变风量空调系统的设计和工程实例.docx

1、变风量空调系统的设计和工程实例变风量空调系统的设计和工程实例前言变风量空调系统是利用改变进入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的一种空调系统。其最大优点在于节能和提供良好的舒适性。当今变风量空调系统已经发展到可以通过计算机网络对空调系统进行实时采样、监测、分析和调控，实现全天候、全方位、全过程控制智能化，并成为现代化智能化大楼的一部分。 1 变风量空调系统简介1.1 变风量空调系统的工作过程 一个典型的智能化控制型单风管带再热盘管的变风量空调系统如图1所示。空调室内回风与室外新风混合，经集中式空调机组处理后，由风管送到各个空调区域。控制器根据室内负荷的大小，通过改变变风量末端风阀的开度，调节

2、送入室内的风量；当室内需要供热时，再热盘管的热水阀打开，送风温度提高，通过改变变风量末端风阀的开度，调节送入室内的热风量。空调房间送风量的改变，导致送风总管静压的变化，总管压力传感器测量风管系统静压后，由自控系统通过调节风机的送风量实现定静压控制。冷水盘管的三通阀调节冷水的流量使送风温度保持恒定，新风量和室内正压由送风机和回风机同时控制。系统的各个测量点可以与计算机通讯，进行实时监测、分析和调控并可以优化控制参数，实现最佳的控制方案。1.2 变风量空调系统的分类 广义上说，凡是改变系统送风量的空调系统都是变风量空调系统。在目前的工程实际中，变风量空调系统主要有以下两种形式：单风管变风量系统和双

3、风管变风量系统。其中单风管变风量系统又分为普通单风管变风量系统和单风管末端再热变风量系统。双风管变风量空调系统分别设有冷、热风管，可以根据室内的负荷情况精确地调节供冷量和供热量，在任何情况下均可满足房间的温度要求，具有调节方便、热稳定性好的特点。适合在一些舒适性要求高的空调场所使用。1.3 变风量末端的分类变风量末端分为两种类型：变风量箱和变风量风口，其区别在于前者改变风量后再由某种形式的风口向空调室内送风，而后者则是直接在送风口处改变送风量。二者的工作特性和气流组织有很大的不同。目前常用的变风量箱有三种类型：节流型、风机动力型和旁通型。节流型变风量箱是最基本也是应用最多的一种的变风量箱，单风

4、管型变风量箱由一个节流阀加上对该阀的控制和调节装置及外壳组成，双风管型变风量箱则由两个节流型变风量箱组成。按是否补偿压力变化，可分为压力无关型和压力有关型两种。压力无关型因反应快，室温波动小，控制稳定性好，在目前使用较普遍。目前在工程中应用的变风量风口主要有两种类型：电力驱动型和热力驱动型。1.4 变风量空调系统的优点 1.4.1 变风量空调系统具有卓越的节能性变风量空调系统最大的优点在于节能，它主要体现在以下三个方面：1) 减少空调风机运行能耗由于空调系统在全年实际运行的大部分时间内均处于部分负荷状态，变风量空调系统相应的送风量随之减少，带变频驱动装置的风机大多数情况下在中低速下运行。根据理

5、论计算，空调风机的电力消耗全年平均可降低50%以上，有关数据在本文后面的章节中将作进一步讨论。2) 充分利用室外新风作为冷源，降低制冷系统的运行能耗由于变风量空调系统是全空气空调系统，在任何季节，只要当室外新风的焓值低于室内值时，室外新风就可以作为系统冷源，变风量空调系统就可以在经济循环模式下运行。3) 能量动态转移，实现综合效益变风量空调系统节能很重要的一点在于变风量空调系统在设计时充分考虑了瞬时负荷及内外区的热平衡。变风量空调系统的设计是真正基于逐时负荷的设计，系统可以根据需要随时调节分配到各个区域内的送风量和供冷量(或供热量)。系统总送风量为各时段中所有区域要求风量之和的最大值，而不是所

6、有区域要求风量最大值之和。前者通常只占后者的70%90%，因此变风量空调系统可以显著减少系统的总送风量。在现代建筑尤其是现代高层建筑的空调系统设计中，由于负荷的内外区的特性差异大，内区通常表现为全年冷负荷，而外区则既有冷负荷又有热负荷。变风量空调系统通过回风的混合可以实现能量在区域之间流动，内区的一部分得热可以转移到外区。这就是所谓热平衡。据统计，在一般的办公楼及商用建筑中，采用变风量空调系统设计通常可以减少制冷设备总容量的10%至30%，带来的直接和间接的经济利益非常可观。1.4.2 变风量空调系统的其他优点还包括具有良好的舒适性及自平衡特性，维护非常方便，运行费用低等。1.5 变风量空调系

7、统的适用范围由于变风量空调系统特性优良和技术成熟，它已经被广泛地用于各种工程实践中。但在选择变风量空调系统时，应注意分析系统中负荷的性质，并考虑系统是否对风量有特殊的要求。通常变风量空调系统对于室内负荷变化较大的舒适性智能化建筑非常适合，如办公室、会议中心、银行、商场、宴会厅等。对于一些特殊场所，如室内负荷变化不大，通风要求较高时，使用定风量系统空调可能是更好的选择。例如在医院手术室、实验室、工业机房等。 2 变风量系统设计2.1 空调分区一般空调系统是按不同用途和使用时间进行分区的，而变风量空调系统系统的设计中，还经常按负荷特性分区，对于进深较大的空调房间宜分为内、外区，其中外区进深可取35

8、m(距离外墙或外窗)。2.2 风系统设计 2.2.1 空调机组选型空调机组是变风量空调系统中最重要的部件之一，在设计上比普通的空调机组要多考虑一些问题。它要求风机的工作范围在流量静压特性曲线中较为陡峭的一段，这和普通的空调机组刚好相反。因为变风量空调系统一般通过维持送风系统静压来控制送风机的风量，这就要求在风机的特性中，流量的变化对系统静压变化必须敏感。2.2.2 变风量末端的选择在目前的工程实践当中，主要使用两种类型的变风量末端：(压力无关型)变风量箱和变风量风口。两者均能实现区域的独立温度控制，不过变风量箱具备较大的通风能力，通常每个变风量箱带36个风口，可控制的空调区域范围较大；当要求将

9、空调空间划分为多个较小单元的独立控制区域时，从经济性考虑，可采用变风量风口。2.2.3 气流组织设计1) 对普通变风量箱+送风口形式的系统而言，在风量减少时送风口的风速衰减较快，可能会产生送冷风时冷气流下坠，送热风时热空气无法抵达工作区域等弊端，解决办法是采用扩散性能好的送风口：如条缝形风口，灯具型风口等。2) 对采用变风量风口的系统而言，因为可随室内负荷变化自动调节送风口风阀开度，从而改变送风量，因此能维持送风口风速相对恒定，可以保证送风的高射程和良好的贴附能力。2.2.4 风管设计 2.2.4.1 普通变风量箱+送风口形式的系统风管设计1) 由于变风量系统是一种全空气系统，相对风机盘管+新

10、风系统而言，势必要在节省吊顶空间上多作考虑，通常做法是提高送风的流速；在吊顶空间受限制的情况下，一种可行办法是采用风机动力型变风量箱，只输送一次风，可加大送风温差，减少送风量，缩小风管尺寸。2) 因为压力无关型变风量箱都带有风速传感器，对于连接变风量箱的入口支管，应留有3倍管径以上长度的直管段，以保证测量准确。3) 在设计风量下从变风量箱出风口到房间送风口间的风管压力损失一般不要超过50Pa。3 TF变风量风口的系统设计本章介绍美国ACUTHERM公司生产的变风量风口(Therma FuserTM，简称TF变风量风口)的工作原理和系统设计方法。3.1 TF变风量风口的工作原理 TF变风量风口(

11、Therma FuserTM)是一种带有内置温度控制器，依靠热敏感物质的膨胀收缩作用来驱动风阀进行风量调节的变风量末端。温控器是一个充有石油蜡状物的小铜柱。温度升高时，蜡状物融化膨胀，向外推动柱塞，温度降低时，蜡状物凝固收缩，弹簧将柱塞拉回。通过柱塞运动成比例地调节风阀的开度。TF变风量风口是通过空气诱导作用感受进入风口的室内空气(二次风)的温度来得到室内平均温度的，其结构示意图如下(图2)：上图为冷热型TF变风量风口。它有三个温控器，其中一个为模式转换温控器，另两个为房间温控器，分别是：供冷温控器和供热温控器。 模式转换温控器位于风管入口处，感应送风温度，用来控制供冷和供热的模式转换。当送风

12、温度升高，达到24.5C时，风口由供冷模式开始向供热模式进行转换，并在送风温度达到26.5C时完成转换。在此温度以上，风口处于供热模式，即供冷温控器对风阀不起调节作用，风阀仅由供热温控器进行控制。当送风温度降低到20C以下时,风口由供热模式转换回供冷模式。供冷温控器和供热温控器均安置在回风诱导腔内，它们可以充分感应诱导风温来控制风阀。在供冷模式下，由供冷温控器负责控制风阀的开度，风阀的开度会随房间温度的升高而增大；而在供热模式时，则由供热温控器负责控制风阀开度，风阀开度会随房间温度的升高而减小。TF变风量风口还有其他两种类型：单冷带快速供热型和单冷型。单冷带快速供热型风口中除了有一个供冷温控器

13、外，在风管入口处，还有一个快速供热温控器。当送风温度升高，达到23.3C时，快速供热温控器开始动作，通过膨胀作用推动传动臂打开风阀，使热空气送入房间，当送风温度达到26.7C时，风阀处于全开状态。单冷型风口中仅有一个供冷温控器，其温度调节范围为：2125.5C。3.2 TF变风量风口的特点3.2.1 独立的温度控制每个TF变风量风口内均设置有温控器、执行机构和调节阀门，因而构成一套独立的区域温度控制系统。它不但适用于多个不同的房间，并且也适用于将一个开敞的空间划分为若干个独立控制区域的房间。3.2.2 适应房间布局的任意变化对使用TF变风量风口的空调系统，在一般情况下，增加或拆除房间隔墙不会破

14、坏系统分区。除非在特殊的情况下增加的隔墙刚好位于风口下方，这时亦只需简单地移动一下风口即可，施工极为简便。3.2.3 在变风量末端中最节能TF变风量风口的阻力接近于普通送风口，因此它是阻力最小的一种变风量末端。与普通的变风量箱系统相比，它避免了变风量箱的压力降，因而可以采用较低压的送风系统及选用较低功率的送风机，大幅降低送风机的能耗。因为每个TF变风量风口均构成独立的温度控制区域，可避免空调房间的局部出现过冷或过热的现象，从而节省制冷或供热系统的能耗。另外，TF变风量风口的控制调节完全依靠本身的热敏元件提供驱动力，不需消耗任何外界能量。3.2.4 气流组织卓越普通的变风量箱系统的下送天花型送风

15、口均不能自动调节开度，风口风速会随送风量的改变而变化，在送风量减少的情况下，送风风速相应降低，可能出现供冷时冷气流下坠或供热时热风抵达不到工作区域等弊端。采用TF变风量风口可圆满地解决这个问题。它是随负荷的变化自动调节风阀开度的，在送风风速相对恒定的前提下，通过改变风口的流通面积来调节送风量。因此它能够保证送风的高射程和良好的贴附能力，使室内空气的流动更加充分，从而使室内的温度场分布更趋于一致。3.2.5 实现独立区域控制的投资最少因为TF变风量风口自身带有实现控制的所有部件，安装时只需接上送风管道即可，无需任何特殊技术和设备，一个人即可方便地安装TF变风量风口。同时，因为TF变风量风口无需电

16、源，也不用任何外界动力来驱动执行装置，因而可以节省复杂而昂贵的电气布线系统以及电动(或气动)驱动装置和控制接线的材料费和安装费。选用TF变风量风口的系统总造价低于其他类型的变风量系统。3.2.6 精确地控制室内温度TF变风量风口的温度传感器置于风口内部，随时诱导室内空气的温度来调节风阀，因此它永远处于最合适的位置。这种设计能控制室内平均温度保持在0.9C 偏差范围内。3.2.7 维护量极少据使用了TF变风量风口15年之久的用户证实，该风口无需任何维护工作。仅需在适当的时侯抹一抹外表面的灰尘。用户无需储存任何备件。3.3 适用范围TF变风量风口适用于办公大楼、会议中心、图书馆、商场和宴会厅等建筑

17、类型。新建项目：提供相对较低的一次性投资的独立温度控制。改建项目：无需更改空调管道即可使原有空调系统升级，实现独立的温度控制。满足特定的需要：改善原有系统不尽人意的区域的空调；满足局部区域特殊的温度控制要求等等。对原有的定风量空调系统进行局部的变风量改造时，只要变风量之和不超过系统总风量的30%，就可以直接安装TF变风量风口而无需增加静压控制装置。3.4 采用TF变风量风口的空调系统设计3.4.1 送风管系TF变风量风口的原理及构造决定了其风管入口静压必然受到限制，它是一种低压变风量末端。TF变风量风口在低压风管系统中是完全适用的。如果想在高压或中压送风管系统中采用TF变风量风口，可以用加装压

18、力无关型调节装置（PIM）的方法来进行管路设计。空调机组与PIM之间的送风管可以设计为高压或中压风管，PIM之后的风管设计为低压风管，TF变风量风口可用在PIM之后的低压风管中。3.4.2 管路设计3.4.2.1 在进行TF变风量风口的低压送风管路设计时，应注意使第一个TF变风量风口（距离送风机或静压控制装置最近）的入口静压不超过62Pa(依据不同的噪音标准而不同)，并保证最后一个TF变风量风口有足够的入口静压（不低于12Pa）。3.4.2.2 对于简单（等效长度在15米以内）的TF变风量风口低压管路系统可直接在风机处进行静压控制（如采用变频驱动器、旁通风阀、出风口调节风阀等方式）即可满足设计

19、要求。3.4.2.3 对于复杂的管路系统，应进行适当的管路布置和水力计算，使每一支路的压力降能满足TF变风量风口的入口静压要求，并在支路的始端设置压力无关型调节装置（PIM)，以保证支路中静压控制点维持在设定值。3.4.3 低压送风管道计算方法：A 在建筑平面图中画出空调送风管道系统简图，布置好TF变风量风口，标出每个风口的设计风量。B 从TF变风量风口的性能参数表中找出距风机或静压控制装置最远的风口在设计风量下所对应的静压值。C 确定距风机或静压控制装置最近的风口的风管分支处的静压值。这个静压值通常为62Pa，如果此处风口要求的噪音标准要求较高的话，则应取更小的静压值。D C项减去B项，得出

20、允许的压力降值。E 计算从第一个风口的分支处到最后一个风口的风管等效长度。注：等效长度是指风管的实际长度加上弯头、三通等风管部件的折算长度。对于低速风管，弯头的等 效长度通常可折算为1.3米 。F D项除以E项得出单位长度风管压力降Pm值。G 确定风管截面尺寸。通常用两种方法：等压降法和非等 压降法。等压降法：以单位长度风管压力降Pm值相等为前提，在已知总压力降值的情况下，取最长的环路或压力损失最大的环路将总的压力降平均分配给风管的合个部分，再根据各部分的风量和所分配的压力降值确定风管截面的尺寸。通常建议低压送风管的风速选择在3.6m/s6.6m/s之间；单位长度风管的阻力降Pm值控制在0.3

21、30.82Pa/m之间。非等压降法：在采用等压降法受限制的情况下，可以采用非等压降法。例如采用等压降法，在接近风机处的风管管径很大，而安装空间又不够时，可以采用非等压降法。即在距风机较近处可选用较高的Pm值，而在距风机较远的系统末端可选用较低的Pm 值。具体步骤如下:A 选择恰当的分段点，通常将30米45米长的风管分成6米9米长的若干段，如果风管总长度超过45米，则超过部分也视为一段。注：这里风管长度指的是等效长度而非实际长度。B 分配每段的压力降值，从距风机最近的一段开始，依次向后。通常第一段的Pm值=Pm的平均值x1.5，该段压力降值为最大值，最后一段压力降值为最小值。C 根据各段的风量和

22、所分配的压力降值确定风管截面的尺寸，并结合环路间的平衡进行调节，以保证总压力降值小于允许的压力降值.4 变风量空调工程中的控制与调试4.1 变风量空调系统的参数控制4.1.1 变风量末端的控制(1) 压力有关型压力有关型变风量末端控制器通过对温度传感器的信号进行采样，输出以风阀开度为控制目标的信号，从而维持室温恒定。当一个区域的风量变化而引起主管的静压变化时，会导致其他区域内的送风量也相应变化，系统随各区域负荷的变化不断重新平衡。(2) 压力无关型压力无关型变风量末端控制器通过对温度传感器的信号进行采样，输出以送风量为控制目标的信号，以控制风阀开度，使得送入房间的送风量趋向于所要求的风量，从而

23、维持室温的恒定。压力无关型变风量末端风阀的开度是服从于送风量的，所以当一个区域的风量变化而引起主管的静压变化时，其他区域内的送风量不会相应变化。风阀驱动器的控制只由计算所需的风量信号决定。需要要注意的是，风阀驱动器的控制在有些系统中与送风温度有关，例如供冷、供热时的动作是相反的。4.1.2 空调风系统静压控制(1) 单风管变风量系统变风量系统必须控制送风量。否则当末端风阀关小时，系统总送风量减少，风管内静压升高，漏风增加。末端风阀会出现噪音增大，无法控制的情况。同时也造成风机能量浪费。送风量的控制普遍采用的是静压控制法。静压控制点的静压应尽可能低，以节约风机能量。但必须保证设计工况下每个区域在

24、此静压下能得到所需风量。静压控制器应该是比例积分型，以消除静态偏移及提高系统的稳定性。如果采用单纯的比例型静压控制器，当上游区域负荷减少时，静压增加会造成风机动作较快。造成风机不必要的能量损失。静压控制点的选择应在风管系统的压力曲线上优化选择，通常安装在送风机到系统末端的2/33/4之间。除了安装静压控制器以外，在风机出口应安装静压保护装置，以避免出口静压过高而损坏风管。(例如在火警时防火阀关闭)。进风控制系统应与送风机开停控制联锁，当风机停止运行时，风机进风阀应关闭或回到最小开度位置。这样就可以避免风机在启动或运行在通风模式时出现风机过载，损坏风管的现象。(2) 双风管双风机变风量系统双风管

25、变风量空调系统的静压控制与单风管类似，只是每一路风管都有独立的静压控制。4.1.3 送风温度的控制变风量空调系统通常采用的是定送风温度控制。当系统负荷很低时，我们也可以通过提高送风温度来节约冷量，因为此时提高送风温度后可以避免再热，即冷热抵销。但节省冷量的同时也可能带来风机能耗的增大。有时提高送风温度，还可能会影响舒适性。所以这里存在一个优化的问题。必须在总体节能的前提下，才能考虑实行调节送风温度的方案。供冷模式中送风温度通常设计13oC左右，在供暖或预热模式时冷水阀关闭，送风温度重新设定。在新风节能经济循环中，送风温度也在13oC 左右。4.1.4 新风量的控制(1) 设定变风量末端最小开度

26、变风量空调系统的送风量大小是由空调室内负荷决定的，当室内负荷的减少时，送风量和新风量同时减少。为了保证房间最小新风量，在系统设计时，一种方法是对变风量末端风阀设置最小开度。最小开度的意义是，风阀永远不会完全关闭，始终有一部分空气进入房间，以保证房间的新风及换气要求。但是，采用从空调机组引入新风，在末端设定最小开度的方法，在室内负荷较低的情况下，有可能造成室内过冷。同时，采用设定变风量末端最小开度的方法，在确定系统新风比时，需要进行复杂的经济技术比较。如果要保证每个末端风阀在15%30%的最小开度时，相对应的区域仍能得到所需的新风量，通常所要求系统的新风比会很高，造成耗能过大。而且采用设定变风量

27、末端最小开度的方法，需要根据室内负荷变化，不断对系统总新风比进行调节。(2) 系统总新风量的控制新风阀由新风焓控制器控制，当室外新风的焓值不适宜作为冷源时，新风阀回到最小开度。只要当室外新风的焓值低于室内值时，变风量系统就可以在经济循环模式下运行。即采用100%室外新风，充分利用室外新风作为冷源。需要注意的一点是，变风量系统在采用经济循环模式时，必须对新风阀、回风阀及排风阀加以控制，以满足室内静压要求。4.1.5 其他系统部件的控制：4.1.5.1 加热盘管的控制加热盘管在变风量系统中用于除湿或寒冷季节的供暖。在寒冷季节，我们经常用早晨预热模式对空调房间进行快速升温。4.1.5.2回风控制通过

28、一个室内静压控制器调节回风阀及回风机转速，可以得到所需回风量。4.1.6 变风量末端的网络化我们可以利用网络将空调系统各个部分联系起来，用来对系统进行分析和优化，以得到最大的节能和舒适效果。利用系统联网，我们可以监测每个运行或非运行的空调房间，观测每个变风量末端的温度和流量，优化送风温度，根据设定时间计划定时开机或停机，自动关闭每个不需使用的房间的空调。而且系统管理员可以方便地进行系统诊断及故障排除。对于大型空调系统，运用网络技术能带来巨大的节能效果。而对于一些小的系统，可以根据业主的要求建立网络，只对系统的一些关键控制点进行监测，同样也有很好的节能效果。4.2 变风量空调系统系统运行控制：系

29、统运行模式可分成三类:4.2.1 正常工作模式正常工作模式是指在正常工作时间内，空调系统利用人工冷/热源或室外新风冷源向空调房间进行空气调节。4.2.2 值班模式所谓值班模式是指室内无人工作的时间内，变风量空调系统重新设定工作状态。当建筑物内温度低于一定的设定温度时，空调机组将向建筑物内供热，防止建筑物内部过冷。当建筑物内温度高于一定的设定温度时，空调机组将向建筑物内供冷，防止建筑物内部过热。4.2.3 早晨预热模式早晨预热是变风量系统运行控制中一个重要组成部分，它可以保证空调系统在上班之前将室内环境迅速调节到人体舒适的状态。然后启动正常工作模式。早晨预热适用于单风管、双风管等各种空调系统。是

30、否选用早晨预热模式取决于建筑物的特性。早晨预热是实行值班模式向正常工作模式的转化。当早晨预热模式结束时，系统进入正常工作模式。早晨预热的时间可以进行初始设定，例如2小时，然后根据系统的实际效果进行调整。这种调整可以通过建筑物内一个或多个温度控制器的反馈信号来实现。如果选用一个温度传感器，该传感器应设置在最有代表性的房间内。如果选用多个温度传感器，则取其加权平均值，可以更准确地反映系统早晨预热的效果。然后系统控制器可以根据这种效果优化早晨预热时间。在早晨预热模式中，空调机组风机通常以最大风量运行，末端风阀完全打开，满负荷运行。带加热盘管的空调机组将重新设定该模式下的送风温度，空调机组将采取全回风

31、方式，加速室内空气循环。尽快将室内环境处理到舒适状态。4.3 变风量空调系统的工程调试(送风系统部分)变风量空调系统的工程调试非常重要，其工作质量直接影响系统的运行结果，某些原本正确的设计由于没有进行合理的调试而不能正常工作。或者勉强能工作，也使得变风量空调系统的优势变得不明显。调试工作是一项严谨的工作，必须按要求及步骤进行。4.3.1 变风量系统的风量平衡(以节流型变风量末端为例)A 确定系统的最大送风量及最大回风量。由于负荷的非同时使用特性，总风量应该小于各末端风口的最大风量之和。B 需要厂家提供送、回风机的特性曲线。C 如果采用调速器或变频器，确定最大、最小风量时的转速或频率。D 需要厂家提供变风量末端的最大、最小工作压力。E 建立系统阻力曲线，确定系统在最大送风量下的工作点。系统应该运行在最小总风量同时变风量末端入口静压为最低设计值与最大总风量的状态之间。F 将系统以最大风量运行，检查每个变风量末端的开度。G 调整风机转速，确定系统正常运行