摘要：在供冷季中，當某個房間的溫度低于設(shè)定值時，溫控器就會調(diào)節(jié)變風量末端裝置中的風閥開度減少送入該房間的風量。由于系統(tǒng)阻力增加，送風靜壓會升高。當超過設(shè)定值時，靜壓控制器通過調(diào)節(jié)送風機入口導葉角度或電機轉(zhuǎn)速減少系統(tǒng)的總送風量。送風量的減少導致送回風量差值的減少，送回風量匹配控制器會減少回風量以維持設(shè)定值。風道壓力的變化將導致新排風量的變化，控制器將調(diào)節(jié)新風、回風和排風閥來保持新排風量。

　　關(guān)鍵詞：變風量,空調(diào)系統(tǒng),設(shè)計,討論

　　1 變風量系統(tǒng)簡介[1]、[2]

　　變風量系統(tǒng)(variable air volume system)本世紀60年代誕生在美國。變風量技術(shù)的基本原理很簡單，就是通過改變送入房間的風量來滿足室內(nèi)變化的負荷。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時間在部分負荷下運行，所以，風量的減少帶來了風機能耗的降低。變風量系統(tǒng)出現(xiàn)后并沒有得到迅速推廣，當時美國占主導地們的仍是定風量系統(tǒng)加末端再熱和雙風道系統(tǒng)。西方70年代爆發(fā)的石油危機促使變風量系統(tǒng)在美國得到廣泛應(yīng)用，并在其后20年中不斷發(fā)展，已經(jīng)成為美國空調(diào)系統(tǒng)的主流，并在其他國家也得到應(yīng)用。

　　變風量系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

　　·由于變風量系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)送入房間的風量來適應(yīng)負荷的變化，同時在確定系統(tǒng)總風量時還可以考慮一定的同時使用情況，所以能夠節(jié)約風機運行能耗和減少風機裝機容量。

　　·系統(tǒng)的靈活性較好，易于改、擴建，尤其適用于格局多變的建筑。

　　·變風量系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng)，它具有全空氣系統(tǒng)的一些優(yōu)點，可以利用新風消除室內(nèi)負荷，沒有風機盤管凝水問題和霉變問題。

　　圖1是一個典型的單風道變風量空調(diào)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，除了送回風機、末端裝置(VAV terminal)、閥門及風道組成的風路外，還有五個反饋控制環(huán)路--室溫控制、送風靜壓控制、送回風量匹配控制、新排風量控制及送風溫度控制。

　　在冬季，對于有內(nèi)外區(qū)的建筑，內(nèi)區(qū)繼續(xù)供冷，外區(qū)末端裝置只提供最小風量以保證新風氣流組織，由末端再熱裝置或其他供暖系統(tǒng)供熱。

　　變風量系統(tǒng)不僅限于圖1所示的單風道節(jié)流型這一種形式，還有旁通型、雙風道等形式。廣義地講，只要是風量變化的全空氣系統(tǒng)都可以稱作變風量系統(tǒng)。

　　我國在80年代初曾經(jīng)引進過變風量系統(tǒng)，但由于對系統(tǒng)性能不夠了解，致使系統(tǒng)不能按設(shè)計要求運行。一時間變風量系統(tǒng)的應(yīng)用和研究停頓了下來。近來，工程師又把目光轉(zhuǎn)向了變風量系統(tǒng)。筆者認為，這其中有兩大原因。一是國內(nèi)目前的定風量系統(tǒng)和風機盤管系統(tǒng)暴露出一些缺點。由于我國目前舒適性空調(diào)系統(tǒng)都是沒有末端再熱的定風量系統(tǒng)，所以，一個送風參數(shù)不能滿足不同房間的要求。風機盤管系統(tǒng)可以避免這個問題，但是凝水污染吊風機盤管系統(tǒng)可以避免這個問題，但是凝水污染吊頂以及霉菌問題同樣令人不能容忍。隨著室內(nèi)辦公設(shè)備的增加、房間使用功能的變化、房間格局的變化，空調(diào)系統(tǒng)也應(yīng)當做相應(yīng)改動，可是定風量系統(tǒng)和風機盤管系統(tǒng)改擴建較麻煩。二是受變風量系統(tǒng)節(jié)能的誘惑。空調(diào)歷來是個能耗大戶，而其中風機能耗占較大一部分。因此，業(yè)主也希望采用變風量系統(tǒng)以節(jié)約運行費用。

　　雖然變風量系統(tǒng)有很多優(yōu)點，但是據(jù)國外文獻介紹，大部分變風量系統(tǒng)或多或少地也暴露出一些問題。從用戶的角度看，主要有：

　　·缺少新風，室內(nèi)人員感到憋悶;

　　·房間內(nèi)正壓或負壓過大導致房門開啟困難;

　　·室內(nèi)噪聲偏大。

　　從運行管理方面看，主要有：

　　·系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，尤其是帶"經(jīng)濟循環(huán)(economizer cycle)"的系統(tǒng);

　　·節(jié)能效果有時不明顯;

　　此外，目前變風量系統(tǒng)還存在一些固有的缺點：

　　·節(jié)能效果有時不明顯;系統(tǒng)的初投資比較大;

　　·對于室內(nèi)濕負荷變化較大的場合，如果采用室溫控制而又沒有末端再熱裝置，往往很難保證室內(nèi)濕度要求。

　　對一個系統(tǒng)來說，問題并不一定時時刻刻都存在，可能在某個工況發(fā)生在另一個工況又消失了。

　　從表面上看，似乎變風量系統(tǒng)只不過比定風量系統(tǒng)多了一些末端裝置和風量調(diào)節(jié)功能。可是，就因為變風量系統(tǒng)風量的變化和增加的末端設(shè)備，使得變風量系統(tǒng)從方案設(shè)計到設(shè)備選擇、施工圖設(shè)計、直到施工和調(diào)試都具有不同于定風量系統(tǒng)的特殊性。變風量系統(tǒng)存在的這些問題和缺陷，其原因是多方面的。有的可能需要一定的技術(shù)支持才能解決;而有的可能通過空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計人員的精心設(shè)計就可以避免。

　　2 變風量末端裝置

　　末端裝置是改變房間送風量以維持室內(nèi)溫度的重要設(shè)備。末端裝置有如下幾種分類方法。

　　按照改變風量的方式 ，有節(jié)流型和亮度通型。前者采用節(jié)流機構(gòu)(如風閥)調(diào)節(jié)風量;后者則是通過調(diào)節(jié)風閥把多余的風量亮度通到回風道。

　　按照是否補償壓力變化，有壓力有關(guān)型(pressure dependent)和壓力無關(guān)型(pressure independent)。從控制角度看，前者由溫控器直接控制風閥;后者除了溫控器外，還有一個風量傳感器和一個風量控制器，溫控器為主控器，風量控制器為副控器，構(gòu)成串級控制環(huán)路，溫控器根據(jù)溫度偏差設(shè)定風量控制器設(shè)定值，風量控制器根據(jù)風量偏差調(diào)節(jié)末端裝置內(nèi)的風閥。當末端入口壓力變化時，通過末端的風量會發(fā)生變化，維持原有的風量;而壓力無關(guān)型末端可以較快地補償這種壓力變化，維持原有的風量;而壓力有關(guān)型末端則要等到風量變化改變了室內(nèi)溫度才動作，在時間上要滯后一些。價格上，壓力無關(guān)型要比壓力有關(guān)型高一些。

　　按照有無末端混風機來分，有帶風機和不帶風機兩種末端。帶風機的末端可以在小風量或低溫送風系統(tǒng)中保證室內(nèi)一定的氣流組織。按照風機和一次風的關(guān)系，帶風機的末端又可分為帶并聯(lián)風機的末端裝置(parallel fan powered terminal)和帶串聯(lián)風機的末端裝置(series fan powered terminal)。

　　按照控制方式分，有電動、氣動和自力型。電動的末端還有模擬型和直接數(shù)字控制型兩種。

　　另外，末端裝置還可以附設(shè)消聲和再熱水功能。

　　3 是否采用VAV

　　變風量系統(tǒng)適合多房間且負荷有一定變化的建筑。對于負荷變化較小的建筑物，采用變風量系統(tǒng)的意義不大。每種系統(tǒng)形式式都有它的優(yōu)點和缺點，不存在十全十美的系統(tǒng)。比如，變風量系統(tǒng)容易產(chǎn)生噪聲問題，那么對于影劇院和電臺錄音棚這類聲學效果要求較高的場合，最好不要采用變風量系統(tǒng)。對某一系統(tǒng)優(yōu)劣的評價關(guān)鍵在于實際運行顯現(xiàn)出來的優(yōu)點多還是缺點多。設(shè)計人員在方案設(shè)計(概念設(shè)計)階段所做的工作主要是綜合各方面因素--建筑物用途、建筑格局、室內(nèi)負荷變化特點、工程造價、系統(tǒng)運行維護以及業(yè)主結(jié)將來改擴建的考慮等等，進行技術(shù)經(jīng)濟比較，權(quán)衡利弊。總之，是否采用變風量系統(tǒng)要因地制宜，不能為了用而用。

　　4 設(shè)計中幾個值得注意的問題

　　4.1 變風量比

　　空調(diào)系統(tǒng)全年大部分時間運行在部分負荷工況下，也就是說，變風量系統(tǒng)的風機、風道以及末端的風量大部分時間都處于最大風量和最小風量兩種極限狀態(tài)之間。根據(jù)經(jīng)驗，如果在這兩種極限狀態(tài)下不發(fā)生問題，那么基本上可以保證系統(tǒng)大部分時間運行正常。最小設(shè)計風量與最大設(shè)計風量之比定義為變風量比(Kv)。一般地，房間的Kv值最好不要小于0.4～0.5，否則容易導致房間氣流組織惡化、噪聲和通風問題;系統(tǒng)的Kv值最好也不要小于0.4～0.5，否則會導致系統(tǒng)新風嚴重不足以及控制不穩(wěn)定等問題。

　　一般來說，房間的最大設(shè)計風量比較容易確定，面對于像會議室、影劇院、餐廳這類負荷變化不確定的地方，確定最小設(shè)計風量相對要困難一些。其實，在確定最小風量時除了要考慮負荷變化特點之外，還要考慮房間氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)要求。房間送風量太小會產(chǎn)生冷風下沉、新風不足、換氣次數(shù)不夠等問題。為保證風速的測量精度，壓力無關(guān)型末端裝置也有最小風量要求。

　　另外，對于采用燈具回風的房間，一部分燈光負荷沒有直接進入房間，而是被回風帶走，提高了送回風溫差，計算風量是不能包括這部分負荷。所以，在確定設(shè)計風量時，還要考慮房間回風方式的影響。

　　不論是房間還是系統(tǒng)，變風量比都是表征變風量系統(tǒng)一個比較重要的動態(tài)特性參數(shù)。

　　4.2 新風問題[1]、[3]

　　圖2是一個典型的定風量系統(tǒng)的經(jīng)濟循環(huán)系統(tǒng)(economizer cycle system)①。在過渡季，通過調(diào)節(jié)新風、回風和排風三個閥門的開度來改變新風量以維持一個混風溫度。這種做法是為了縮短冷機的開啟時間。這里姑且不談經(jīng)濟循環(huán)系統(tǒng)在定風量系統(tǒng)中能否正常運行，不過單純地像圖2那種做法在變風量系統(tǒng)中肯定無法保證新風量。圖3給出了一個系統(tǒng)的壓力分布圖，其中b表示設(shè)計工況，c為50%設(shè)計風量時的情況。可以看出，當總風量減少時，從而導致新風減少。

　　對于采用混風的空調(diào)系統(tǒng)，不論是定風量系統(tǒng)，還是變風量系統(tǒng)，新風量在各個房間是按負荷分配的。也就是說，即使總新風量達到要求，有的房間也會有新風不足的問題。對于變風量系統(tǒng)，由于送入房間的風量是變化的，所以房間的新風量必然也是變化的。如果為了滿足這些房間的要求，總新風量將會增加，甚至在有的時候可能超過需要的送風量。為此，ASHRAE標準62-1989提出，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。該標準給出了修正總新風量的計算式，

　　Y=X/(1+X-Z) 　　　　　　(1)

　　其中：Y--修正后的總新風量與總值送風量之比;

　　X--未修正的總新風量與總送風量之比;

　　Z--各房間中，新風量與送風量之比的最大值。

　　ASHRAE標準62-1989只回答了如何確實總新風量問題。可是，對于變風量系統(tǒng)，送入房間的風量是變化的，房間的新風量必然也是變化的。新風量的問題就更加突出了。所以，在新風要求很高的場合，可能要單獨敷設(shè)新風道。這樣，風道占用建筑的空間就要增加了。

　　所以，變風量系統(tǒng)中，新風主要存在三方面的問題：總新風量的控制，總新風量的確定和新風的分配。

　　4.3 噪聲問題[1]

　　在變風量系統(tǒng)中，比較大的噪聲源除了送、回(排)風機外，還有變風量末端裝置。流過末端入口的風速都比較高，因為壓力無關(guān)型的變風量末端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(shù)值才能保證測量準確。這是末端裝置產(chǎn)生較高噪聲的一個原因。一般的節(jié)流型末端是靠調(diào)節(jié)閥片開度來改變風量的，所以當閥片關(guān)小的時候，流經(jīng)閥片的風速也增加了，所以，閥門調(diào)節(jié)也是一個產(chǎn)生噪聲的根源。

　　末端裝置產(chǎn)生了噪聲通過送風和外殼傳入室內(nèi)，前者稱為送風噪聲(discharge noise)，后者稱為輻射噪聲(radiated noise)。在末端裝置的產(chǎn)品樣本中，都列有詳細的噪聲數(shù)據(jù)供設(shè)計者參考。一般，末端裝置產(chǎn)生的噪聲隨型號增大而增加，隨前后壓差的增加而增加。由于變風量系統(tǒng)的運行工況是變化的，勢必室內(nèi)的聲壓級要隨之變化。一般來說，人耳對穩(wěn)定聲壓級的噪聲環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，長時間后，人的感覺就不很明顯了。但是，當壓級的變化達到5dB，人的耳朵就能較清楚地感覺到。這就是為什么在有的變風量系統(tǒng)中，室內(nèi)人員有時候能聽到噪聲，而有時候又感覺不到。

　　對于噪聲問題，筆者提出以下幾點建議供讀者參考。

　　①校核每個末端裝置在最小、最大風量下產(chǎn)生的噪聲。

　　②對于噪聲要求較高的場合(如NC35以下)，采用變風量系統(tǒng)要謹慎，而帶風機的末端通常用在NC40以上的場合。

　　③因為末端的型號越大噪聲也越大，所以，最好選用入口直徑不大于300mm的末端裝置。

　　④盡量把末端裝置安裝在房間外面(如走廊)。如果只能裝在室內(nèi)且噪聲又超標，應(yīng)與建筑工種協(xié)調(diào)，考慮采用消聲效果好的吊頂材料或其他措施。

　　⑤末端裝置出風口到房間送風口間的風道壓力損失不要超過50～60Pa。否則，在低負荷工況會導致末端裝置前后壓差較大，從而使室內(nèi)噪聲級變化較大。

　　⑥房間設(shè)計噪聲聲壓級最好比要求的低大約5dB。

　　4.4 氣流組織

　　一般的空調(diào)系統(tǒng)的送風口都是定截面的，導葉角度也很少改變，所以當風量減少時，勢必影響室內(nèi)氣流組織。

　　國外通常采用空氣分布特性指標ADPI[14] 來評價房間的氣流組織性能。該指標綜合考慮了空氣溫度、氣流速度和人的舒適度三方面的因素。如果ADPI=100%，表示全室人員都感到舒適;ADPI達到80%，即可認為是滿意的氣流組織效果。60年代美國堪薩斯大學對幾種風口進行了氣流組織試驗，結(jié)果如圖4所示。可以看出在變風量送風的情況下，條縫散流器在較大的風量變化范圍內(nèi)，ADPI均可保持在80%以上，說明這兩種送風口的性能較為理想。

　　4.5 房間正壓度

　　由于變風量系統(tǒng)的新排風量和房間的送回風量是變化的，所以房間的正壓也是波動的，不像定風量系統(tǒng)那么穩(wěn)定。這個問題如果處理不好，會發(fā)生房間門開啟困難、門縫和窗縫滲風嚴重等問題。

　　房間正壓度與系統(tǒng)送回風匹配控制、新排風控制和房間的送回風方式有關(guān)。其中，房間的送回風中，進入房間的送風支道上都安裝有末端裝置，而回風道上是很少裝末端裝置的，這樣，為了保證房間正常壓力，國外經(jīng)常采用吊頂回風，這種做法的回風道內(nèi)壓力的變化對室內(nèi)壓力影響較小。如果只能采用風道回風，就一定要減小回風風速，盡量減小回風道上相距最遠的兩個回風口間的壓降。

　　4.6 末端裝置的選擇

　　末端裝置的種類繁多，而不同廠家的產(chǎn)品還各具特點。在種類選擇時，應(yīng)充分考慮末端裝置的聲學控制性能以及房間功能要求。在尺寸選擇時，一般在設(shè)計最大風量的基礎(chǔ)上還要考慮一定的裕量以滿足將來發(fā)展的需要。但是，末端選型不要過大，選型過大會減小風閥的調(diào)節(jié)范圍，降低調(diào)節(jié)能力，極易導致末端風閥在小風量時產(chǎn)生振蕩。

　　另外，在末端選型問題上一直存在一個爭論即壓力有關(guān)型和壓力無關(guān)型末端哪個好。一種觀點認為，壓力無關(guān)型末端好，反應(yīng)快，室溫波動小。另一種對立觀點認為，正因為壓力無關(guān)型末端反應(yīng)快，才容易造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，房間的熱慣性較大，一定程度的壓力變化對房間溫度影響較小，所以，壓力有關(guān)型反而會比壓力無關(guān)型更穩(wěn)定。

　　到底誰優(yōu)誰劣還需要大量工程實踐和研究才能得出結(jié)論。