變風量空調系統的優化設計淺談
摘要：
變風量系統有很強的動態特性，加之空調系統固有的非線性，使問題的解決變得非常困難。可目前這方面的研究還比較滯后，設計人員在設計時缺少有效的分析計算手段。國內變風量系統的實踐正在興起，迫切需要可行、有效的輔助設計的分析方法。
關鍵詞： 變風量 優化設計
1、引言
變風量空調系統于60年代在美國誕生，其基本原理是通過改變送入房間的風量來滿足室內變化的負荷。在當今特別提倡節能和舒適性的條件下，變風量空調系統正在逐漸被人們接收并得到應用。
變風量空調系統主要有以下幾個優點：
* 由于變風量空調系統是通過改變送入房間的風量來適應負荷的變化，而空調系統大部分時間的部分負荷下運行，所以風量的減少帶來了風機能耗的降低。
* 區別于常規的定風量或風機盤管系統，在每一個系統中的不同朝向房間，它的空調負荷的峰值出現在一天的不同時間，因此變風量空調器的容量不必按全部冷負荷峰值疊加來確定，而只要按某一時間各朝向冷負荷之各的值來確定。這樣，變風量空調器的冷卻能力及風量比定風量可風機盤管系統減少10-20% * 變風量空調系統屬于全空氣系統，與風機盤管系統相比有明顯的好處是冷凍水管與冷凝水管不進入建筑吊頂空間，因而免除了盤管凝水和霉變問題。
* 系統的靈活性較好，易于改、擴建，尤其適用于格局多變的建筑。盡管變風量空調系統有其的優點，但在實際設計中還是應注意一些問題，以免其帶來的一些負面影響，同時，應深入研究和探討變風量空調系統，進一步優化其設計理念。
2、空調系統
2.1、變風量空調系統是通過改變進入房間的風量來滿足室內變化的負荷，當房間低于設計額定負荷時，系統隨之減少送風量，亦即降低了風機的能耗。故變風量系統比較適合多房間且負荷有一定變化的場合，如辦公、會議、展廳等；對于象大堂公共空間、影劇院等負荷變化較小的場合，采用變風量系統的意義不大。所以，一般在以變風量空調為主的大廈中。其大堂等公共空間還是以定風量空調系統為好。由于其場合一般都是高大空間。如果采用變風量空調系統，當其變風量變小時，會改變氣流組織，影響空調系統的舒適性效果。
2.2、當今國內設計的變風量空調系統，其末端裝置以電動節流式壓力無關型為主。該末端裝置可分為有帶風機和不帶機兩種。帶風機的末端裝置又可分為帶并聯風機的末端裝置和帶串聯風機的末端裝置，一般選用以后者為主。
圖1是典型的單風道變風量空調系統。在通常設計的大樓中，將空調平面分成內外兩個區，以圍護結構退深3-4米的周邊區域定為外區。其內中心區域則為內區。對內區而言，其空間需常年冷負荷，而外區在夏、冬季需不同的冷、熱空調。由于內區常年供冷，建議采用不帶風機的末端裝置，其氣流組織亦比較容易保證空調舒適性要求。對于外區，則建議采用帶風機的末端裝置，其出風口設置再加熱器。在北方地區，其再加熱器以熱水盤管為主；而在南方地區，由于其加熱量較小，可以考慮利用富裕的夏季電動制冷機組的用電裝機容量來設置電加熱器。在冬季空調運行中，周邊區域的末端裝置將一次冷風風量調至最小值（其設定的最小值用來滿足將房間的最小新風量），再由末端裝置出口處的加熱器加熱其空調送風。如設計采用無風機的末端裝置出口處的加熱器熱其空調送風。如設計采用無風機的末端裝置，則冬季最小送風量將大大低于夏季運行時的額定設計風量，則勢必大大降低送風口的出風風速，嚴重影響周邊區域的氣流組織。對于一定的外區冬季空調時的再加熱量，當風量減少時，則會提高其空調送風溫度，同樣影響空調的舒適性效果。故外區一般采用帶風機的末端裝置，則可 避免以上兩大問題。通過風機的作用，盡管一次風量減少，由于二次回風的補入，保證了送風量，定于設計的額定風量；同時由于送風量的增加，降低了其它調送風溫差。另外，由于末端裝置內的風機克服了其出風處再加熱盤管的壓力，從而降低空調器出風所需提供的靜馀壓。
2.3、還有一種設計思路，即內外區全部無風機的末端裝置，出口處也不用設置再加熱器，而在周邊圍護結構內側下方另設立式風機盤管。夏季空調運行時，由變風量末端裝置提供的送風量來滿足內外區的冷負荷要求；冬季空調運行時，內區冷負荷空調仍由該區的變風量末端裝置來提供，而外區的熱負荷空調則由周邊風機盤管來提供，外區的變風量末端裝置只提供其所需的新風量。這種設計方法，由于避免了吊頂內設置帶風機制末端裝置，從而降低了該風機帶來的噪聲問題，介同時由于周邊需另設立式風機盤管，這勢必減少了空間的利用率，對室內裝修也帶來了一定的影響。當然，這種設計方法已不是真正意義上變內量空調系統。
3、空氣處理
圖2是典型的變風量空調系統冬季運行時的空氣狀態變化圖，系統設計中，各樓層的一次風空調器只設冷卻盤管，而集中式新風空調器設置冬季預熱盤管和加濕器。作為冬季運行，新風經新風空調的預熱盤管加熱至O1或O2點，經加濕處理后至E點，而后與樓層空調回風混合后達到R點，再經一次風空調器的冷卻盤管處理至出風狀態點S.新風加器可以采用等溫加濕和絕熱加濕兩種方法。由于新風加濕量較大，故等溫加濕一般采用乾飽和蒸汽加濕法，而絕熱加濕法，對于高壓葉噴霧加濕法，由于無法做到比例調節，實際運行時控制精度很差，故新風加濕一般以采用乾飽和蒸汽等溫加濕為主。該空調系統夏季運行時，新風空調器不作任何處理過程由樓層空調器各自承擔，其空氣處理過程如圖3所示。這種設計方法的優點是，所有樓層空調器只設冷卻盤管，而由新風空調器集中處理冬季室外新風的加熱和加濕過程。這樣，簡化了整個大樓的空調系統，也大大節約了系統的初投資費用。但其缺點是，為了室內新風的集中加濕，必需先對其等濕加熱，而樓層空調器對其混風空氣進行冷卻處理才能達到空調所需的一次風出風狀態點。如此空氣處理過程，勢必產生空氣先加熱扣冷卻的抵消作用，造成大樓空調系統運行時能耗的大量浪費。
針對上述空調系統的缺點，筆者建議集中式新風空調器只設預熱盤管，不設加濕器。大樓標準層的空調器只設冷卻盤管和高壓噴霧加濕器，而對于其它樓層有額定熱負荷的情況下再加設加熱盤管。該空調系統夏季運行時，其空氣處理過程也如圖3所示。而作為冬季運行，新風空調器只對室外新風進行預加熱，新回風混合后進入樓層空調器，空調器則根據控制要求對其加熱或冷卻（對于不同樓層，回熱或冷卻可能同時存在）當然，新風加熱處理后溫度設定值的前提是大于+5°C，且保證標準層空調器的入風空氣狀態R2的焓值不低于S點，避免其加熱過程。經盤管后的空氣狀態點，其空氣處理過程如圖4所示。該變風量空調系統，由于充分利用了冬季室外新風集中加濕而產生的大量冷熱抵消作用，是一種比較節能的空調形式。
4、冷熱源
對于變風量空調系統，冬季和過渡季節運行時需同時滿足內外區的冷、熱負荷要求，故空調水系統采用四管制。由于系統要求同時提供冷、熱源，除采用常規的電動制冷機組加蒸汽或熱水鍋爐外，可以考慮采用直燃式溴化鋰冷熱不機組，其具有運轉時無振動，無磨損，運行經濟可靠等優點。不過，如采用直燃機組需注意以下幾個問題：
* 機組供水溫度 因為溴化鋰機組的冷凍水供水溫一般只能達到+7°C左右，當變風量空調系統設計低溫系統時，系統需提供足夠低溫的冷凍水，而這對于溴化鋰組而言就難以勝任了。
* 直燃機組需采用分隔式供熱機組 如果采用主體供熱式直燃機組，由于無法同時制冷和制熱，不能滿足變風量空調系統需同時提供冷、熱源的要求。
* 配置低負荷運行時只有內區少量冷負荷，其總冷負荷大大低于夏季空調時的總負荷，如在此低負荷情況下運行，直燃機組將大大降低其運行的經濟性和可靠性。故此時，低負荷制冷由獨立的電動冷水機組承擔為好，直燃機組只作制熱用。
在空調水系統設計中，冷卻塔可以設計采用獨立小塔不分彼此、統一組合的形式，所有冷卻塔風機采用雙速風機。實現運行時，不管入塔水量及水溫如何變化，冷卻塔通過調節風機風量以保證出塔卻水的溫度，這樣可以有效降低冷卻塔的運行能耗。由于變風量空調系統冬季亦需提供冷源，可考慮在室外空氣條件允許的情況下，利用冷卻塔的冷卻能力，通過板式熱交換器，提供一定低溫的冷凍水，以達到不開冷水機能的節能空調運行。
5、風量平衡
圖5是典型的變風量系統的經濟運行。對于采用混風的空調系統，新風量在各個房間是按風量分配的。也就是說，即使總新風量達到要求，在的房音也會有新風不足的問題，對于變風量系統，由于送入房間的要求，總新風量將會增加，基至在有的時候可能超過空調需要的送風量。為此可這樣考慮，在一定的新風量下，總回風中二氧化碳的含量不一定超標，可以利用回風以減少總新風量。圖示空調系統運行時，送風機根據空調負荷確定送風量，新風機則根據回風的空氣品質確定提供的新風量，而排風機則根據房間的所需正壓值匹配新風機的運轉。在過渡季節，調節新風機和排風機的運轉風量來維持一定的新回風混風溫度，這樣做法是充利用室外新風的低濕冷卻作用以減少冷機的開啟時間。但在實際采用時，如大樓標準層獨立設置一套變風量空調時間。但在實際采用時，如大樓標準層獨立設置一套變風量空調系統，這種做法需在每個樓層設兩臺變頻調速風機（新風機和排風機）。這勢必增加了每個空調機房所占的空間，也大大增加了初投資費用。為保證室內空氣品質，系統實際運行時，是通過探測回風空氣中的CO2濃度來控制新風量的，但CO2濃度達到要求并不能代表室內建筑空氣品質合格，室內還會存大其它揮發性污染物。
鑒于以上兩點原因，在實際設計時，往往確定一個滿足額定空調狀態時室內空氣品質所需的固定新、排風量。特別是在大樓存在大量分層空調的標準層系統時，通常各設置一套新風系統和一套空調排風系統，其總管統一設置的新、排風機采用變頻調速風機，且系統在每個樓層的新、排風支管接口處各設一個定風量控制器，新風機的轉速控制匹配于新風機的運轉，保證整個大樓的風量平衡。當然，大樓內還需設置一套廁所不間斷定風量排風系統，保證廁所內異味的排除。
在一些設計實例中，往往忽略了樓層內排風支管接口年設置定風量控制器，并把空調排風與廁所排風合為一個排風系統，對于這種設計，雖然排風機仍為變頻調速控制，能達到整個大樓的新、排風總量平衡。但對于每個樓層而言，排風系統理論上各樓層排風量是平均分配的，而其馀空調運行的樓層所分配到的排風量減少，造成房間過高的正壓。對于大樓的大堂等公共空間的空調設計，一般采用常規的定送風量、定新風量的空調系統。考慮到冬季空調運行時，對于樓體較高的大樓，會產生較大的熱升效應，從而造成大堂冬季空調運行時產生較大的負壓。為此，大堂等公共空間的空調可以考慮采用定送風量、變新風量的系統，空調新風由變頻調速的新風風機提供，通過調整新風送入量來保證不同季節空調運行時室內，定正壓（公共空間室內壓力設定值應滿足最小新風量所需的風量）。
6、自動控制
空調系統的正常運行主要依靠自動控制系統，這套自動控制系統與整個大樓的自動化管理系統的電腦相連接，實現監控和調節。在一般變風量空調系統的大廈中，包括以下幾廣面的要求。
* 水閥的調節
在個別定風量系統中，由回風溫度控制安裝在冷熱水回水管上的電動二通比例式調節閥。在新風系統在變風量系統中根據送風溫度控制安裝在冷熱回水管上的電動二通比例式調節閥。如在高大公共空間設置空周邊熱水采暖設備，則由其周邊采暖區域的溫度控制設在熱水采暖設備回水管上的電動二通比例式調節閥。
* 風閥的調節
在變風量每個末端裝置的控制區域，放置一個感溫器。根據感溫器所測的溫度與室內溫度設定值的差值，控制該區域的末端裝置內一次風電電動機風閥的開啟度，對于周邊再加熱變風箱，當室溫下降，風閥關至最小風量值時，啟動再加熱器，提供外區空調所需的熱負荷。
* 變靜壓法的變風量系統控制
在一些小規模的變內量空調系統可采用變靜壓控制法采用變靜壓控制法的系統總風管中所需設置靜壓傳感器，而是在變風量末端裝置中設置閥門開度傳感器，而是在變風量末端裝置的開啟度，由此判斷和計算來調節一次風空調器內風機的變頻器，使具有最小靜壓值的末端裝置的閥門處于全開狀器，使具有最小靜壓值的末端裝置的閥門處于全開狀態，這樣可以盡量降低風機運行的靜馀壓，節約風機的能耗。
* 定靜壓法的變風量系統控制
在通常的變風量空調系統中，一般設計采用定靜壓控制法。由于采用定靜壓，當所有末端風量都低于額定風量時，在系統的實際資用壓力將低于設計資用壓力，此時，再維持系統中的設定靜壓值則不利于風機的節能。但由于定靜壓控制的變風量系統，其空調器的風機調節與末端裝置的控制無直接聯系，故該系統控制方法比較簡單，運行可靠，適合于較大的變風量空調系統的場合。
在公共空間和主樓標準新風豎井中各放置壓力傳感器。根據壓力傳感器所測的壓力與設定值的差值，控制公共空間和辦公新風豎井的壓力定。主樓排風風量則根據新風機的運行情況而作自動相應調節。
* 對于空調器內的加濕器，根據室內的相對溫度，控制一次風的加濕量。
* 在新風入口設置電動風閥，與新風送風機連鎖開關，以防冬季非運行時盤管凍裂。
* 空調自控系統還包括冷凍機組運行臺數控制，優化啟停控制，供回水壓差恒定控制，啟停聯鎖控制，各運行狀態的遙感遙測和非正常狀態的故障報警等。
7、設計中值得注意的問題
7.1、噪聲
在變風量系統中，比較大的噪聲源除了送、回（排）風機外，還在變風量末端裝置，流過末端裝置入口的風速都比較高。因為壓力無關型的變風量末端裝置都帶有風速測量傳感器，這些傳感器一般要求風速高于一定數值才能保證測量準確。一般的節流型末端裝置是靠調節閥片開度來改變風量的，所以當閥片的風速也增加了，所以，入口調節閥片關小時，流經閥片的風速也增加了，所以，入口調節閥片處是末端裝置產生較高噪聲的一個主要來源。另處，如果采用帶風機的末端裝置，該風機也是一個產生噪聲的根源。
對于以上噪聲問題，筆者提出以下幾點建議供讀者參考：
* 校核選用的末端裝置在最小風量、風量時產生的噪聲。因為末端的型號越大噪聲也越大，故在便于合理布置空調系統的前提下，盡量選用小型號的末端裝置。
* 在變風量系統中采用變靜壓法自動控制系統，盡量提高系統末端裝置的節流調節閥的平均開度，從而降低末端入口調節閥的節流噪聲。
* 對于帶風機的末端裝置，視噪聲控制要求而定，合理選擇該末端置的風機運行風量，有可能的話，設計考慮全部采用無風機的末端裝置。
* 在末端裝置的出風管上，合理設置所需的消聲設備。
7.2、新風
圖1是典型是單風道變風量空調系統。一定的新風量直接送入空調器與回風混合，再由末端裝置分配送入各個房間。由于新回風比例在一定時期是固定的，當某一房間冬季的負荷降低而引起送風量的減少時，其送入房間的新風量也勢必減少，特別是外區范圍內的周邊小房間，由于該房間冬季空調時，含新風的一次風量只為定最小值，在實際運行控制時，為了盡量減少外區的末端裝置對空調送風再加熱而與一次冷風造成的冷熱抵消，往往將冬季一次風量最小值設定得過小，從而造成房間缺少新風，室內人員感到憋悶。故在這些特定房間內，應適應提高末端最小風量與風量之比（變風量比），以提高足夠的新風所需。如在一些內外區連通的空間場合，由于內外區的空氣可以自由流通，則可適當降低變風量比，減少一次風的冷熱抵消量，以達到節能效果。
7.3、氣流組織
在一些南方地區，冬季空調運行時外區的熱負荷較小，故外區的末端裝置設計采用電加熱。由于采用了電加熱器，它設有熱水盤管所產生的額外空氣流通阻力，因此采用無風機的末端裝置也較多，此時，因設有風機的恒定送風量的作用，須仔細分析氣流組織，合理布置周邊空調送風口，一般應采用條縫型風口靠外窗布置為好。避免如同內區所采用的方形平面散流器的布置形式。同時，可適當提高末端裝置設定的變風量比。
7.4、房間溫度控制
空調系統設計中應盡量避免同一個末端裝置的送風口跨分隔布置。因為末端裝置的送風量是根據感溫器所測溫度與房間溫度設定值之間的差值來控制的。當同一個末端裝置的送風品跨度分隔布置時，感溫器只能感知一個房間的溫度，如不同房間的負荷變化不相同時，則勢必會造成不同房間的實際控制溫度的偏差。在冬季空調運行時，如在一些內外區連通的大空間場合，可考慮外區的設定溫底低于內區2-3oC.這樣，有利于內區產生的部分富裕熱量傳至外區，承擔外區的部分熱負荷，從而達到空調運行時的節能作用。
8、總結
以上是筆者通過實際設計過程中的獲得的一點粗淺認識，本文的觀點和建議只是筆者的管窺之見，僅供參考。變風量系統有很強的動態特性，加之空調系統固有的非線性，使問題的解決變得非常困難。可目前這方面的研究還比較滯后，設計人員在設計時缺少有效的分析計算手段。國內變風量系統的實踐正在興起，迫切需要可行、有效的輔助設計的分析方法
