摘要：在供冷季中，當(dāng)某個(gè)房間的溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫控器就會(huì)調(diào)節(jié)變風(fēng)量末端裝置中的風(fēng)閥開度減少送入該房間的風(fēng)量。由于系統(tǒng)阻力增加，送風(fēng)靜壓會(huì)升高。當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，靜壓控制器通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉角度或電機(jī)轉(zhuǎn)速減少系統(tǒng)的總送風(fēng)量。送風(fēng)量的減少導(dǎo)致送回風(fēng)量差值的減少，送回風(fēng)量匹配控制器會(huì)減少回風(fēng)量以維持設(shè)定值。風(fēng)道壓力的變化將導(dǎo)致新排風(fēng)量的變化，控制器將調(diào)節(jié)新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)閥來保持新排風(fēng)量。

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

　　1 變風(fēng)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介[1]、[2]

　　變風(fēng)量系統(tǒng)(variable air volume system)本世紀(jì)60年代誕生在美國。變風(fēng)量技術(shù)的基本原理很簡(jiǎn)單，就是通過改變送入房間的風(fēng)量來滿足室內(nèi)變化的負(fù)荷。由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，所以，風(fēng)量的減少帶來了風(fēng)機(jī)能耗的降低。變風(fēng)量系統(tǒng)出現(xiàn)后并沒有得到迅速推廣，當(dāng)時(shí)美國占主導(dǎo)地們的仍是定風(fēng)量系統(tǒng)加末端再熱和雙風(fēng)道系統(tǒng)。西方70年代爆發(fā)的石油危機(jī)促使變風(fēng)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(fēng)量系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　·由于變風(fēng)量系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)送入房間的風(fēng)量來適應(yīng)負(fù)荷的變化，同時(shí)在確定系統(tǒng)總風(fēng)量時(shí)還可以考慮一定的同時(shí)使用情況，所以能夠節(jié)約風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗和減少風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量。

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

　　·變風(fēng)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(diǎn)，可以利用新風(fēng)消除室內(nèi)負(fù)荷，沒有風(fēng)機(jī)盤管凝水問題和霉變問題。

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

　　在冬季，對(duì)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(fēng)量以保證新風(fēng)氣流組織，由末端再熱裝置或其他供暖系統(tǒng)供熱。

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

　　我國在80年代初曾經(jīng)引進(jìn)過變風(fēng)量系統(tǒng)，但由于對(duì)系統(tǒng)性能不夠了解，致使系統(tǒng)不能按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。一時(shí)間變風(fēng)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(fēng)量系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，這其中有兩大原因。一是國內(nèi)目前的定風(fēng)量系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)暴露出一些缺點(diǎn)。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(fēng)量系統(tǒng)，所以，一個(gè)送風(fēng)參數(shù)不能滿足不同房間的要求。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)可以避免這個(gè)問題，但是凝水污染吊風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)可以避免這個(gè)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(dāng)做相應(yīng)改動(dòng)，可是定風(fēng)量系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)改擴(kuò)建較麻煩。二是受變風(fēng)量系統(tǒng)節(jié)能的誘惑。空調(diào)歷來是個(gè)能耗大戶，而其中風(fēng)機(jī)能耗占較大一部分。因此，業(yè)主也希望采用變風(fēng)量系統(tǒng)以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

　　雖然變風(fēng)量系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是據(jù)國外文獻(xiàn)介紹，大部分變風(fēng)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(fēng)，室內(nèi)人員感到憋悶;

　　·房間內(nèi)正壓或負(fù)壓過大導(dǎo)致房門開啟困難;

　　·室內(nèi)噪聲偏大。

　　從運(yùn)行管理方面看，主要有：

　　·系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，尤其是帶"經(jīng)濟(jì)循環(huán)(economizer cycle)"的系統(tǒng);

　　·節(jié)能效果有時(shí)不明顯;

　　此外，目前變風(fēng)量系統(tǒng)還存在一些固有的缺點(diǎn)：

　　·節(jié)能效果有時(shí)不明顯;系統(tǒng)的初投資比較大;

　　·對(duì)于室內(nèi)濕負(fù)荷變化較大的場(chǎng)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(duì)一個(gè)系統(tǒng)來說，問題并不一定時(shí)時(shí)刻刻都存在，可能在某個(gè)工況發(fā)生在另一個(gè)工況又消失了。

　　從表面上看，似乎變風(fēng)量系統(tǒng)只不過比定風(fēng)量系統(tǒng)多了一些末端裝置和風(fēng)量調(diào)節(jié)功能。可是，就因?yàn)樽冿L(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量的變化和增加的末端設(shè)備，使得變風(fēng)量系統(tǒng)從方案設(shè)計(jì)到設(shè)備選擇、施工圖設(shè)計(jì)、直到施工和調(diào)試都具有不同于定風(fēng)量系統(tǒng)的特殊性。變風(fēng)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(jì)人員的精心設(shè)計(jì)就可以避免。

　　2 變風(fēng)量末端裝置

　　末端裝置是改變房間送風(fēng)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(fēng)量的方式 ，有節(jié)流型和亮度通型。前者采用節(jié)流機(jī)構(gòu)(如風(fēng)閥)調(diào)節(jié)風(fēng)量;后者則是通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥把多余的風(fēng)量亮度通到回風(fēng)道。

　　按照是否補(bǔ)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(fēng)閥;后者除了溫控器外，還有一個(gè)風(fēng)量傳感器和一個(gè)風(fēng)量控制器，溫控器為主控器，風(fēng)量控制器為副控器，構(gòu)成串級(jí)控制環(huán)路，溫控器根據(jù)溫度偏差設(shè)定風(fēng)量控制器設(shè)定值，風(fēng)量控制器根據(jù)風(fēng)量偏差調(diào)節(jié)末端裝置內(nèi)的風(fēng)閥。當(dāng)末端入口壓力變化時(shí)，通過末端的風(fēng)量會(huì)發(fā)生變化，維持原有的風(fēng)量;而壓力無關(guān)型末端可以較快地補(bǔ)償這種壓力變化，維持原有的風(fēng)量;而壓力有關(guān)型末端則要等到風(fēng)量變化改變了室內(nèi)溫度才動(dòng)作，在時(shí)間上要滯后一些。價(jià)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(fēng)機(jī)來分，有帶風(fēng)機(jī)和不帶風(fēng)機(jī)兩種末端。帶風(fēng)機(jī)的末端可以在小風(fēng)量或低溫送風(fēng)系統(tǒng)中保證室內(nèi)一定的氣流組織。按照風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)的關(guān)系，帶風(fēng)機(jī)的末端又可分為帶并聯(lián)風(fēng)機(jī)的末端裝置(parallel fan powered terminal)和帶串聯(lián)風(fēng)機(jī)的末端裝置(series fan powered terminal)。

　　按照控制方式分，有電動(dòng)、氣動(dòng)和自力型。電動(dòng)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(fēng)量系統(tǒng)適合多房間且負(fù)荷有一定變化的建筑。對(duì)于負(fù)荷變化較小的建筑物，采用變風(fēng)量系統(tǒng)的意義不大。每種系統(tǒng)形式式都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，不存在十全十美的系統(tǒng)。比如，變風(fēng)量系統(tǒng)容易產(chǎn)生噪聲問題，那么對(duì)于影劇院和電臺(tái)錄音棚這類聲學(xué)效果要求較高的場(chǎng)合，最好不要采用變風(fēng)量系統(tǒng)。對(duì)某一系統(tǒng)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)關(guān)鍵在于實(shí)際運(yùn)行顯現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn)多還是缺點(diǎn)多。設(shè)計(jì)人員在方案設(shè)計(jì)(概念設(shè)計(jì))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(fù)荷變化特點(diǎn)、工程造價(jià)、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)以及業(yè)主結(jié)將來改擴(kuò)建的考慮等等，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，權(quán)衡利弊。總之，是否采用變風(fēng)量系統(tǒng)要因地制宜，不能為了用而用。

　　4 設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得注意的問題

　　4.1 變風(fēng)量比

　　空調(diào)系統(tǒng)全年大部分時(shí)間運(yùn)行在部分負(fù)荷工況下，也就是說，變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、風(fēng)道以及末端的風(fēng)量大部分時(shí)間都處于最大風(fēng)量和最小風(fēng)量兩種極限狀態(tài)之間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(shí)間運(yùn)行正常。最小設(shè)計(jì)風(fēng)量與最大設(shè)計(jì)風(fēng)量之比定義為變風(fēng)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(dǎo)致房間氣流組織惡化、噪聲和通風(fēng)問題;系統(tǒng)的Kv值最好也不要小于0.4～0.5，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)新風(fēng)嚴(yán)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(jì)風(fēng)量比較容易確定，面對(duì)于像會(huì)議室、影劇院、餐廳這類負(fù)荷變化不確定的地方，確定最小設(shè)計(jì)風(fēng)量相對(duì)要困難一些。其實(shí)，在確定最小風(fēng)量時(shí)除了要考慮負(fù)荷變化特點(diǎn)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(fēng)量太小會(huì)產(chǎn)生冷風(fēng)下沉、新風(fēng)不足、換氣次數(shù)不夠等問題。為保證風(fēng)速的測(cè)量精度，壓力無關(guān)型末端裝置也有最小風(fēng)量要求。

　　另外，對(duì)于采用燈具回風(fēng)的房間，一部分燈光負(fù)荷沒有直接進(jìn)入房間，而是被回風(fēng)帶走，提高了送回風(fēng)溫差，計(jì)算風(fēng)量是不能包括這部分負(fù)荷。所以，在確定設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，還要考慮房間回風(fēng)方式的影響。

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

　　4.2 新風(fēng)問題[1]、[3]

　　圖2是一個(gè)典型的定風(fēng)量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)循環(huán)系統(tǒng)(economizer cycle system)①。在過渡季，通過調(diào)節(jié)新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)三個(gè)閥門的開度來改變新風(fēng)量以維持一個(gè)混風(fēng)溫度。這種做法是為了縮短冷機(jī)的開啟時(shí)間。這里姑且不談經(jīng)濟(jì)循環(huán)系統(tǒng)在定風(fēng)量系統(tǒng)中能否正常運(yùn)行，不過單純地像圖2那種做法在變風(fēng)量系統(tǒng)中肯定無法保證新風(fēng)量。圖3給出了一個(gè)系統(tǒng)的壓力分布圖，其中b表示設(shè)計(jì)工況，c為50%設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)的情況。可以看出，當(dāng)總風(fēng)量減少時(shí)，從而導(dǎo)致新風(fēng)減少。

　　對(duì)于采用混風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，不論是定風(fēng)量系統(tǒng)，還是變風(fēng)量系統(tǒng)，新風(fēng)量在各個(gè)房間是按負(fù)荷分配的。也就是說，即使總新風(fēng)量達(dá)到要求，有的房間也會(huì)有新風(fēng)不足的問題。對(duì)于變風(fēng)量系統(tǒng)，由于送入房間的風(fēng)量是變化的，所以房間的新風(fēng)量必然也是變化的。如果為了滿足這些房間的要求，總新風(fēng)量將會(huì)增加，甚至在有的時(shí)候可能超過需要的送風(fēng)量。為此，ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989提出，在一定的新風(fēng)量下，總回風(fēng)中二氧化碳的含量不一定超標(biāo)，可以利用回風(fēng)以減少總新風(fēng)量。該標(biāo)準(zhǔn)給出了修正總新風(fēng)量的計(jì)算式，

　　Y=X/(1+X-Z) 　　　　　　(1)

　　其中：Y--修正后的總新風(fēng)量與總值送風(fēng)量之比;

　　X--未修正的總新風(fēng)量與總送風(fēng)量之比;

　　Z--各房間中，新風(fēng)量與送風(fēng)量之比的最大值。

　　ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989只回答了如何確實(shí)總新風(fēng)量問題。可是，對(duì)于變風(fēng)量系統(tǒng)，送入房間的風(fēng)量是變化的，房間的新風(fēng)量必然也是變化的。新風(fēng)量的問題就更加突出了。所以，在新風(fēng)要求很高的場(chǎng)合，可能要單獨(dú)敷設(shè)新風(fēng)道。這樣，風(fēng)道占用建筑的空間就要增加了。

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

　　4.3 噪聲問題[1]

　　在變風(fēng)量系統(tǒng)中，比較大的噪聲源除了送、回(排)風(fēng)機(jī)外，還有變風(fēng)量末端裝置。流過末端入口的風(fēng)速都比較高，因?yàn)閴毫o關(guān)型的變風(fēng)量末端都帶有風(fēng)速測(cè)量傳感器，這些傳感器一般要求風(fēng)速高于一定數(shù)值才能保證測(cè)量準(zhǔn)確。這是末端裝置產(chǎn)生較高噪聲的一個(gè)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(fēng)量的，所以當(dāng)閥片關(guān)小的時(shí)候，流經(jīng)閥片的風(fēng)速也增加了，所以，閥門調(diào)節(jié)也是一個(gè)產(chǎn)生噪聲的根源。

　　末端裝置產(chǎn)生了噪聲通過送風(fēng)和外殼傳入室內(nèi)，前者稱為送風(fēng)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(xì)的噪聲數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)者參考。一般，末端裝置產(chǎn)生的噪聲隨型號(hào)增大而增加，隨前后壓差的增加而增加。由于變風(fēng)量系統(tǒng)的運(yùn)行工況是變化的，勢(shì)必室內(nèi)的聲壓級(jí)要隨之變化。一般來說，人耳對(duì)穩(wěn)定聲壓級(jí)的噪聲環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，長時(shí)間后，人的感覺就不很明顯了。但是，當(dāng)壓級(jí)的變化達(dá)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(fēng)量系統(tǒng)中，室內(nèi)人員有時(shí)候能聽到噪聲，而有時(shí)候又感覺不到。

　　對(duì)于噪聲問題，筆者提出以下幾點(diǎn)建議供讀者參考。

　　①校核每個(gè)末端裝置在最小、最大風(fēng)量下產(chǎn)生的噪聲。

　　②對(duì)于噪聲要求較高的場(chǎng)合(如NC35以下)，采用變風(fēng)量系統(tǒng)要謹(jǐn)慎，而帶風(fēng)機(jī)的末端通常用在NC40以上的場(chǎng)合。

　　③因?yàn)槟┒说男吞?hào)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(biāo)，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(fēng)口到房間送風(fēng)口間的風(fēng)道壓力損失不要超過50～60Pa。否則，在低負(fù)荷工況會(huì)導(dǎo)致末端裝置前后壓差較大，從而使室內(nèi)噪聲級(jí)變化較大。

　　⑥房間設(shè)計(jì)噪聲聲壓級(jí)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(fēng)口都是定截面的，導(dǎo)葉角度也很少改變，所以當(dāng)風(fēng)量減少時(shí)，勢(shì)必影響室內(nèi)氣流組織。

　　國外通常采用空氣分布特性指標(biāo)ADPI[14] 來評(píng)價(jià)房間的氣流組織性能。該指標(biāo)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(dá)到80%，即可認(rèn)為是滿意的氣流組織效果。60年代美國堪薩斯大學(xué)對(duì)幾種風(fēng)口進(jìn)行了氣流組織試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。可以看出在變風(fēng)量送風(fēng)的情況下，條縫散流器在較大的風(fēng)量變化范圍內(nèi)，ADPI均可保持在80%以上，說明這兩種送風(fēng)口的性能較為理想。

　　4.5 房間正壓度

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

　　房間正壓度與系統(tǒng)送回風(fēng)匹配控制、新排風(fēng)控制和房間的送回風(fēng)方式有關(guān)。其中，房間的送回風(fēng)中，進(jìn)入房間的送風(fēng)支道上都安裝有末端裝置，而回風(fēng)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(fēng)，這種做法的回風(fēng)道內(nèi)壓力的變化對(duì)室內(nèi)壓力影響較小。如果只能采用風(fēng)道回風(fēng)，就一定要減小回風(fēng)風(fēng)速，盡量減小回風(fēng)道上相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)回風(fēng)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(diǎn)。在種類選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮末端裝置的聲學(xué)控制性能以及房間功能要求。在尺寸選擇時(shí)，一般在設(shè)計(jì)最大風(fēng)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(huì)減小風(fēng)閥的調(diào)節(jié)范圍，降低調(diào)節(jié)能力，極易導(dǎo)致末端風(fēng)閥在小風(fēng)量時(shí)產(chǎn)生振蕩。

　　另外，在末端選型問題上一直存在一個(gè)爭(zhēng)論即壓力有關(guān)型和壓力無關(guān)型末端哪個(gè)好。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，壓力無關(guān)型末端好，反應(yīng)快，室溫波動(dòng)小。另一種對(duì)立觀點(diǎn)認(rèn)為，正因?yàn)閴毫o關(guān)型末端反應(yīng)快，才容易造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，房間的熱慣性較大，一定程度的壓力變化對(duì)房間溫度影響較小，所以，壓力有關(guān)型反而會(huì)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(shí)踐和研究才能得出結(jié)論。