季工況時，內(nèi)區(qū)的單冷型末端裝置供冷，外區(qū)由末端裝置的再熱器或風(fēng)機盤管供暖。

4)計算各個空調(diào)分區(qū)的一次風(fēng)量。

對于冷熱型的變風(fēng)量裝置，其供冷時和供熱時的最大風(fēng)量應(yīng)分別計算，取最大風(fēng)量值作為選擇末端設(shè)備的依據(jù)。各個空調(diào)分區(qū)的一次風(fēng)最大風(fēng)量應(yīng)根據(jù)式(1)進行計算。一次風(fēng)最小風(fēng)量要綜合考慮新風(fēng)量和氣流組織確定，一般采用最大風(fēng)量的30%～40%。

(1)

其中，G為變風(fēng)量末端最大風(fēng)量，kg/s；Qx為房間或溫控區(qū)的顯熱負荷，kW；tn為房間或溫控區(qū)的干球溫度，℃；to為空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)干球溫度，℃。

5)確定變風(fēng)量系統(tǒng)的組合形式，選擇末端設(shè)備類型。

為適應(yīng)室內(nèi)負荷的變化，變風(fēng)量系統(tǒng)有多種組合形式，其特點及適用條件如表1所示。

表1 變風(fēng)量系統(tǒng)不同組合應(yīng)用特點比較

6)根據(jù)計算的風(fēng)量，選擇BOX的規(guī)格及參數(shù)。

7)根據(jù)氣流組織合理性，合理分布風(fēng)口。

由于變風(fēng)量系統(tǒng)的特殊性，實際項目設(shè)計過程中，我們還需特別注意以下幾點：a.風(fēng)速對測量儀的測量精度有很大的影響，為保證風(fēng)速測量的精準性，風(fēng)速測量儀所在的那一段風(fēng)管(即進入BOX箱前的那一段)，風(fēng)速一般控制在3 m/s～10 m/s。b.氣流的紊流程度同樣影響風(fēng)速測量的精度，為保證數(shù)據(jù)采集的準確性，進入BOX箱前至少有5D長的直管段來保證氣流的均勻度。c.集中空氣處理機組的風(fēng)機余壓應(yīng)為AHU設(shè)計最大風(fēng)量下的阻力及末端消耗的壓力降之和。綜合考慮出投資、能耗和全壽命周期后，末端所需的全壓降建議取125 Pa～150 Pa[5]。

4 結(jié)語

相對傳統(tǒng)定風(fēng)量系統(tǒng)而言，變風(fēng)量系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜，對系統(tǒng)設(shè)計合理性和設(shè)備控制的要求較高。實際工程中，變風(fēng)量系統(tǒng)存在的設(shè)計粗獷及設(shè)備控制調(diào)試不精準等問題，均嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及空調(diào)節(jié)能效果。變風(fēng)量技術(shù)對我國節(jié)能事業(yè)具有重要的意義，在研究及發(fā)展變風(fēng)量技術(shù)這條道路上，我們?nèi)沃囟肋h。