变风量空调系统设计实例分析

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简介： 介绍了厦门国际会议展览中心VAV变风量空调系统的设计，根据使用效果总结了设计经验，并着重分析了变量空调系统诸多设计问题和技术难点。
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一、引言

　　随着我国经济的发展，国外许多先进和成熟的空调技术在各地得到高度重视和应用。变风量空调系统因其节能显著、易于多区控制及舒适在欧美、日本等国已广泛使用，在我国许多高级办公楼也已设计施工并相继完工。厦门国际会展中心于1998年着手开始设计，其中办公室及会议室均采用变风量空调系统，工程于2000年9月正式投入使用，并成为厦门市乃至福建省为数不多的一个VAV变风量空调系统实例。下面谈谈设计体会，并探讨和分析变风量空调系统的技术难点和发展动向。

二、工程概况

　　厦门国际会议展览中心坐落在厦门市东部沿海，总建筑面积约为15万㎡，总投资在14亿元，主要功能有展览、会议、办公等。总制冷量为7900冷吨（27650kW）。其中三、四层会议室及部分办公室均采用变风量空调系统，变风量空调系统担负的建筑面积约占25000㎡，变风量空调箱总处理风量为290000m³/h，空调箱共有11台，其中最大处理风量为97000m³/h。变风量空调系统采用双风机形式，送风机所配电机功率总共有346kW，风压在1000～1250Pa之间，回风机所配电机功率总共有175kW，风压在450～600Pa之间。送回风机均采用变频控制，某些回风机还兼作内部大空间的排烟风机。空调冷冻水供水温度为6.7℃，回水温度为14.4℃，只考虑夏季供冷，冬季不供暖。

三、系统组成

　　变风量空调系统主要由空气处理机（即空调箱）、消音器、送回风机、压力无关型单风道变风量末端（VAV box）、DDC数字控制器等组成。原设计控制方式采用变温度变静压方式，因控制繁琐和技术问题，弱电总承包与各方协商决定改为变温度定静压方式，定静压点设在主干管上离送风机2/3处。

　　图中控制部分纳入整个大楼的楼宇自控系统（BA），所有系统均采用直接数字式控制（DDC），在管理控制室能对各台空调机组运行状态、室内温度、新风比、送风温度等进行现场调控，并对空气过滤器堵塞状态进行监视。新风量通过新、排风阀及回风阀联动控制来获取，可以人为设定或自动调节，即由设在回风总管内的CO₂探测器来自动控制新风量，CO₂允许浓度设定值为0.1%。送、回风机通过程序进行协调运行，监控室可以人为设置定风量运行，也可以确定为变频变风量自动运行。当达到最小送风量时，为了满足室内必需的通风量，可以调高送风温度，加大送风量，送风温度由设在冷冻水回水管上的电动二通阀来控制。当室外温度较低时，可采用全新风运行。所有空调箱控制器、变风量末端控制器均与大楼BA系统联风，受监控室BA主系统设定、监视、控制。
　　变风量空调箱设初、中效两级过滤，初效过滤器采用板式，过滤效率按计重法为30%，中效过滤器为无纺布袋式，过滤效率按计重法为70%，并且配备过滤器阻力超高报警。
　　室内温度由变风量未端装置（VAV box）控制，温度控制器安装在墙上，位置由设计确定（此处室温应有一定的代表性），安装高度与开关平齐，距离地1.2m。控制器能够设定室温、就地启停VAV箱。VAV box采用矩形、圆形两种型式，标准风量在340～5440m³/h之间，一种型号的最大风量与最小风量之比为5～6倍。风量由多孔平均式风速传感器来测量，并且放大风量信号以便更精确控制。
　　送风系统设置三级消音，空调箱带消音段，送风总管设消音器，变风量箱出口设消音静压箱。送风口大多数采用条缝散流器，个别采用方形散流器，为了解适应吊顶造型，也采用了一些条形侧送风口。回风口为条形或格栅式风口，均采用吊顶回风，这样能保证房间正常压力，减小回风管内压力的变化对室内压力的影响。

四、使用效果及问题

　　厦门国际会议展览中心投入使用已近一年，受其功能影响并非经常运行，但展览期间，空调系统运行比较正常，温湿均能达到设计要求，绝大多数封闭空间舒适度较佳。调试阶段，会议室最低温度能达到21.8℃(无人员情况)，如果设定室温为25℃，工作区所测温度均能达到设计要求，误差在±1℃。如果设定室温变动，VAV box输出风量明显变化，一般调整设定温度±0.5℃后，3-5分钟内就会感受到风量变化。由于采用了多级消音，噪声控制较好。变风量空调系统控制部分运行基本正常，监控室能够对各系统发出指令，能够显示各系统的运行状态，能够让系统投入自动运行。不过在施工、调试、使用过程中也发现了一些问题，主要有：
　　1、调试初期，个别房间温度降不下来，送风温度偏高，检查发现空调箱表冷器出水温度太高，水量严重不足，原因是平衡阀调试不到位，系统间水力不平衡。通过调整平衡阀，问题得到解决。
　　2、空调箱过滤器阻力偏大。原因是施工后期阶段为了通风，开启空调箱换气，过滤器积尘太多。施工单位交工时，清洗了过滤器，但使用效果大大降低。将来全新风运行，对过滤器的负担加重，运行管理显示得非常重要。
　　3、室内温控制器温度可调范围太大，单冷运行室温控制器刻度在18℃-30℃之间，容易造成将室温调得很低，远低于设计值25℃。而且变风量未端（VAV box）运行在最大风量，引起风口风速偏高，噪音随之增加。加上所用条缝风口采用国内产品，质量不高，缝隙太小并且不易调整。所以温控器温度调整范围应该缩小，设定值在22～28℃之间即可，厂家设计产品时应引起注意。
　　4、个别系统最远端房间的室温偏高，送风量不足，原因在于该系统定静压点设置位置不妥（施工时因工期紧，配合不够，由弱电承包方按经验确定），最不利点末端需用静压不够。一般风管静压，设定值在250～350Pa之间，静压传感器安放位置在总管离送风机2/3处，但各支风管的阻力平衡应认真校核计算。

五、问题探讨与分析

1、节能分析：
　　图2为变频（变转数）定静压控制风机运行状态性能曲线。A、B曲线为管路性能曲线，当空调负荷减小，所需风量下降，由Q1降为Q2，风机通过静压传感器设定的静压值发出信号调整风机转数，由n1降为n2，风机轴功率由N1减为N2。图中H为风机全压，由于风量减少，风机出口风速下降，动压变少，所以H2＜H1，但应满足静压传感器的设定静压。假如风机全年平均在60%的负荷下运行，风机功率可节约44%。本工程变频送、回风机所配电机功率为521kW（风机轴功率约为417kW），若一年运行100天，一天按8小时计，每年将节约用电14万度。如果采用变静压控制法，全年平均空调负荷率为60%时，可节约风机动力78%。^[1]

2、新风量控制
　　新风量的控制是变风量调系统设计的难点之一，由于送入各房间的风量是变化的，所以新风量也随之变化，即使总新风量达到要求，分配到各房间的新风量不一定满足最小新风量标准。目前，变风量空调系统新风量控制的方式主要有：①在回风总管或主要房间内设置CO₂探测器，以CO₂浓度作为新风量调节对象；②在新风总管上设置VAV box或CAV box，稳定输送一定量的新风量等。
　　早在1980年美国便以室内空气中CO₂的浓度作为新风量的调节对象，到了九十年代此方法逐渐发展起来。因为CO₂的浓度不仅代表CO₂本身作为污染物对室内空气的污染程度，而且能反映室内人员的数量及活动状况，能体现人对新风的需求。与传统的固定新风量的控制方法比较，在保证室内空气品质不变的前提下，这种控制方法有潜在的节能效果，最大可达50%以上。^[4][5]
　　考虑到建筑污染，ASHRAE在1996年8月提出了一个新的通风标准（草案）--ASHRAE Standard 62-1989^[6]。新标准不仅考虑人对新风的需求，而且把室内建筑材料等产生的污染物对人员健康舒适产生的影响也纳入进来，即最小新风量为：
　　
　　式中 L_P为每个所需的新风量（L/s.p），P为室内人数，D为差异系数，L_B为单位地板面积所需的最小新风量，L/s.㎡， A_B为建筑面积，㎡。
　　显然，前述新风量控制方案当室内人员较少时（即消除CO₂等污染物所需新风量较小），非人产生的污染物的浓度就有可能超出标准，室内空气品质将会下降。因此，需要确定一个最小新风量，即预期的最少人数所需的新风量与降低建筑污染所需的新风量之和，此风量可作为新风控制的底线，那么如何确定预期的最少人数值得做进- 步探讨。或者利用计算机强大的计算功能，在线检测新风和回风中的CO₂的浓度以及新风量，通过动态算法确定室内实际人数，再根据实际人数及所需的通风面积，按照ASHRAE新标准的要求，给定出新风量的设定值。此方法比较复杂，但能够达到节能的目的。
　　如果室内人数比较确定，工作期间人数变化不大，根据ASHRAE新标准计算出所需最小新风量作为设定值，定新风量控制，空调系统就比较简单，但能耗必然增多。在ASHRAE标准62-1989R中，也明确指出在整个变风量运行中，新风量要始终保证在设计新风量的90%以上。因此稳定新风量供给是可行的。

3、空气净化
　　一般空调箱均带初效过滤（计重效率30%），有些小型空调器仅用几层尼龙锦凸网，造成卫生标准低、室内空气品质差。变风量空调系统为全空气运行，有条件加强空气净化，可以采用初、中效两级过滤甚至三级过滤。那么中效过滤器的过滤效率取多少合适呢？参照ASHRAE标准62-1989R中校核所需回风量公式：
　　
　　式中E_f为回风空气过滤器对于3μm粒子的过滤效率（以小数表示），其它参数同式（1）。
ASHRAE新标准认为7.5L/s·人是合理的最小通风量（具有稀释作用的空气，即新风和有效过滤后的回风），若每个人最小新风量小于7.5 L/s时，应用有效过滤后的回风补足。并且规定Ef不能小于60%，该值相当于ASHRAE比色效率为30%，单就空气中大部分浮游菌来说，可以看成具有1～5μm的等价直径的微粒，因此中效过滤器最小过滤效率取60%（对3μm粒子）是适当的、有效的。
　　对于医疗建筑，根据《医院消毒卫生标准》（GB15982-1995）中的医院环境的细菌控制标准，过滤器的滤菌效率大于85%（对5μm粒子）就可以满足标准要求。所以，选择中效过滤器应根据不同的建筑物使用性质合理确定过滤效率。

4、变风量空调系统推广使用遇到的问题
　　目前，变风量空调系统中的主要设备变风量末端装置（VAV box）、直接数字式控制器（DDC）、变频器等全部依赖进口，特别是VAV控制系统更需要进口，较高的价格和关税给投资方造成不小负担，如何迅速国产化是变风量空调系统普及的关键。同时，空调设计人员应该掌握丰富的VAV控制技术，在控制系统招标、订货、施工中发挥积极作用，避免设备与弱电专业之间设计脱节、订货盲目、施工扯皮、调试无序、管理混乱，从而造成项目运作困难、使用不便、被迫返工，给主业带来损失。这些问题在会展中心设计施工过程中也有碰到，虽然主要原因在于工程承包体制，但空调技术人员应从自身做起，为空调新技术的推广做出贡献。