变风量空调系统的设计和工程实例

简介： 本文从工程角度出发对变风量空调系统的设计要点作了说明，着重阐述了采用变风量风口作为末端的变风量空调的系统设计，对工程中的重点－控制与调试，作了介绍。以北京北大太平洋电子科技广场为代表引入了变风量的节能计算；以厦门国际银行大厦为代表介绍了以变风量箱结合变风量风口的变风量空调工程实例；以北京爱立信移动通信公司空调系统为代表，介绍了以电子式控制单元结合单风管再热型末端的变风量空调系统控制工程实例；以卡夫广通麦氏咖啡食品公司空调系统为代表，介绍了以直接数字式控制单元及计算机网络结合双风管系统的变风量空调系统控制工程实例。
关键字：节流型 风机动力型 旁通型 风口

前言

　　变风量空调系统是利用改变进入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的一种空调系统。其最大优点在于节能和提供良好的舒适性。

　　当今变风量空调系统已经发展到可以通过计算机网络对空调系统进行实时采样、监测、分析和调控，实现全天候、全方位、全过程控制智能化，并成为现代化智能化大楼的一部分。

1 变风量空调系统简介

1.1 变风量空调系统的工作过程

　　一个典型的智能化控制型单风管带再热盘管的变风量空调系统如图1所示。

　　空调室内回风与室外新风混合，经集中式空调机组处理后，由风管送到各个空调区域。控制器根据室内负荷的大小，通过改变变风量末端风阀的开度，调节送入室内的风量；当室内需要供热时，再热盘管的热水阀打开，送风温度提高，通过改变变风量末端风阀的开度，调节送入室内的热风量。

　　空调房间送风量的改变，导致送风总管静压的变化，总管压力传感器测量风管系统静压后，由自控系统通过调节风机的送风量实现定静压控制。

　　冷水盘管的三通阀调节冷水的流量使送风温度保持恒定，新风量和室内正压由送风机和回风机同时控制。

　　系统的各个测量点可以与计算机通讯，进行实时监测、分析和调控并可以优化控制参数，实现最佳的控制方案。

1.2 变风量空调系统的分类

　　广义上说，凡是改变系统送风量的空调系统都是变风量空调系统。在目前的工程实际中，变风量空调系统主要有以下两种形式：单风管变风量系统和双风管变风量系统。其中单风管变风量系统又分为普通单风管变风量系统和单风管末端再热变风量系统。

　　双风管变风量空调系统分别设有冷、热风管，可以根据室内的负荷情况精确地调节供冷量和供热量，在任何情况下均可满足房间的温度要求，具有调节方便、热稳定性好的特点。适合在一些舒适性要求高的空调场所使用。

1.3 变风量末端的分类

　　变风量末端分为两种类型：变风量箱和变风量风口，其区别在于前者改变风量后再由某种形式的风口向空调室内送风，而后者则是直接在送风口处改变送风量。二者的工作特性和气流组织有很大的不同。

　　目前常用的变风量箱有三种类型：节流型、风机动力型和旁通型。

　　节流型变风量箱是最基本也是应用最多的一种的变风量箱，单风管型变风量箱由一个节流阀加上对该阀的控制和调节装置及外壳组成，双风管型变风量箱则由两个节流型变风量箱组成。按是否补偿压力变化，可分为压力无关型和压力有关型两种。压力无关型因反应快，室温波动小，控制稳定性好，在目前使用较普遍。

　　目前在工程中应用的变风量风口主要有两种类型：电力驱动型和热力驱动型。

1.4 变风量空调系统的优点

1.4.1 变风量空调系统具有卓越的节能性

　　变风量空调系统最大的优点在于节能，它主要体现在以下三个方面：

　　1) 减少空调风机运行能耗

　　由于空调系统在全年实际运行的大部分时间内均处于部分负荷状态，变风量空调系统相应的送风量随之减少，带变频驱动装置的风机大多数情况下在中低速下运行。根据理论计算，空调风机的电力消耗全年平均可降低50%以上，有关数据在本文后面的章节中将作进一步讨论。

　　2) 充分利用室外新风作为冷源，降低制冷系统的运行能耗

　　由于变风量空调系统是全空气空调系统，在任何季节，只要当室外新风的焓值低于室内值时，室外新风就可以作为系统冷源，变风量空调系统就可以在经济循环模式下运行。

　　3) 能量动态转移，实现综合效益

　　变风量空调系统节能很重要的一点在于变风量空调系统在设计时充分考虑了瞬时负荷及内外区的热平衡。

　　变风量空调系统的设计是真正基于逐时负荷的设计，系统可以根据需要随时调节分配到各个区域内的送风量和供冷量(或供热量)。系统总送风量为各时段中所有区域要求风量之和的最大值，而不是所有区域要求风量最大值之和。前者通常只占后者的70%~90%，因此变风量空调系统可以显著减少系统的总送风量。

　　在现代建筑尤其是现代高层建筑的空调系统设计中，由于负荷的内外区的特性差异大，内区通常表现为全年冷负荷，而外区则既有冷负荷又有热负荷。变风量空调系统通过回风的混合可以实现能量在区域之间流动，内区的一部分得热可以转移到外区。这就是所谓热平衡。

　　据统计，在一般的办公楼及商用建筑中，采用变风量空调系统设计通常可以减少制冷设备总容量的10%至30%，带来的直接和间接的经济利益非常可观。

1.4.2 变风量空调系统的其他优点还包括具有良好的舒适性及自平衡特性，维护非常方便，运行费用低等。

1.5 变风量空调系统的适用范围

　　由于变风量空调系统特性优良和技术成熟，它已经被广泛地用于各种工程实践中。但在选择变风量空调系统时，应注意分析系统中负荷的性质，并考虑系统是否对风量有特殊的要求。通常变风量空调系统对于室内负荷变化较大的舒适性智能化建筑非常适合，如办公室、会议中心、银行、商场、宴会厅等。

　　对于一些特殊场所，如室内负荷变化不大，通风要求较高时，使用定风量系统空调可能是更好的选择。例如在医院手术室、实验室、工业机房等。

2 变风量系统设计

2.1 空调分区

　　一般空调系统是按不同用途和使用时间进行分区的，而变风量空调系统系统的设计中，还经常按负荷特性分区，对于进深较大的空调房间宜分为内、外区，其中外区进深可取3~5m(距离外墙或外窗)。

2.2 风系统设计

2.2.1 空调机组选型

　　空调机组是变风量空调系统中最重要的部件之一，在设计上比普通的空调机组要多考虑一些问题。它要求风机的工作范围在流量¾静压特性曲线中较为陡峭的一段，这和普通的空调机组刚好相反。因为变风量空调系统一般通过维持送风系统静压来控制送风机的风量，这就要求在风机的特性中，流量的变化对系统静压变化必须敏感。

2.2.2 变风量末端的选择

　　在目前的工程实践当中，主要使用两种类型的变风量末端：(压力无关型)变风量箱和变风量风口。两者均能实现区域的独立温度控制，不过变风量箱具备较大的通风能力，通常每个变风量箱带3~6个风口，可控制的空调区域范围较大；当要求将空调空间划分为多个较小单元的独立控制区域时，从经济性考虑，可采用变风量风口。

2.2.3 气流组织设计

　　1) 对普通变风量箱+送风口形式的系统而言，在风量减少时送风口的风速衰减较快，可能会产生送冷风时冷气流下坠，送热风时热空气无法抵达工作区域等弊端，解决办法是采用扩散性能好的送风口：如条缝形风口，灯具型风口等。

　　2) 对采用变风量风口的系统而言，因为可随室内负荷变化自动调节送风口风阀开度，从而改变送风量，因此能维持送风口风速相对恒定，可以保证送风的高射程和良好的贴附能力。

2.2.4 风管设计

2.2.4.1 普通变风量箱+送风口形式的系统风管设计

　　1) 由于变风量系统是一种全空气系统，相对风机盘管+新风系统而言，势必要在节省吊顶空间上多作考虑，通常做法是提高送风的流速；在吊顶空间受限制的情况下，一种可行办法是采用风机动力型变风量箱，只输送一次风，可加大送风温差，减少送风量，缩小风管尺寸。

　　2) 因为压力无关型变风量箱都带有风速传感器，对于连接变风量箱的入口支管，应留有3倍管径以上长度的直管段，以保证测量准确。

　　3) 在设计风量下从变风量箱出风口到房间送风口间的风管压力损失一般不要超过50Pa。

3 TF变风量风口的系统设计

　　本章介绍美国ACUTHERM公司生产的变风量风口(Therma Fuser^TM，简称TF变风量风口)的工作原理和系统设计方法。

3.1 TF变风量风口的工作原理

　　TF变风量风口(Therma Fuser^TM)是一种带有内置温度控制器，依靠热敏感物质的膨胀收缩作用来驱动风阀进行风量调节的变风量末端。

　　温控器是一个充有石油蜡状物的小铜柱。温度升高时，蜡状物融化膨胀，向外推动柱塞，温度降低时，蜡状物凝固收缩，弹簧将柱塞拉回。通过柱塞运动成比例地调节风阀的开度。

　　TF变风量风口是通过空气诱导作用感受进入风口的室内空气(二次风)的温度来得到室内平均温度的，其结构示意图如下(图2)：