變風量空調系統管理論文參考
變風量空調系統管理論文參考
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後，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：變風量最佳化設計
1、引言
變風量空調系統於60年代在美國誕生，其基本原理是透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並得到應用。
變風量空調系統主要有以下幾個優點：
*由於變風量空調系統是透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執行，所以風量的減少帶來了風機能耗的降低。
*區別於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最大值來確定。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%*變風量空調系統屬於全空氣系統，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築吊頂空間，因而免除了盤管凝水和黴變問題。
*系統的靈活性較好，易於改、擴建，尤其適用於格局多變的建築。儘管變風量空調系統有其特有的優點，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，進一步最佳化其設計理念。
2、空調系統
2.1、變風量空調系統是透過改變進入房間的風量來滿足室內變化的負荷，當房間低於設計額定負荷時，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；對於象大堂公共空間、影劇院等負荷變化較小的場合，採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。由於其場合一般都是高大空間。如果採用變風量空調系統，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並聯風機的末端裝置和帶串聯風機的末端裝置，一般選用以後者為主。
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。由於內區常年供冷，建議採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。對於外區，則建議採用帶風機的末端裝置，其出風口設定再加熱器。在北方地區，其再加熱器以熱水盤管為主；而在南方地區，由於其加熱量較小，可以考慮利用富裕的夏季電動製冷機組的用電裝機容量來設定電加熱器。在冬季空調執行中，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。如設計採用無風機的末端裝置出口處的加熱器熱其空調送風。如設計採用無風機的末端裝置，則冬季最小送風量將大大低於夏季執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。對於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。故外區一般採用帶風機的末端裝置，則可完全避免以上兩大問題。透過風機的作用，儘管一次風量減少，由於二次迴風的補入，保證了送風量，定於設計的額定風量；同時由於送風量的增加，降低了其它調送風溫差。另外，由於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餘壓。
2.3、還有一種設計思路，即內外區全部無風機的末端裝置，出口處也不用設定再加熱器，而在周邊圍護結構內側下方另設立式風機盤管。夏季空調執行時，完全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；冬季空調執行時，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，由於避免了吊頂內設定帶風機制末端裝置，從而降低了該風機帶來的噪聲問題，介同時由於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執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定冬季預熱盤管和加溼器。作為冬季執行，新風經新風空調的預熱盤管加熱至O1或O2點，經加溼處理後至E點，而後與樓層空調回風混合後達到R點，再經一次風空調器的冷卻盤管處理至出風狀態點S.新風加器可以採用等溫加溼和絕熱加溼兩種方法。由於新風加溼量較大，故等溫加溼一般採用乾飽和蒸汽加溼法，而絕熱加溼法，對於高壓葉噴霧加溼法，由於無法做到比例調節，實際執行時控制精度很差，故新風加溼一般以採用乾飽和蒸汽等溫加溼為主。該空調系統夏季執行時，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溼過程。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溼，必需先對其等溼加熱，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，造成大樓空調系統執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，不設加溼器。大樓標準層的空調器只設冷卻盤管和高壓噴霧加溼器，而對於其它樓層有額定熱負荷的情況下再加設加熱盤管。該空調系統夏季執行時，其空氣處理過程也如圖3所示。而作為冬季執行，新風空調器只對室外新風進行預加熱，新迴風混合後進入樓層空調器，空調器則根據控制要求對其加熱或冷卻（對於不同樓層，回熱或冷卻可能同時存在）當然，新風加熱處理後溫度設定值的前提是大於+5°C，且保證標準層空調器的入風空氣狀態R2的焓值不低於S點，避免其加熱過程。經盤管後的空氣狀態點，其空氣處理過程如圖4所示。該變風量空調系統，由於充分利用了冬季室外新風集中加溼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
對於變風量空調系統，冬季和過渡季節執行時需同時滿足內外區的冷、熱負荷要求，故空調水系統採用四管制。由於系統要求同時提供冷、熱源，除採用常規的電動製冷機組加蒸汽或熱水鍋爐外，可以考慮採用直燃式溴化鋰冷熱不機組，其具有運轉時無振動，無磨損，執行經濟可靠等優點。不過，如採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，而這對於溴化鋰組而言就難以勝任了。
*直燃機組需採用分隔式供熱機組如果採用主體供熱式直燃機組，由於無法同時製冷和制熱，不能滿足變風量空調系統需同時提供冷、熱源的要求。
*配置低負荷執行時只有內區少量冷負荷，其總冷負荷大大低於夏季空調時的總負荷，如在此低負荷情況下執行，直燃機組將大大降低其執行的經濟性和可靠性。故此時，低負荷製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，冷卻塔可以設計採用獨立小塔不分彼此、統一組合的形式，所有冷卻塔風機採用雙速風機。實現執行時，不管入塔水量及水溫如何變化，冷卻塔透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執行能耗。由於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，透過板式熱交換器，提供一定低溫的冷凍水，以達到不開冷水機能的節能空調執行。
5、風量平衡
圖5是典型的變風量系統的經濟執行。對於採用混風的空調系統，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，對於變風量系統，由於送入房間的要求，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，總迴風中二氧化碳的含量不一定超標，可以利用迴風以減少總新風量。圖示空調系統執行時，送風機根據空調負荷確定送風量，新風機則根據迴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迴風混風溫度，這樣做法是充利用室外新風的低溼冷卻作用以減少冷機的開啟時間。但在實際採用時，如大樓標準層獨立設定一套變風量空調時間。但在實際採用時，如大樓標準層獨立設定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佔的空間，也大大增加了初投資費用。為保證室內空氣品質，系統實際執行時，是透過探測迴風空氣中的CO2濃度來控制新風量的，但CO2濃度達到要求並不能代表室內建築空氣品質合格，室內還會存大其它揮發性汙染物。
鑑於以上兩點原因，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，通常各設定一套新風系統和一套空調排風系統，其總管統一設定的新、排風機採用變頻調速風機，且系統在每個樓層的新、排風支管介面處各設一個定風量控制器，新風機的轉速控制匹配於新風機的運轉，保證整個大樓的風量平衡。當然，大樓內還需設定一套廁所不間斷定風量排風系統，保證廁所內異味的排除。
在一些設計例項中，往往忽略了樓層內排風支管介面年設定定風量控制器，並把空調排風與廁所排風合為一個排風系統，對於這種設計，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。但對於每個樓層而言，排風系統理論上各樓層排風量是平均分配的，而其餘空調執行的樓層所分配到的排風量減少，造成房間過高的正壓。對於大樓的大堂等公共空間的空調設計，一般採用常規的定送風量、定新風量的空調系統。考慮到冬季空調執行時，對於樓體較高的大樓，會產生較大的熱升效應，從而造成大堂冬季空調執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採用定送風量、變新風量的系統，空調新風由變頻調速的新風風機提供，透過調整新風送入量來保證不同季節空調執行時室內，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
空調系統的正常執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線，實現中央監控和調節。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，由迴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定空周邊熱水採暖裝置，則由其周邊採暖區域的溫度控制設在熱水採暖裝置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，對於周邊再加熱變風箱，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採用變靜壓控制法採用變靜壓控制法的系統總風管中所需設定靜壓感測器，而是在變風量末端裝置中設定閥門開度感測器，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於全開狀器，使具有最小靜壓值的末端裝置的閥門處於全開狀態，這樣可以儘量降低風機執行的靜餘壓，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，一般設計採用定靜壓控制法。由於採用定靜壓，當所有末端風量都低於額定風量時，在系統的實際資用壓力將低於設計資用壓力，此時，再維持系統中的設定靜壓值則不利於風機的節能。但由於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絡，故該系統控制方法比較簡單，執行可靠，適合於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感測器。根據壓力感測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執行情況而作自動相應調節。
*對於空調器內的加溼器，根據室內的相對溫度，控制一次風的加溼量。
*在新風入口設定電動風閥，與新風送風機連鎖開關，以防冬季非執行時盤管凍裂。
*空調自控系統還包括冷凍機組運行臺數控制，最佳化啟停控制，供回水壓差恆定控制，啟停聯鎖控制，各執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感測器，這些感測器一般要求風速高於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，如果採用帶風機的末端裝置，該風機也是一個產生噪聲的根源。
對於以上噪聲問題，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、最大風量時產生的噪聲。因為末端的型號越大噪聲也越大，故在便於合理佈置空調系統的前提下，儘量選用小型號的末端裝置。
*在變風量系統中採用變靜壓法自動控制系統，儘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。
*對於帶風機的末端裝置，視噪聲控制要求而定，合理選擇該末端置的風機執行風量，有可能的話，設計考慮全部採用無風機的末端裝置。
*在末端裝置的出風管上，合理設定所需的消聲裝置。
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迴風混合，再由末端裝置分配送入各個房間。由於新迴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，特別是外區範圍內的周邊小房間，由於該房間冬季空調時，含新風的一次風量只為定最小值，在實際執行控制時，為了儘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最大風量之比（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，由於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，冬季空調執行時外區的熱負荷較小，故外區的末端裝置設計採用電加熱。由於採用了電加熱器，它設有熱水盤管所產生的額外空氣流通阻力，因此採用無風機的末端裝置也較多，此時，因設有風機的恆定送風量的作用，須仔細分析氣流組織，合理佈置周邊空調送風口，一般應採用條縫型風口靠外窗佈置為好。避免如同內區所採用的方形平面散流器的佈置形式。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
空調系統設計中應儘量避免同一個末端裝置的送風口跨分隔佈置。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佈置時，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。在冬季空調執行時，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於內區2-3oC.這樣，有利於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，從而達到空調執行時的節能作用。
8、總結
以上是筆者透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後，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。