文｜深圳市可信自控有限公司 卞立群

1 概述

變風量空調(diào)系統(tǒng)，是相對定風量空調(diào)系統(tǒng)而言的，是在定風量空調(diào)系統(tǒng)上發(fā)展出來的。

定風量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組定風量送出一次風，通過控制空調(diào)機組的冷（熱）水閥實現(xiàn)變冷（熱）水流量調(diào)節(jié)，使送風溫度接近露點溫度進行（加熱）除濕，而后將干空氣送到多個風機盤管末端；風機盤管再次通過變水流量調(diào)節(jié)對一次風和室內(nèi)回風進行制冷（熱），平衡室內(nèi)冷（熱）負荷，達到將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設定值的目的。

變風量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組變風量送出一次風，通過控制空調(diào)機組的冷水閥實現(xiàn)變冷水流量調(diào)節(jié)，使送風溫度接近露點溫度進行除濕，而后將干空氣送到多個變風量末端箱，變風量末端箱通過風閥的變風量調(diào)節(jié)對一次風和室內(nèi)回風進行制冷或熱水盤管加熱，平衡室內(nèi)冷（熱）負荷，達到將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設定值的目的。

定風量和變風量空調(diào)系統(tǒng)比較如下：

（1）定風量空調(diào)機組可以設置冷水盤管和熱水盤管，可以在夏季為一次風供冷，在冬季為一次風供熱，風機盤管可以冷水供冷也可以熱水供熱。變風量空調(diào)機組只設置冷水盤管，在夏季為一次風供冷，在冬季關閉冷水閥，將室外冷空氣作為一次風，由變風量末端箱的熱水盤管提供熱負荷。

（2）定風量空調(diào)用風機盤管作為末端，由冷水和熱水提供與室內(nèi)溫度的溫差，通過人工選擇三速開關的高中低三種風量來改變冷熱負荷變化，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)精度差。變風量空調(diào)系統(tǒng)用變風量箱作為末端，由一次風或熱水盤管提供溫差，通過風閥比例控制調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)精度高。

（3）定風量系統(tǒng)與變風量系統(tǒng)的共同之處是：無論是定風量空調(diào)機組還是變風量空調(diào)機組都主導著一次風的送風溫度和送風溫差以及大部分的送風量，所以主導著大部分的冷熱負荷量；而無論是風機盤管還是變風量末端箱都只為局部區(qū)域（房間）提供變化的冷熱負荷，調(diào)節(jié)局部區(qū)域的溫度。

目前國內(nèi)的業(yè)界普遍感覺變風量空調(diào)系統(tǒng)難調(diào)，不成功的例子也屢屢出現(xiàn)，主要原因是對變風量空調(diào)系統(tǒng)沒有充分的研究和理解。因為變風量空調(diào)系統(tǒng)需要控制的技術環(huán)節(jié)多，從設計、安裝到調(diào)試，涉及多個單位和專業(yè)的共同合作，設計院、工程商、空調(diào)產(chǎn)品供應商、自控產(chǎn)品供應商等各個單位都必須理解整個系統(tǒng)的運行過程和自己負責的內(nèi)容，暖通空調(diào)、電氣和自控專業(yè)人員必須相互協(xié)調(diào)，共同研究解決設計、施工、調(diào)試中的每個環(huán)節(jié)的實際問題，才能達到設計目標。設計院應在設計階段就完善各項設計內(nèi)容，不留設計盲點；施工單位應嚴格遵守施工標準，在諸如控制漏風率、保溫降噪、保證接口圓滑等方面細致工作；自控調(diào)試人員應仔細核準末端風量，扣除漏風量，計算風機送風量，調(diào)試最大、最小風量調(diào)節(jié)幅度，最后調(diào)試合理的送風溫度，最終通過變風量（實際是變冷熱負荷）實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。

2 設計概念和各參數(shù)間的關系

（1）負荷與送風量和送風溫差的關系

負荷與送風量和送風溫差的關系如下：

式中，Q為空調(diào)送風所要吸收的全熱余熱，以W為單位；L為送風量，以m3/h為單位；p為空氣密度，以kg/m3為單位，可取1.2；c為空氣定壓比熱，以kJ/kg℃為單位，可取1.01；Tn為室內(nèi)溫度；Ts為送風溫度。

（2）變風量箱額定風量

變風量箱的額定風量或標準風量不是最大風量，而是最大風量和最小風量之間的中值。一般來說，額定風量是最大風量的85%，最小風量是最大風量的70%。

額定風量出現(xiàn)在室內(nèi)溫度等于室內(nèi)溫度設定值的時候。這時，溫差為零，PID輸出為50%，所以：

額定風量是變風量空調(diào)系統(tǒng)設計當中選擇變風量箱的基本參數(shù)。

（3）變風量箱的最小風量

變風量箱的最小風量是以下因素綜合的最大值：

①最小室內(nèi)新風量，比如每人30m3/h。

②變風量空調(diào)機組的最小送風量，一般是風機最大風量的70%在變風量箱末端的分配額。

③使變風量箱利用效率最高的工作點（在風機最大風量50%～100%的較大風量區(qū)間內(nèi)）。

④風量傳感器的最小精度，即傳感器能夠測量的最小風量，可根據(jù)VAV控制器提供的最小動壓1.9Pa計算出來。

（4）變風量箱的風量設定值

變風量箱的風量設定值可以利用室內(nèi)溫度與室內(nèi)溫度設定值之差的PID百分比，按照下式計算：

（5）變風量箱的風閥調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)變風量箱風閥的作用是令實測的風量值接近乃至等于風量設定值。VAV控制器自帶風閥，通過浮點控制的方法實現(xiàn)風閥的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/閑置。當實測風量小于風量設定值，風閥正轉(zhuǎn)；當實測風量大于風量設定值，風閥反轉(zhuǎn)；當實測風量在風量設定值±死區(qū)的一半范圍內(nèi)時，風閥閑置。

（6）變風量箱的風量測量值

VAV控制器自帶皮托管風速計，其原理是測量全壓和靜壓之差，即動壓。根據(jù)動壓的平方根與風速成正比的原理，即可計算出風量，計算公式如下：

式中，VP為動壓，即全壓與靜壓之差，單位是in.H2O（英寸水柱），取值范圍為0.008～1.0in.H2O（1.9～249Pa）；K為十字流量傳感器放大系數(shù)之倒數(shù)，通過試驗校正得到其范圍為0.5～1.0；A為入口截面積，單位是ft2；V為風速，單位是ft/min（FPM），風速范圍（K取1時）為350～4005FPM（1.8～20.4m/s）；F為風量，單位是ft3/min（CFM），風量范圍（K取1時）即V與A的乘積，如變風量箱入口風管直徑為0.2m，面積為0.031416m2，則風量范圍（K取1時）為204m3/h～2307 m3/h。

（7）常用單位換算公式

（8）變風量箱的入口溫度、送風溫差

在變風量箱的入口風管中，與十字傳感器同側(cè)的位置上，內(nèi)置有溫度傳感器，用于檢測入口溫度。入口溫度是變風量空調(diào)機組送出的一次風到達變風量箱的入口處的溫度，由于受到變風量空調(diào)機組的冷水盤管（或熱水盤管）的電動閥控制的送風溫度和風管溫升（降）的影響，每個變風量箱的入口溫度都因為風管的長度不同而不同。

變風量箱所提供的送風溫差等于室內(nèi)溫度與入口溫度之差，該溫差與風量之積即送風冷（熱）負荷，該負荷用于抵消室內(nèi)冷（熱）負荷的增加，如當兩者相等，則室內(nèi)溫度保持不變。

由于變風量箱需要提供一定的冷（熱）負荷，所以必須有一定的送風溫差，一般為5℃～7℃。

以深圳夏季為例，室內(nèi)設計干球溫度為24℃～26℃，室內(nèi)相對濕度≤65%，室外干球溫度為33.5℃，室外相對濕度83%，變風量空調(diào)機組的機器露點溫度為10℃～14℃。較高溫度的新風濕空氣和室內(nèi)溫度的回風干空氣，首先通過盤管降至露點溫度并除濕，經(jīng)過風機溫升后到達送風口的送風溫度為16℃，如考慮風機和管道溫升造成的冷損失為15%，風道漏風冷損失4%，則：

在深圳冬季，室內(nèi)干球溫度為20℃～22℃，室外干球溫度為5℃。因為最大冷負荷出現(xiàn)在夏季，所以按照夏季條件計算出的冷負荷完全可以負擔冬季的冷負荷需求。

（9）根據(jù)房間冷負荷計算變風量箱額定送風量

在設計院空調(diào)設計階段，首先應根據(jù)設計規(guī)范和房間功能，計算房間最大冷負荷，再根據(jù)變風量箱的送風溫差，計算變風量箱的額定送風量，公式如下：

式中，L為額定送風量，以m3/h為單位；Q為空調(diào)送風所要吸收的全熱余熱，以W為單位，取最大冷負荷值；p為空氣密度，以kg/m3為單位，可取1.2；c為空氣定壓比熱，以kJ/kg℃為單位，可取1.01；Tn為室內(nèi)溫度，可取平均值25℃；Ts為送風溫度，可取最大值21.5℃；Tn－Ts即送風溫差，可取平均值6℃。

如某房間，南朝向，外圍護結(jié)構(gòu)負荷692W，燈光負荷1755W，人體負荷顯熱213W、潛熱112W、散濕量168g/h，總負荷全熱余熱2771W、顯熱余熱2660W、余濕0.17kg/h，則：

（10）變風量空調(diào)機組額定風量

變風量空調(diào)機組的額定風量是風機能提供的最大風量，所以又稱風機額定風量。風機額定風量應能滿足風管上連接的全部變風量箱的最大風量需求并彌補風管漏風的損失。如按照漏風量占額定風量的4%計算，則：

（11）變頻器控制特性與風機運行特性

變頻器控制特性與風機運行特性有如下特點：

①變頻器輸出頻率與風機轉(zhuǎn)數(shù)成正比。

②風量與風機轉(zhuǎn)數(shù)成正比。

③風機出風全壓與風機轉(zhuǎn)數(shù)的2次方成正比。

④風機功率與風機轉(zhuǎn)數(shù)的3次方成正比。

⑤風管管道曲線隨風量的減小而上翹。

⑥風道管道曲線在風機70%負荷時，流量趨零。

⑦應該選取U/f模式的變頻器，以保證風機總效率達到最高。

⑧在風機管道送風的情況下，變頻器的有效輸出范圍是70%～100%。

（12）變風量空調(diào)機組

在進行變風量空調(diào)機組的參數(shù)設計時必須考慮以下幾點：

①滿足冷負荷逐時最大值要求。

②風量末端在工作穩(wěn)定點上還有±15%的調(diào)節(jié)性能。

③變風量機組不宜供熱，因為：

◆ 當變風量空調(diào)機組同時服務于內(nèi)區(qū)和外區(qū)時，不能解決內(nèi)區(qū)只需要冷負荷的問題；

◆ 即使單獨用一臺變風量空調(diào)機組服務于外區(qū)，還是解決不了外區(qū)不同朝向在不同時段的冷熱負荷變化的問題。

④變風量機組應該與變風量箱具有相同的壓力特性，按以下方式搭配的變風量箱也應具有相同的壓力特性：

◆ 內(nèi)區(qū)單風道末端箱，外區(qū)單風道末端箱加熱水盤管；

◆ 內(nèi)區(qū)單風道末端箱，外區(qū)并聯(lián)風機動力型末端箱加熱水盤管；

◆ 內(nèi)區(qū)并聯(lián)風機動力型末端箱，外區(qū)并聯(lián)風機動力型末端箱加熱水盤管。

⑤變風量機組送風全壓要大于末端最大全壓，例如750Pa～1250Pa。

⑥變風量機組送風速度可在中速12.5m/s到高速20m/s之間選定。

⑦變風量機組送風溫度要接近露點溫度。

⑧變風量機組送風阻力需要重點考慮，考慮對象包括冷熱水盤管、風管彎曲位置等；圓形直風管段的風道阻力很小，可以忽略不計。

（13）壓力無關型變風量箱

VAV箱屬于壓力有關型還是壓力無關型既與其自身有關，更與VAV控制器有關。

壓力有關型（pressure dependent）是指風閥執(zhí)行機構(gòu)直接由房間溫度控制。

壓 力 無 關 型（pressure independent）是指風閥執(zhí)行機構(gòu)由送風量來控制，而送風量設定值由房間溫度決定。

壓力有關型VAV箱只有風閥執(zhí)行器，沒有風量檢測裝置，它受室內(nèi)溫度控制，不斷改變開度調(diào)節(jié)送風量。由于溫度變化滯后，但靜壓、風速和送風量參數(shù)即時快速變化的緣故，當變風量系統(tǒng)中各VAVBOX都在調(diào)節(jié)各自溫度時，整個系統(tǒng)的靜壓將劇烈變化。再加上其控制模式采用靜壓控制法（即通過控制風機變頻器，調(diào)節(jié)變頻空調(diào)機組風機的風速，令風道最不利點的靜壓值恒定在設定值上），便造成了在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，由于調(diào)節(jié)速度過快，使得輸送給各個VAV箱的送風量變化劇烈，從而引起末端送風量頻繁出現(xiàn)“超調(diào)”或者“欠調(diào)”，使室內(nèi)溫度波動較大的情況。

壓力無關型VAV箱針對以上缺陷，提出由溫度決定送風量的設定值，控制送風量達到送風量設定值的解決方案。這樣一來，原來滯后反應的控制參數(shù)（溫度）被轉(zhuǎn)化成快速變化的控制參數(shù)（送風量），控制參數(shù)（送風量）成為與靜壓和風速參數(shù)一樣的即時變化值。在變頻空調(diào)機組一側(cè)，風機變頻器的控制方式改成總風量法和變靜壓法共同控制的方式，保持較穩(wěn)定的總管靜壓?！按蟛阶摺备某闪恕靶〔脚堋?，所以消除送風量“超調(diào)”或者“欠調(diào)”的情況，減小室內(nèi)溫度的波動。因此，帶十字風量探針，VAV控制器配有風量傳感器，由溫度控制轉(zhuǎn)化為送風量控制的VAV箱就是壓力無關型的。

（14）全壓、動壓和靜壓

變風量末端箱的靜壓降總是小于全壓降，這是因為進口風速遠大于出口風速，動壓降導致靜壓復得。全壓等于動壓與靜壓之和，全壓降才是輸送風量通過末端箱的能耗，所以變風量箱設計選型的依據(jù)是全壓降而不是靜壓降。

應考慮到變風量箱帶有多個風口，選擇合適的風口和送風距離，計算需要克服的變風量箱摩擦阻力，得到需要的全壓。

根據(jù)變風量機組送風全壓和風速，減去總風管的損耗，計算每個變風量箱的入口全壓和風速，以保證滿足變風量箱調(diào)節(jié)和風口送風距離的要求。

一般常見的變風量箱入口全壓在500Pa以下，靜壓在250Pa以下（這是為了給讀者以數(shù)據(jù)的概念而給出的一般情況下的數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)還需根據(jù)具體情況進行計算）。

3 設計案例

下面通過一個具體的設計案例來說明如何通過調(diào)節(jié)風量和改變送風溫度設定點來調(diào)節(jié)室內(nèi)一年四季的冷熱負荷。

如某個變風量空調(diào)機組負責10個變風量箱。每個房間的室內(nèi)設計溫度是25℃，在風道內(nèi)的送風溫度是15℃，末端溫差為10℃。每個房間的最大冷負荷是3000W，通過計算得到末端額定風量是890m3/h，即溫差10℃，送風量890m3/h時，能夠平衡室內(nèi)3000W的冷負荷，將室內(nèi)溫度維持在25℃。最大風量是額定風量的1/0.85，即1047m3/h，最小風量是最大風量的70%，即733m3/h。風量與閥位的關系如表1所示。

表1 風量與閥位關系表

從表1中可以看出：當室內(nèi)溫度高于25℃的設定值，送風溫度保持在15℃不變時，溫差增大，額定風量下提供的冷負荷增大，可以彌補室內(nèi)產(chǎn)生的少量冷負荷增加，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設定值；當室內(nèi)冷負荷增加較大時，通過增加風量來增加冷負荷供給，可使溫度回到設定值。當室內(nèi)溫度低于25℃的設定值時，溫差減小，額定風量下提供的冷負荷減小，可以彌補室內(nèi)產(chǎn)生的少量冷負荷減小，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設定值；當室內(nèi)冷負荷減小較多時，通過減少風量來減少冷負荷供給，可使溫度回到設定值。風量有±15%的變化，即冷負荷有±528W的增減量。

在夏季，風量變化提供±15%的冷負荷變化應該可以保證室內(nèi)溫度的穩(wěn)定控制。但在春秋兩季，室外溫度降低，盡管風閥開度降低到70%，室內(nèi)溫度卻還在降低，這時應該進一步減少風閥開度，降低溫差？

如果所有變風量箱風閥開度小于70%，變頻器也應該小于70%來平衡風量，但是根據(jù)風道特性曲線我們知道，風機輸出小于70%時，風能已經(jīng)非線性地減少到幾乎為零，所以只有通過降低送風溫差來減少冷負荷供給。反之，當變頻器100%輸出時，也只有通過提高送風溫差來提高冷負荷供給。

當室外溫度進一步降低，送風溫差接近為零時，冷水機組應該停止，用室外新風作為冷源。

當冬季室外溫度低于5℃，變風量箱應該啟用熱水盤管，利用空調(diào)熱水為室內(nèi)提供熱負荷。通過控制送風溫差與風量調(diào)節(jié)溫度的方法與供冷情況類似，邏輯相反。