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变风量系统基本原理与控制策略
2020-09-03山东康德莱净化工程有限公司提要：本文主旨指导初学者了解一些变风量系统的基本概念，提供变风量系统设计流程及设计方案选择指南，同时着重介绍Onyx-2000变风量系统基本控制策略。 一、 变风量空调系统基本概念 1.1 变风量空调系统定义 众所周知，变风量空调系统是通过改变送风量也可调节送风温度来控制某一空调区域温度的一种空调系统。该系统是通过变风量末端装置调节送入房间的风量，并相应调节空调机（AHU）的风量来适应该系统的风量需求。变风量空调系统可根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变，自动调节空调送风量（达到最小送风量时调节送风温度），以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求。同时根据实际送风量自动调节送风机的转速，最大限度地减少风机动力，节约能量。 
1.2 国内外发展概况 变风量(Variable Air Volume)空调系统于20世纪60年代起源于美国。在当时定风量系统加末端再热和双风道系统在很长一段时间内占据舒适性空调的主导地位，因此，变风量系统出现以后并没有立刻得到推广，直到1973年西方石油危机之后，能源危机推动了变风量系统的研究和应用，此后20年中不断发展，如今已经成为美国空调系统的主流。 变风量系统在发展初期,因支管风量平衡的需要和控制设备的局限,大多要求采用高速送风系统,主要送风速度在12.5m/s以上,并且推荐采用静压复得法设计风管系统。尽可能地采用圆形或椭圆形风管,以减小摩擦阻力。但是高速送风系统的风机耗能大,且管路系统噪音增加。随着压力无关型VAV BOX基本上全面取代压力相关型VAV box及DDC控制器的发展,于是变风量空调方式在低速送风系统中的应用越来越普遍。 在日本,将变风量空调方式用于低速送风系统的研究与开发值得关注。由于传统的皮托管流量传感器在5m/s的风速下难以测定,因此日本人开发研究了超声波流量传感器和电磁式流量传感器等多种适用于低速送风系统的前端设备,一方面节能,另一方面降低了风管噪音,因此,进入90年代以后,无论是新建还是70年代以前建造的空调系统的翻新改造,基本上都采用变风量空调系统。 我国在70年代即有人研究VAV系统的开发和应用，并在地下厂房、纺织厂、体育馆等建筑中就采用过VAV系统。在80年代末期我国出现的首批智能化建筑中，也曾采用过VAV系统，但由于建设过程和使用过程中的种种问题，有些工程两三年后使用单位便取消了变风量系统的运行方式，相应的自控设备也拆除了，这使得变风量系统的优点没有发挥出来，变风量系统附加的投资难以得到回报。在此期间，变风量空调技术(包括控制技术和设备)，也在不断地发展和完善。目前，在国内智能建筑的高速发展过程中，急需全面深刻地分析变风量空调系统的发展趋势和技术关键，总结工程实例，促进这一重要技术的平稳发展。 
1.3 变风量系统的特点 1.能实现局部区域（房间）的灵活控制，可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节自己的工作环境；不再需要加热方式或双风道方式就能适应多种室内舒适要求或工艺设计要求；完全消除再加热方式或双风道方式的冷热混合损失。 2.自动调节各个空调区域的送入能量，在考虑同时使用系数的情况下，空调器总装机容量可减少10%-30%左右。 3.室内无过热过冷现象，由此可减少空调负荷15%-30%左右。 4.部分负荷运转时可大量减少送风动力，根据理论模拟计算，全年平均空调负荷率为60%时，变风量空调系统（变静压法控制）可节约风机动力78%。 5.可应用于民用建筑、工业厂房等各类相应的场合。可适应于采用全热交换器的热回收空调系统及全新风空调系统。 6.可避免凝结水对吊顶等装饰的影响，并方便二次装饰分割。 总之，变风量空调系统较定风量空调系统和风机盘管系统而言，具有舒适、节能、安全和方便的优点，已得到越来越多的采用。 1.4 变风量系统的构成 1．VAV装置 VAV空调系统的运行依靠称为VAV装置的设备来根据室内要求提供能量控制其送风量。同时向DDC控制器传送自己的工作状况，经DDC分析计算后发出控制风机变频器信号。根据系统要求风量改变风机转速，节约送风动力。最常用的VAV装置原理如图1-1所示。主要由室内温度传感器、电动风阀、控制用DDC板、风速传感器等部件构成。大部分采用可换式通用设备，控制系统多为各设备厂家自己开发。像风速传感器就有多种型式，如采用超声波涡旋法、叶轮转子法、皮托管法、半导体法、磁体法、热线法等专利产品。 
图1-1 VAV装置原理图
如图1-2所示的VAV装置常常被称为FPB（Fan Powered Box），即风机动力型末端。 其特点是根据室内负荷由VAV装置调节一次送风量，同时与室内空气混合后经风机加压（或一次风不经风机加压与加压室内空气并联）送入室内，以保持室内换气次数不变。该方式加设了风机系统，成本提高，可靠性、噪声等性能指标有所下降。 2．DDC控制器 DDC控制器的主要功能是根据系统中各VAV装置的动作状态或风管的静压值（设定点），分析计算系统的最佳控制量，指示变频器动作。在各种VAV空调系统的控制方法中，除DDC式外，其他方法均设置独立式系统控制器。 3．变频风机（空调机） VAV空调系统常采用在送风机的输入电源线路上加装变频器的方法，根据DDC控制器的指示改变送风机的转速，满足空调系统的需求风量。 
1.5 变风量系统的分类 一般地，可以把变风量系统按周边供热方式和变风量末端结构两方面进行分类。 （1）按照周边供热方式的分类(内部区域单冷) 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 周边散热器系统。散热器设置在周边地板上，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，具有防止冷气流下降、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，常采用顶棚辐射散热器提供更舒适的空调环境。 ③ 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，或单供热二管式。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，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，一般采用热水或电加热盘管。该系统比双风道系统初投资更低，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。初投资较双风道系统低，控制也较复杂。 ⑥ 双风道变风量周边系统。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，当建筑物有若干个区时，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，这时就需要划分若干个转换系统。 （2）按变风量末端的结构分类 按调节原理分，变风量末端可以分成四种基本类型，即节流型、风机动力型(Fan Powered)、双风道型和旁通型四种，还有一种是在北欧广泛采用的诱导型。 ① 节流型 节流型变风量末端是最基本的变风量末端，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。所有变风量末端的“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末端。 ② 风机动力型(Fan Powered) 风机动力型是在节流型变风量末端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(Series Fan Terminals)和并联风机型(Parallel Fan Termina1s)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下表： 特征 并联风机型 串联风机型 风机运行 在低制冷负荷、加热负荷和夜间循环时，间歇运行。 在所有时间内连续运行 送风风量调节 ① 在中到高制冷负荷时，变风量运行。 ② 在加热与低制冷负荷时，定风量运行。 在供热与制冷负荷时， 定风量运行。 送风温度 ① 在中到高制冷负荷时，送风温度恒定。 ② 在低制冷负荷和加热负荷运行时，送风温度可变。 在所有时间内，送风温度可变。 风机大小 按供热负荷（通常60％制冷负荷）设计。 按制冷负荷（通常100％制冷负荷）设计。 一次风最小送风静压 较高，需克服节流阀、下游风管和散流器阻力损失。 较低，只需克服节流阀阻力损失。 风机控制 不需与AHU风机联锁。 必须与AHU风机联锁以防增压。 AHU风机 需较大功率克服节流阀、上下游风管和散流器阻力损失。 只需克服上游风管和节流阀阻力损失。 噪声 风机间歇运行，启动噪声大，平稳运行噪声低。 风机连续运行，噪声平稳，但比并联风机型平稳运行噪声稍高。 风机能耗 风机间歇运行，且设计风量小、能耗较低。 风机连续运行，且设计风量大、能耗较高。 ③ 双风道型 一般由冷热两个变风量末端组合而成，因其初投资昂贵，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，因为有大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大温差设计成为北美空调设计的特色。 ⑤ 诱导型 诱导型VAV box的原理是通过一次风（可以是低温送风）诱导室内回风后再送入房间。与FPB相比，节约了末端的风机能耗，但空调和风机动力增加，这种方式在北欧广泛采用，特别是医院病房等要求较高的场合。 1.6 变风量系统设计方案选择指南 有两种大相径庭的设计风格可供设计师选择。其一是所谓日式风格，以种类繁多——周边窗际热环境表现手法为特点，其二是所谓的美国风格，以大温差蓄冷空调系统特点FPB为发展方向，下面介绍美式风格的设计方法。 当暖通设计者们在设计大楼空调系统的时候，他们有很多不同的系统可选，但要决定最终选择哪一个并不是一件容易的事情。设计者设计的方案必须满足业主的安装要求，操作要求和运行费用的要求。设计者必须同时考虑到设备的性能、容量、可靠性和空间的要求及限制条件。下面就讲述一下不同类型设备的应用、限制条件和局限性。 1.建筑功能 当设计者在开始考虑选用哪种系统时，他首先应该考虑清楚这个大楼的功能。办公室建筑的系统每天是按时间表进行运转的，在美国通常采用风机动力型末端装置。在建筑外区一般使用有辅助加热器的风机动力型末端。装有这类末端装置的独立分区，它的调节具有很大的灵活性。 2.建筑尺寸 在大型建筑中，中心空气处理器根据各区不同的需要将大量的空气送出去。这是风机动力型末端装置的一个典型的应用。内区可能根本就不需要加热，所以既可采用单管系统，也可采用无加热盘管的风机动力型系统。除了热带地区，外区通常都是需要加热的，可选用电加热盘管或热水盘管。这些盘管一般都包括在末端装置中，有时还需要加热基础板。 在一些购物大厦，或其他的低层建筑中，每个租户的面积很小，所以一般采用小型的成套的空调设备。如果采用风机动力型末端则一般选择旁通型。这种系统的主要特点是在送风管上装有一个主要的旁通阀。旁通阀根据送风管道内的静压进行调节。这样就可以保持压力恒定，保持系统在定流量下运行，而且各个独立分区都是压力相关型VAV。 3.噪声限制 像广播工作室，剧场和图书馆这些地方要求低噪声，设备的选择和安装位置是非常重要的。如果采用风机动力型末端，就必须仔细的检查设备的噪声性能。如果是设计电视播音室，那么还要考虑RFI和EMI。 4.环境因素 环境因素包括气候和建筑内外的气流情况。同时还包括规范中的要求比如说新风通风率以及当地建筑标准。如果内区要求的通风速率很高，那么就需设置再加热器。在图书馆这样高通风率的地方，如果同时开启多个通风橱就需要进行再加热。在有些区域，比如说高层办公室建筑的外区，季节、日照负荷和人员占用情况对区域影响很大，一天中区域的负荷变化很明显，在这种区域选用风机动力型末端是比较理想的。在负荷比较稳定的地方常选用单风道系统。 5.污染考虑 污染问题在医院，洁净室和实验室里显得尤为突出。手术室，艾滋病患区域和洁净室都有压力要求。除了压力要求以外，还要尽量避免使用再加热盘管和暴露在外面的玻璃纤维，消除微生物滋生的可能性。医院的房间和洁净室通常需要稳定和高效的通风率，所以宜选用双风道装置。具有高度传染性的房间，比如说肺结核，就需要对它进行负压控制避免病菌传播。使用有害物质的实验室也需要进行负压控制。在这类型的建筑中，一般都是选用单风道或双风道系统。 6.维护和可行性 一些特殊类型的房间如洁净室，它需要末端装置具有高可靠性，因为这关系到服务水平和设备维护的困难和费用。例如洁净室，如果天花板必须是打开的，那在使用前就必须将房间进行消毒。相关费用包括损失的生产时间和消毒的费用。在这种情况下，设备应该安装在洁净室的外面或应该使用具有高可靠性，低维护的设备。 7.费用因素 在最终确定设备方案以前就应该将费用考虑好。安装费用，运行费用和维护费用都应该考虑进去。有时候其中的某一项费用会显得比较重要。例如，如果业主在大楼建造以前就将它卖掉，那么业主最关心的就是建造费用，运行费用就不是那么重要了。如果是由租户自己来付水电费，那么建筑商或开发商就不太关心运行费用。电加热盘管比热水盘管的安装费用低，但是它们的运行费用较高。在做最后决定以前，应该对当地定价做好调查以便做出最佳决定。 
8.系统选择 下表列出了在美国常见的几种末端装置及它们的适用范围，仅供国内设计人员参考。 设施类型 末端装置的类型 办公室，教学楼 医院洁净室 对噪声敏感的装置 其他 大型 小型 实验室 内区 外区 内区 外区 病房 手术室 实验室 广播室 剧院 图书馆 公共场所 购物中心 住宅小区 单风道 VAV无再加热 S N S S S P S S S S N S S VAV有再加热 S N S S S N P S S S P S S 双风道 VAV无混合段 N S N N N N N S S S S N S VAV有混合段 N S N N S S N S S S S N S 定风量 N S N N P P S P S S S N S 风机动力型 并联带加热 N P N P N N N N S S P S S 串联无加热 P N S S N N N P P P P P P 串联带加热 S P S P N N N P P P P P P 低温送风 S P N N N N N S S S P N N
旁通型 N N S S N N N N N N N N N P＝优先选择。 S＝有时候采用。 N＝不推荐。 *＝密封的衬里以减小空气夹带纤维。＃＝应该特别考虑选用噪声小的设备或考虑使用消声器。 9.变风量系统与风机盘管+新风系统技术经济比较 VAV空调系统与FC+新风系统技术经济对比分析一览表
比较内容 VAV系统 FC+新风系统 1 系统原理 属于全空气系统，通过改变送风量而维持室内恒温的空调系统。 属于空气-水系统，通过手动三档风量或自动就地恒温控制。 2 节能性 通过改变房间送风量，而节约风机的能耗。定静压控制可获得30%以上，变静压控制可获得60%以上的风机节能效果。 不能利用新风制冷，由于风机就地循环，风机能耗小。 3 舒适性 良好的舒适性，室内温度可根据个人要求进行调节。 温度调节范围窄，若进入BA控制，也可实现温度调节良好。 4 噪音 单风道VAVBOX无运行部件，噪音小。FPB有风机，但消音条件好，因而噪声小。 风机盘管中有旋转部分（风机、电机），因而噪声取决于旋转部分的质量。一般噪声相对于VAV较高。 5 灵活性 灵活性较高，易于改、扩建，特别适用于用途多变的建筑物。 灵活性也较高。 6 运行优点 风量平衡方便，节省了风量平衡中浩繁的测定和调整工作量，可实现精确的个别控制。 系统各区进行调节控制容易，但实现个别精确控制较难。 7 洁净度 与VAVBOX相配套的空调机组可以使用高性能的空气过滤器，空气洁净度高。 由于新风机组风机的静压小，在机组中不可能使用高性能的空气过滤器，空气洁净度不高。 8 新风 可方便地解决新风问题。 风机盘管机组方式解决新风量是困难的。在过渡季节和冬季利用室外空气降温的时间较短。 9 施工要求 施工方便。 供给机组的水系统管道保温严格保证施工质量，防止系统运转时产生凝结水，施工要求高。 10 隐患 无漏水隐患。 存在漏水隐患。 11 系统组成 VAVBOX设备，周边控制设备，DDC控制器，风管材料，控制电线及安装附件等。 风机盘管，新风机组，周边控制设备，温控器，风管材料，水管材料，控制电线及安装附件等。 12 经济性 每平方米VAV空调系统总造价为：600-670元/平方米。 每平方米FC+新风系统总造价为：1.手动三速控制：300-370元/平方米 2.自动就地温控：400-470元/平方米 3.由BA远程温控：800-870元/平方米 二、 Onyx-2000变风量系统控制策略设计 变风量系统送至各房间的风量和系统的总风量，都会随着房间负荷的变化而变化，因此，它必然会有较多和较复杂的控制要求。只有实现这些控制要求，系统的运行才能稳妥可靠，使她的节能性和经济性充分体现出来。 变风量系统的基本控制要求包括以下几个方面： 房间温度控制：它是通过末端装置对送风量的控制来实现的。任何一种末端装置都携带这类控制部件。 系统的静压控制：这是变风量系统十分重要的控制环节。实现这一控制，才能使系统保持一个稳定的运行压力，从而保证整个系统的运行可靠。 空气处理装置的控制：实现这类控制，则可在运行最为经济的情况下，既保证送风温度符合设计要求，又使送风量紧随着系统负荷的变化而变化。 此外，还有房间正压控制，它是通过对送风机和回风机的平衡控制来实现的。如果建筑物内设计有周边供暖系统，则它需要独立控制。变风量系统的控制可以是气动的、电动的。特别是近年来控制技术迅速发展，微电脑和计算机技术广泛应用于空调系统的控制，使得控制功能大大加强，控制精度提高，安装简便，运行可靠，价格也越来越便宜。 2.1定静压法 所谓定静压控制，是在送风系统管网的适当位置（常在离风机2/3处）设置静压传感器，在保持该点静压一定值的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。 当空调负荷减小，相应地空调系统风量需要减小时，部分房间或空调区域的变风量末端装置开度关小，此时系统末端局部阻力增加，管路综合阻力系数增加，管路特性曲线变陡，工况点由A→B，风量有QA→QB。根据理论分析，对于定静压变风量系统，风机功率的减小率基本上等于风机风量的减小率。当风机风量全年平均在60%的负荷下运行时，此时风机功率节约不到40%。定静压控制目前仍作为一种主要的控制方法在变风量系统中得到普遍采用。如果送风干管不是一条，则需设计多个静压传感器，通过比较，用静压要求最低的传感器控制风机，风管静压的设定值一般在250-375Pa之间。 
2.2变静压控制法 所谓变静压控制，就是在保持每个VAV末端的阀门开度在85%-100%之间，即使阀门尽可能全开和使风管中静压尽可能减小的前提下，通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。其运行状况如图1-6所示。 在这种控制方式下，由于阀门始终于85%~100%之间，VAV末端装置局部阻力系统变化很小（可能增加，也可能减小），相应地管路综合阻力系数S也变化很小，综合阻力曲线上升或下降幅度微小，当空调系统风量减小时，工况点A基本上沿管路综合阻力曲线变化到B点，此时QA→QB，HA→HB（由于管路综合阻力系数S的微小变化，系统实际余兴工况点B点位置可能发生微小的振荡）。对于变静压变风量系统，风机功率的减小率基本上等于风机风量减小率的三次方。当风机功率全年平均在60%的负荷下运行时，此时风机功率节约率为（1-0.63=78.4%） 
美国学者T.B.Hartman较早提出了变静压控制TRAV（TERMINAL REGULATED AIR VOLUME）的新概念，TRAV基于末端装置实时的风量要求，采用先进的控制软件，实施对风机的控制。日本则把末端风量控制与室内参数设定值的修正结合起来，作为自己常规的VAV系统控制方法。 图1-6 变静压法控制原理图 2.3 Onyx-2001总风量法，即大智科技总风量法，我们通过抓住两个非常有用的参数，其一是我们大智科技计算出来的实时最佳需求风量值，即我司根据温差（积分比例等）计算出来的实时最佳需求风量，我们不妨称之为Gi-demand，我们据此可以方便地计算出VAV系统实时最佳需求总风量，即∑Gi-demand。其二是VAV控制器计算出来的实时运行风量值，我们不妨称之为Gi-run，我们同样可以据此计算出VAV系统实时运行总风量，即∑Gi-run。抓住了这两个总风量值，就可以方便地实现总风量法控制了，如果还有什么疑问，可与大智公司取得联系，以上控制方法称Onyx-2001总风量控制法。
2.4 Onyx-2002双重控制法 所谓Onyx-2002双重控制法，即采用定静压与总风量双重控制法，就是将定静压法的简单可靠与总风量法的先进直观相结合，通过总风量法来不断“修正”定静压法的定静压值，使其具有一定的调节范围而获得相应的节能效果。控制原理如图所示： 
2.5 Onyx-2003双重控制法 所谓Onyx-2003双重控制法即采用变静压与总风量双重控制法，就是将变静压的显著节能与总风量的先进直观相结合，通过变静压法来不断“修正”总风量法的设计转速，使其获得更好的节能效果。控制原理如图所示： 
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