VAV (Variable Airvolume System) 空调系统是属于全空气式的一种空调方式,当室内负荷变化时,用改变送风量的方法来维持室内温度、湿度。在20 世纪70 年代以后,为了节约能源、美国、日本、西欧等国在办公楼、宾馆、医院、学校和商业中心等地方已广泛采用VAV 空调系统,近年来,境外设计的国内建筑中也有大量采用。
随着国内建筑智能化程度的提高,要求相应的空调系统更加舒适、安全和节能,同时具备智能化功能,这是VAV 空调系统在国内推广的前提条件;控制技术的日趋成熟,成本的大幅度降低也为VAV 空调系统的发展奠定了坚实的基础。
  VAV 空调系统的特点
一个完整的变风量系统,应该由空气处理设备、一个中压送风系统、若干台末端装置和必要的自动控制元件所组成。变风量系统是一种节能的空调方式,它具有如下一些特点:
a) 由于变风量系统的末端装置可以根据负荷的变化和个人的舒适要求改变送风量,这意味着整个空调系统的供冷量是可变的,即可以随着负荷的变化调节送风量;
b) 配以合理的自动控制,空调和制冷设备只按实际负荷需要运行,可降低耗电量和运行费;
c) 可以实现单个房间的温度自控,各房间可以独立选择自己要求的控制温度;
d) 可不作系统风量平衡调试,就可以得到满意的平衡效果;
e) 由于增加了系统静压、室内最大风量和最小风量、室外新风量等的控制环节,设备本身的造价会有所提高。
3 　设计实例
上海某国际学校(SAS) 教学楼的设计,设计参数和概况如下。
3. 1 　设计参数
大楼建筑面积为4213m2 ,共二层,建筑物高度为13. 5m。夏季冷负荷810kW , 冬季热负荷400kW。
3. 2 　冷热源
制冷时冷源为设置在中央机房的风冷冷水机组,供水和回水温度为7 ℃/ 12 ℃,冷冻水由外场管道送至教学楼内的空调箱表冷段。制热时热源为设置在空调箱内的电热盘管。
3. 3 　VAV 空调系统
教学楼分成4 块,每块设一个变风量空调系统。室外新风和回风混和后,进变风量空调箱处理后送至室内各区域送风末端装置,末端装置根据所辖区域温度调节送风量。当各末端装置送风量之和减少时,风机变频调速,相应减少送风量,
从而节约了风机动力消耗。
采用VAV 空凋系统较之传统的风机盘管加新风的系统,有如下优点:
a) 区域温度控制较好,增加了舒适性;
b) 空调箱带中效过滤,改善了空气品质;
c) 部分负荷时风机减速,节能明显;
d) 冷冻水、冷凝水不进吊顶,免除冷凝滴水及细菌繁殖之忧。
图1 　教学楼空调系统布置图
4 　设计分析
4. 1 　系统设计
4. 1. 1 　风量的确定
根据变风量空调系统的特点,应分别计算各房间风量以及系统总风量,以便选择末端装置、送风口、风道管径和空调设置。
4. 1. 1. 1 　送至各房间的最大风量
L = 3. 6 Qq/ρ( In - I s)
式中L ———最大送风量,m3/ h ;
Qq ———全热负荷最大值,W;
ρ———空气密度,kg/ m3 ;
I n , I s ———室内空气焓值和送风状态空气焓值,kJ / kg。
4. 1. 1. 2 　送至各房间的最小风量
按上式,采用最小全热负荷可算出最小风量。同时,室内最小风量应能满足新风量要求,在SAS项目中为30m3/ h·人。根据以上最大最小风量就可以选择和计算变风量末端装置的型号和大小。
4. 1. 2 　送风和回风机的选型
对于VAV 系统来说,风机是根据系统负荷计算出的最大风量进行选型。当风量减少时,仍希望其运行处于或接近最高效率值,故选用风机时需分析风机特性曲线和风道特性曲线的变化范围,使风机的工作范围处于稳定区。风机的特性曲线应较为平坦。另外,送风和回风机应尽量选用同一系列和同一型号,以使风机调节特性相似,便于系统风量的平衡。离心式风机应用于变风量系统非常合适,SAS
项目中选用了离心的送风和回风机。
4. 1. 3 　风管系统的设计
VAV 送风道系统的设计按最大风量设计,同时保证VAV 末端进风口的全压能克服末端装置、末端管道、送风口的阻力,保持送风口有一定余压。回风可利用吊顶空间当作回风道,这种回
风方式可以吸收大部分照明负荷。回风系统应该是低速系统,这样既可使加风系统的压力平衡得以保持,又避免产生噪声。排风系统设计应尽可能使运行稳定,SAS 项目中排风系统是定风量的。
4. 1. 4 　VAV 系统的再加热
VAV 系统在一定的送风温度下,由负荷减少至预定的最小值后,再采用加热,由加热盘管维持温度和湿度。SAS 项目中,每个末端装置的带有电加热盘管,由温控器控制,预防过冷。
4. 2 　VAV 系统控制
VAV 系统随着空调负荷的变化需要随时改变房间送风量及系统总风量,所以控制在此系统中就有十分重要的作用,只有实现了完善的控制,系统才能实现正常运行,其本身的节能性、舒适性才能得到充分体现。
VAV 控制系统一般要包括如下几个部分:
a) VAV 末端控制;
b) AHU (空气处理机组) 控制;
c) 系统风管静压控制;
d) 空调环境正压控制。
其实后两部分严格讲依然属于AHU 控制,所以下面把这三部分合在一起叙述。
从控制方式来说,有定静压法,变静压法及系统风量控制法三种。几种控制方式的详细论述可以参见相关资料文献,下面根据SAS 项目中的实际系统配置介绍所采用的实际控制方式。
4. 2. 1 　VAV 末端控制
VAV 末端控制是实现相关空调环境的基本控制环节。目前有压力相关型、限风量型及压力无关型三种控制方式。SAS 项目中采用压力无关型,即在保证风管系统静压不受单个末端变化影响的前提下,根据空调负荷的变化调节相应送风量。此方式系统运行最稳定,室内温度波动很小。SAS 项目中VAV 末端控制可由操作者设定时间运行表或通过与温度传感器一体的区域设定器由现场人工设定。
当执行时间表时首先检测空气处理机组是否处于开启状态,当确定开启后,VAV 末端进行正常运行;如果空气处理机组未启动,VAV 末端控制器将通过控制网络申请启动空气处理机组。现场人员根据实际需要设定所需温度,VAV末端控制器通过比较设定值与实际值的差距对风阀进行PID 控制。为保证室内最小送风量,每个VAV 末端有3级电加热。根据送风口动静压传感器信号,VAV末端控制器计算出实际送风量,当达到最小送风量后限定风阀最小开度,如果室内温度依然存在下降的趋势,根据需要分别启动3 级电加热。
4. 2. 2 　AHU (空气处理机组) 控制
4. 2. 2. 1 　启/ 停
根据运行时间表或由操作者启动风机。
4. 2. 2. 2 　送风温度控制
送风管上温度传感器感测送风温度,DDC 根据送风温度设定值对电动二通阀(冬季为多级电加热器) 进行PID 控制,保证送风温度。
4. 2. 2. 3 　新风控制
根据室外温度和湿度传感器信号,DDC 计算出相应焓值,决定新风阀的开启度,在环境合适下应充分利用室外新风,并保证最小新风量。送入房间的新风量会随着送风量的改变而成比例的改变,为保证房间的最小新风量,设置送风二氧化碳传感器是最理想的,但一般情况下,设置新风阀最小开度也可基本达到要求。在SAS 项目中,在排风管出口处设置压力传感器,保证最小的排风压力。由新风阀、回风阀、排风阀的连动,以确保达到最小新风量。
4. 2. 2. 4 　回风阀控制
回风阀与新风阀联动控制,以保证风量恒定。
4. 2. 2. 5 回风湿度控制
根据回风湿度传感器信号,对循环空气进行加湿、除湿控制,保证回风湿度的恒定。
4. 2. 2. 6 　系统风管静压控制(送风机控制)
系统风管静压控制是实现系统功能非常关键的一环。根据送风管上静压传感器信号,DDC 对送风机进行变频控制,保证送风管静压恒定其中风管静压设定值可以根据实际需要进行改变,设定方式如下:
a) 设定值可由人工设定改变;
b) 根据VAV 末端的开关情况而自动设定改变,当有一个或几个区域风阀开启在最大位置后一定时间,静压设定值升高,反之降低。
根据以下四个值来调整设定值:
a) 每次调整时间间隔;
b) 当一个末端达到最大开启位置后对静压设定值提高的要求;
c) 当没有一个末端达到最大开启位置后对静压设定值降低的要求;
d) 静压设定值增加的上限,操作者可以限定最大、最小设定值。
4. 2. 2. 7 　空调环境正压控制(回风机控制)
一般应保证空调房间的正压,防止室外空气向建筑物内渗透以节约能源。从理论上进,送风量大于回风量即可保证。目前有三种方式:a) 流量法;b) 联锁法;c) 室内压力法。流量法为通过
测量送风和回风动静压而计算出送风和回风量;联锁法为将送风和回风的风机变频控制以一定系数联锁,保证送风和回风量;室内压力法即在房间内直接测量压力。从准确度上讲,室内压力法为最好,但涉及到
压力传感器的布置及信号线长度的限制,较少应用;流量法与(送风和回风机) 连联法从原理上讲是一样的,都是直接保证总送风量大于总回风量。连联法较为简单,只要在系统调试时设定正确即可,SAS 项目中采用联锁法。
5 　结语
VAV 空调系统在我国并不是很新的概念,但由于种种原因一直没有推广普及。近年来,国外一些设计单位将这个国外运用较为成熟的系统带进了国内的一些建筑物,并取得了应用成功,这对VAV 空调在国内的推广起到了一定的推动作用。但是,由于国情不同,照搬国外的设计是行不通的,创立我们自己的设计理论,推广符合我国国情的设计理论,是我们每位空调设计人员的责任。

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