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1、变风量（VAV）系统简介变风量系统（Variable Air Volume System, VAV 系统）本世纪 60 年代诞生在美国。VAV 技术的基本原理很简单，就是通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷。由于空调系统大部分时间在部分负荷下运行，所以，风量的减少带来了风机能耗的降低。VAV 系统追求以较少的能耗来满足室内空气环境的要求。VAV 系统出现后并没有得到迅速推广，当时美国占主导地位的仍是定风量（CAV，Constant Air Volume）系统加末端再加热和双风道系统。西方 70 年代爆发的石油危机促使 VAV系统在美国得到广泛应用，并在其后 20 年中不断发展，已经成为美
2、国空调系统的主流，并在其他国家也得到应用。VAV 系统有如下优点：a.由于 VAV 系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化，同时在确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用情况，所以能够节约风机运行能耗和减少风机装机容量。有关文献介绍，VAV 系统与 CAV 系统相比大约可以节能 30%-70%，对不同的建筑物同时使用系数可取 0.8 左右。b.系统的灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑，例如出租写字楼等。当室内参数改变或重新隔断时，可能只需要更换支管和末端装置，移动风口位置，甚至仅仅重新设定一下室内温控器。c.VAV 系统属于全空气系统，它具有全空气系统的一些优点，可以利用新
3、风消除室内负荷，没有风机盘管凝水问题和霉菌问题。图 1 是一个典型的单风道 VAV 空调系统。在这个系统中，除了送、回风机、末端装置（VAV Terminal） 、阀门及风道组成的风路外，还有 4 个反馈控制环路（室温控制、送风静压控制、送回风量匹配控制及新排风量控制） 。在供冷季节中，当某个房间的温度低于设定值时，温控器就会调节 VAV 末端装置中的风阀开度，减少送入该房间的风量。由于系统阻力增加，送风静压会升高。当超过设定值时，静压控制器通过调节送风机入口导叶角度或电机转速，减少系统的总送风量。送风量的减少导致送回风量差值的减少，送回风量匹配控制器会减少回风量以维持设定值。风道压力的变化将
4、导致新排风量的变化，控制器将调节新风、回风和排风阀来保持新排风量。在冬季，对于有内外区的建筑，内区继续供冷，外区末端装置只提供最小风量以保证新风和气流组织，由末端再热装置或其他采暖系统供热。VAV 系统不仅限于图 1 所示的单风道节流型这一种形式，还有旁通型、双风道等等形式。广义地讲，只要是风量变化的全空气系统都可以称作 VAV 系统。我国在 80 年代初曾经引进过 VAV 系统，但由于对系统性能不够了解，致使系统不能按设计要求运行。一时间 VAV 系统的应用和研究停顿了下来，近来，工程师们又把目光转向了 VAV 系统。笔者认为，这其中有两大原因。一是国内目前的 CAV 系统和风机盘管系统暴露
5、出一些缺点。由于我国目前舒适性空调系统都是没有末端再热的 CAV 系统，所以，一个送风参数不能满足不同房间的要求。风机盘管系统可以避免这个问题，但是凝水污染吊顶以及霉菌问题同样令人不能容忍。随着室内办公设备的增加、房间使用功能的变化、房间格局的变化，空调系统也应当做相应改动，可是 CAV 系统和风机盘管系统改扩建较麻烦。第二个原因是受 VAV 系统节能的诱惑。空调历来是个能耗大户，而其中风机能耗占大半。因此，业主也希望采用 VAV 系统以节约运行费用。虽然 VAV 系统有很多优点，但是伴随着 VAV 系统的诞生，大部分系统或多或少地也暴露出如下问题。从用户的角度看，主要有：1、缺少新风，室内人
6、员感到憋闷；2、房间内正压或负压过大导致室外空气大量渗入，房门开启困难；3、室内噪声偏大。从运行管理方面看，主要有：1、系统运行不稳定，尤其是带“经济循环（Economizer Cycle） ”的系统；2、节能效果不明显。此外，目前 VAV 系统还存在一些固有的缺点：1、系统的初投资比较大；2、对于室内湿负荷变化较大的场合，如果采用室温控制而又没有末端再热装置，往往很难保证室内湿度要求。3、对一个系统来说，问题并不一定时时刻刻都存在，可能在某个工况发生，在另一个工况又消失了。从表面上看，似乎 VAV 系统只不过比 CAV 系统多了一些末端装置和风量调节功能。可是，就因为 VAV 系统风量的变化
7、和增加的末端设备，使得 VAV 系统从方案设计到设备选择、施工图设计，直到施工和调试都具有不同于定风量系统的特殊性。VAV系统存在的这些问题和缺陷，其原因是多方面的。有的可能需要一定的技术支持才能解决；而有的可能通过空调系统设计人员的努力就可以避免。笔者只是刚开始研究 VAV 系统，不过在这介绍一些国外的经验教训以及本人的一点心得体会，对读者还是不无裨益的。变风量（VAV）末端装置末端装置是房间送风以维持室内温度的重要设备。末端装置有如下几种分类方法。按照改变风量的方式，有节流型和旁通型。前者采用节流机构（如风阀）调节风量；后者则是通过调节风阀把多余的风量旁通到回风道。按照是否补偿压力变化，有
8、压力有关型（Dressure Dependent）和压力无关型（Pressure Independent） 。从控制角度看，前者由温控器直接控制风阀；后者除了温控器外，还有一个风量传感器和一个风量控制器，温控器为主控器，风量控制器为副控器，构成串级控制环路，温控器根据温度偏差设定风量控制器风同归于尽控制器根据风量偏差调节末端装置内风阀。当末端入口压力变化时，通过末端的风量会发生变化，压力无关型末端可以较快地补偿这种压力变化维持原有的风量；而压力有关型末端则要等到风量变化改变了室内温度才动作，在时间上要滞后一些。价格上，压力无关型要比压力有关型高一些。按照有无末端混风机来分，还有带风机和不带风机
9、两种末端。带风机的末端可以在小风量时或低温送风系统中保证室内一定的气流组织。按照风机和一次风的关系，带风机的末端又可分为带并联风机的末端装置（Parallel Fan Powered Terminal）和带串联风机的末端装置（Series Fan Powered Terminal） 。按照控制方式分，有电动、气动和自动的。电动的末端还有模拟的和直接数字控制两种。另外，末端装置还可以附设消声和再热功能。是否采用变风量（VAV）设计人员在系统设计时首先面临的问题可能就是采用什么系统形式。某一种系统非常适合这个建筑，可能就不适合那个建筑。VAV 系统适合多房间且负荷有一定变化的建筑。对于负荷变化较小
10、的建筑物采用 VAV 系统的意义可能就不大了。每种系统形式都有它的优点和缺点，不存在十全十美的系统。VAV 系统容易产生噪声问题，那么对于影剧院和电台录音棚这类声学效果要求较高的场合，可能最好不要采用 VAV 系统。对某一系统优劣的评价关键在于实际运行中显现出来的优点多还是缺点多。设计人员在方案设计（概念设计）阶段所做的工作主要是综合各方面因素（建筑物用途、建筑格局、室内负荷变化特点、工程造价、系统运行维护以及业主对将来改扩建的考虑等等） ，进行技术经济比较，权衡利弊。总之，是否采用VAV 系统要因地制宜，不能为了用而用。设计中几个值得注意的问题一、变风量比空调系统全年大部分时间运行在部分负荷
11、工况下，也就是说，VAV 系统的风机、风道以及末端的风量大部分时间都处于最大风量和最小风量两种极限状态之间，根据经验，如果在这两种极限状态下不发生问题，那么基本上可以保证系统大部分时间运行正常。最小设计风量与最大设计风量之比定义为变风量比（Kv） 。一般地，房间的 Kv 值最好不要小于 0.4-0.5，否则容易导致房间气流组织恶化、噪声和通风问题；系统的 Kv 值最好也不要小于 0.4-0.5，否则会导致系统新风严重不足以及控制不稳定等问题。一般来说，房间的最大设计风量比较容易确定，而对于像会议室、影剧院、餐厅这类负荷变化不确定的地方，确定最小设计风量相对要困难一些。其实，在确定最小风量时除了
12、要考虑负荷变化特点之外，还要考虑房间气流组织和室内空气品质要求。房间送风量太小会产生冷风下沉、新风不足、换气次数不够等问题。为保证风速的测量精度，压力无关型末端装置也有最小风量要求。另外，对于采用灯具回风的房间，一部分灯光负荷没有直接进入房间，而是被回风带走，提高了送回风温差，计算风量时不能包括这部分负荷。所以，在确定设计风量时，还要考虑房间回风方式的影响。不论是房间还是系统，变风量比都是表征 VAV 系统一个比较重要的动态特性参数。二、新风问题a. 图 2 是一个典型的 CAV 系统的经济循环系统（Economizer Cycle System） 。在过渡季，通过调节新风、回风和排风 3 个
13、阀门的开度来改变新风量以维持一个混风温度。这种做法是为了缩短冷机的开启时间。这里姑且不谈经济循环系统在定风量系统中能否正常运行，不过，单纯地像图 2 那种做法在 VAV 系统中肯定无法保证新风量。图 3 给出了一个系统的压力分布图，实线表示设计工况，虚线为 50%设计风量时的情况。可以看出，如果不采用任何恒定新风的措施，当总风量减少时，新回风混合点处的压力（指绝对值）就会变小，从而导致新风量减少。对于采用混风的空调系统，不论是 CAV 系统，还是 VAV 系统，新风量在各个房间之间是按负荷分配的。也就是说，即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。对于 VAV 系统，由于送入房间的风
14、量是变化的，所以房间的新风量必然也是变化的。所以，VAV 系统中，新风主要存在三方面的问题：总新风量的控制、总新风量的确定和新风的分配（新风量的控制问题在本文5 中介绍） 。b.新风量的确定和分配前面提到，不论是 CAV 系统，还是 VAV 系统，新风量在各个房间之间是按负荷分配的。即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。如果为了满足这些房间的要求，总新风量将会增加，甚至在有的时候可能超过需要的送风量。为此。ASHRAE 标准 62-1989 提出，在一定的新风量下，总回风中 CO2 的含量不一定超标，可以利用回风以减少总新风量。该标准给出了修正总新风量的计算式式中 Y修正后的总新
15、风量与总送风量之比；X未修正的需求的总新风量与总送 风量之比；Z各房间中，新风量与送风量之比的最大值。ASHRAE 标准 62-1989 只回答了如何确定总新风量问题。可是，对于 VAV 系统，送入房间的风量是变化的，房间的新风量必然也是变化的。新风的问题就更加突出了。所以，在新风要求很高的场合，可能要单独敷设新风道。这样，风道占用建筑的空间就要增加了。新风问题与建筑物负荷特点、系统形式及室外气象条件等很多因素有关。上述方法或设想，从控制逻辑上可能是可行的，实际当中却未见得适用于任何系统。对于某一特定建筑，很有必要具体分析系统的夏季工况、冬季工况及过渡季经济循环工况。三、 噪声问题在 VAV
16、系统中，比较大的噪声源除了送、回（排）风机外，还有 VAV 末端装置。压力无关型的 VAV 末端都带有风速测量传感器，这些传感器一般要求风速高于一定数值才能保证测量准确，所以流过末端入口的风速都比较高，这是末端装置产生较高噪声的一个原因。一般的节流型末端是靠调节阀片开度来改变风量的，所以，当阀片关小的时候，流经阀片的风速也增加了，所以，阀门调节也是一个产生噪声的根源。末端装置产生的噪声通过送风和外壳传入室内，前者称为送风噪声（Discharge Noise)，后者称为辐射噪声（Radiated Noise） 。在末端装置的产品样本中，都列有详细的噪声数据供设计者参考。一般，末端装置产生的噪声随型号增大而增加，随着后压差的增加而增加。由于 VAV 系统的运行工况是变化的，势必室内的声压级要随之变化。一般来说，人耳对稳定声压级的噪声环境有一定的适应能力，长时间后，人的感觉就不很明显了。但是，当声压级的变化达到 5dB，人的耳朵就能较清楚地感觉到。这就是为什么在有的 VAV 系统中，室内人员有时候能听到噪声，而有时候又感觉不到。对于噪声问题，笔
