1 變風(fēng)量系統(tǒng)簡介^[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是一個典型的單風(fēng)道變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。在這個系統(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。

　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1　單風(fēng)道變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)
　　
　　在供冷季中，當(dāng)某個房間的溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫控器就會調(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。

　　在冬季，對于有內(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)可以避免這個問題，但是凝水污染吊風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)可以避免這個問題，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，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?？照{(diào)歷來是個能耗大戶，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；

　　·對于室內(nèi)濕負(fù)荷變化較大的場合，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。

　　對一個系統(tǒng)來說，問題并不一定時(shí)時(shí)刻刻都存在，可能在某個工況發(fā)生在另一個工況又消失了。

　　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?？墒牵鸵?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，還有一個風(fēng)量傳感器和一個風(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、氣動和自力型。電動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，那么對于影劇院和電臺錄音棚這類聲學(xué)效果要求較高的場合，最好不要采用變風(fēng)量系統(tǒng)。對某一系統(tǒng)優(yōu)劣的評價(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（K_v）。一般地，房間的K_v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K_v值最好也不要小于0.4～0.5，否則會導(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，面對于像會議室、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)一個比較重要的動態(tài)特性參數(shù)。
　　
　　4．2 新風(fēng)問題^{[1]、[3]}
　　圖2是一個典型的定風(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)三個閥門的開度來改變新風(fēng)量以維持一個混風(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?？梢钥闯?，當(dāng)總風(fēng)量減少時(shí)，從而導(dǎo)致新風(fēng)減少。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 定風(fēng)量經(jīng)濟(jì)循環(huán)系統(tǒng) 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 　系統(tǒng)壓力分布圖
　　
　　對于采用混風(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，有的房間也會有新風(fēng)不足的問題。對于變風(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） 　　　　　?。?）

　　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?？墒牵瑢τ谧冿L(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)值才能保證測量準(zhǔn)確。這是末端裝置產(chǎn)生較高噪聲的一個原因。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，勢必室內(nèi)的聲壓級要隨之變化。一般來說，人耳對穩(wěn)定聲壓級的噪聲環(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。
　　對于噪聲問題，筆者提出以下幾點(diǎn)建議供讀者參考。
　?、傩：嗣總€末端裝置在最小、最大風(fēng)量下產(chǎn)生的噪聲。
　?、趯τ谠肼曇筝^高的場合（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以上的場合。
　?、垡?yàn)槟┒说男吞栐酱笤肼曇苍酱?，所以，最好選用入口直徑不大于300mm的末端裝置。
　?、鼙M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。

　?、菽┒搜b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)荷工況會導(dǎo)致末端裝置前后壓差較大，從而使室內(nèi)噪聲級變化較大。

　?、薹块g設(shè)計(jì)噪聲聲壓級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)對幾種風(fēng)口進(jìn)行了氣流組織試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鲈谧冿L(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。
　　 　　
　 圖4 幾種風(fēng)口的氣流組織試驗(yàn)結(jié)果
　1 圓形散流器（2） 2 側(cè)送風(fēng)口（1個） 3 條縫形散流器（2個）
    燈具形散流器（4個）--40W/m²，- - -80 W/m²
　　
　　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的，不像定風(fēng)量系統(tǒng)那么穩(wěn)定。這個問題如果處理不好，會發(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爭論即壓力有關(guān)型和壓力無關(guān)型末端哪個好。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，壓力無關(guān)型末端好，反應(yīng)快，室溫波動小。另一種對立觀點(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房間溫度影響較小，所以，壓力有關(guān)型反而會比壓力無關(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。不過，由于壓力無關(guān)型末端比壓力有關(guān)型末端多了一個風(fēng)速測量裝置（如均速管），所以設(shè)計(jì)時(shí)通常要考慮入口前有足夠長的直管道，同時(shí)施工和運(yùn)行管理水平要求也較高（如管道吹灰，更新過濾器）。當(dāng)然，壓力無關(guān)型末端的價(jià)格也較高。
　　
5 變風(fēng)量系統(tǒng)的控制

　　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是密不可分的。前面提到，圖1所示的變風(fēng)量系統(tǒng)中采用了房間溫度控制、送風(fēng)量控制、送回風(fēng)風(fēng)量匹配控制、新排風(fēng)風(fēng)量控制和送風(fēng)溫度控制5個控制環(huán)路。直接數(shù)字控制DDC雖然不一定采用反饋環(huán)路控制，但是也包含這5部分控制內(nèi)容。它們是變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)的必要組成部分。當(dāng)然，系統(tǒng)不定期會有預(yù)冷、預(yù)熱等其他控制。

　　5．1 VAV控制系統(tǒng)的組成
　　
　　5．1．1 房間溫度控制

　　本文第2部分已經(jīng)介紹過了，在此不再贅述。
　　
　　5．1．2 送風(fēng)量控制
　　
　　在變風(fēng)量系統(tǒng)中，通常根據(jù)靜壓傳感器的信號來感知系統(tǒng)風(fēng)量的變化，并通過控制器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量。靜壓控制器通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或入口導(dǎo)葉來恒定靜壓控制點(diǎn)的靜壓值，以滿足以下游風(fēng)道、末端裝置及送風(fēng)口的壓力損失。恒定靜壓的目的是保證任何一個末端入口的設(shè)計(jì)資用壓力。由于要恒定靜壓，送風(fēng)機(jī)不能無限制地減少風(fēng)量，所以風(fēng)機(jī)功耗并不與風(fēng)量的3次方成正比。由于存在風(fēng)道阻力損失，靜壓傳感器越靠近管路末端，靜壓設(shè)定值就越小，就越能節(jié)約風(fēng)機(jī)功耗。我們希望將靜壓傳感器放在系統(tǒng)最不利的末端入口。由于變風(fēng)量系統(tǒng)動態(tài)特性，實(shí)際上不容易定義一個最不利的末端裝置。任何一個都可能成為最不利。ASHRAE建議，在使用壓力無關(guān)型末端的場合，把靜壓傳感器放在送風(fēng)機(jī)到系統(tǒng)末端的2/3處^[5] 。筆者認(rèn)為，這只是個折衷的考慮。不過，對于中小規(guī)模的低速送風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)道遠(yuǎn)近壓差不大太大，所以矛盾不很突出。
　　
　　5．1．3 新排風(fēng)風(fēng)量的控制

　　前面說過，系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)會導(dǎo)致總新風(fēng)量的變化，為此，在需要維持新風(fēng)量不變的場合，有必要采取恒定新風(fēng)量的措施，下面列舉兩種：

　　①將最小新風(fēng)道和經(jīng)濟(jì)循環(huán)新風(fēng)道分開，分設(shè)新風(fēng)閥，并在最小新風(fēng)道上安裝流量傳感器，以此來調(diào)節(jié)3個風(fēng)閥的開度，維持最小新風(fēng)量。通常，為保證測量精度，流量傳感器前后要保證一定的直管段^[6] 。但是，由于現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，經(jīng)常很難完全滿足所要求的直管段。這樣，必然對測量和控制效果產(chǎn)生很大影響。據(jù)說，現(xiàn)場最好的測量準(zhǔn)確度只有20%左右^[1] 。

　?、诨祜L(fēng)壓力變化是造成新風(fēng)量變化的直接原因，所以，恒定新回風(fēng)混合箱內(nèi)壓力就能夠保證新風(fēng)量。在需要最小新風(fēng)量的時(shí)候，關(guān)閉經(jīng)濟(jì)循環(huán)新風(fēng)閥，通過調(diào)節(jié)回風(fēng)閥來恒定混風(fēng)壓力；在過渡季的時(shí)候，由混風(fēng)溫度控制器調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)循環(huán)風(fēng)閥的開度，隨著新風(fēng)量的增大，混風(fēng)壓力減小，這時(shí)，混風(fēng)壓力控制器關(guān)小混風(fēng)閥直至完全關(guān)閉，整個系統(tǒng)采用全新風(fēng)^[1]，[7] 。雖然這種方法原理簡單，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榛祜L(fēng)箱內(nèi)氣流很亂，壓力極不穩(wěn)定，壓力測點(diǎn)不容易選擇，而且，可能容易產(chǎn)生新風(fēng)量控制和風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制的耦合，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

　　前面提到的兩種方法都是為了恒定新風(fēng)量。有人認(rèn)為，新風(fēng)主要用于保證室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ），可以采用以室內(nèi)CO₂濃度來控制新風(fēng)量的辦法。這種方法適用于新風(fēng)品質(zhì)較差的地區(qū)，如夏季空氣濕熱，冬季干冷。不過，CO₂深度達(dá)到要求并不能代表室內(nèi)空氣品質(zhì)合格，室內(nèi)還會存在其他易揮發(fā)性污染物^[1] 。

　　采用送回風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)，回風(fēng)閥前后壓差很大，風(fēng)閥很難調(diào)節(jié)。所以有人提出用排風(fēng)機(jī)取代回風(fēng)機(jī)，如圖5所示。這樣，回風(fēng)閥前后都是負(fù)壓，且壓差較前者小很多。排風(fēng)機(jī)可由新、排風(fēng)流量計(jì)或室內(nèi)壓力來控制。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 排風(fēng)機(jī)取代回風(fēng)機(jī)后的壓力分布圖
　　
　　新風(fēng)問題與建筑物負(fù)荷特點(diǎn)、系統(tǒng)形式及室外氣象條件等很多因素有關(guān)。上述方法或設(shè)想，從控制邏輯上可能是可行的，實(shí)際當(dāng)中卻未見得適用于任何系統(tǒng)。對于某一特定建筑，很有必要具體分析系統(tǒng)的夏季工況、冬季工況及過渡季經(jīng)濟(jì)循環(huán)工況。
　　
　　5．1．4 送回風(fēng)風(fēng)量匹配控制

　　送風(fēng)量隨負(fù)荷變化，回風(fēng)量也要隨之變化，這樣才能保證房間的正常壓力。由于房間向外滲風(fēng)和廁所排風(fēng)，回風(fēng)量要比送風(fēng)量小。下面是幾種目前常用的風(fēng)量匹配控制方法^[9] ：

　　·一種最簡單的控制方法是送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)都由一個送風(fēng)靜壓控制器來調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)，送回風(fēng)量按同一比例減少。這樣送回風(fēng)量的差值也減少了，從而導(dǎo)致新排風(fēng)量不平衡。不過，筆者認(rèn)為，對于變風(fēng)量比不太小的系統(tǒng)，問題可能不大。

　　·回風(fēng)機(jī)由放在新回風(fēng)混合箱里或房間內(nèi)的靜壓控制器控制。前面說過，新回風(fēng)混合箱里氣流太亂，不易測量；而房間正壓一般很小，容易受干擾。

　　·在送風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)道上安裝風(fēng)量計(jì)，并用一個控制器控制二者的差值來解決這個問題。由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，風(fēng)量常常無法測準(zhǔn)。
　　
　　5．2 系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性
　　
　　在實(shí)際工程中，像圖1那樣采用多個環(huán)路的控制系統(tǒng)，每個環(huán)路單獨(dú)工作都正常。但是，當(dāng)幾個控制系統(tǒng)都工作時(shí)，整個系統(tǒng)就會出現(xiàn)不穩(wěn)定。比如，當(dāng)某個房間的溫度下降，該房間末端裝置的風(fēng)閥就會關(guān)小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)靜壓升高，其他房間的送風(fēng)量增加。這時(shí)，這些房間的末端裝置的風(fēng)閥就會關(guān)小以恒定各自的送風(fēng)量。這將導(dǎo)致系統(tǒng)靜壓進(jìn)一步升高。當(dāng)達(dá)到某一程度，靜壓控制器就降低送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速減小風(fēng)量，回風(fēng)機(jī)風(fēng)量也隨著減少。系統(tǒng)靜壓又回落到原來的水平，那么各個末端風(fēng)閥又開始開大。由于系統(tǒng)壓力的變化，必須導(dǎo)致新風(fēng)量的變化，從而導(dǎo)致送風(fēng)溫度的變化，控制器就會調(diào)節(jié)三個風(fēng)閥的開度。由于閥位的變化將致使整個系統(tǒng)的靜壓和流量發(fā)生變化。這時(shí)，系統(tǒng)處在一種頻繁的調(diào)節(jié)當(dāng)中。風(fēng)閥時(shí)而開大時(shí)而關(guān)小，送進(jìn)區(qū)內(nèi)的風(fēng)量也是忽大忽小^[10] 。

　　很多人認(rèn)為DDC比反饋控制優(yōu)越。可是，實(shí)際工程中DDC也同樣遇到了穩(wěn)定性問題。

　　造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因是什么呢？如何解決呢？

　　有人認(rèn)為是多個控制環(huán)路之間的相互作用（interaction），建議設(shè)計(jì)時(shí)不要選用壓力無關(guān)型末端，而選擇壓力有關(guān)型的末端。這樣等于減少了環(huán)路數(shù)量，可能會提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性^[10] 。一些系統(tǒng)管理人員干脆拆掉新排風(fēng)控制，以犧牲新風(fēng)來換取系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

　　還有人認(rèn)為是末端裝置選擇過大以及末端入口壓力過大。建議合理選擇末端，仔細(xì)進(jìn)行風(fēng)道計(jì)算。

　　實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)千差萬別，發(fā)生不穩(wěn)定問題的原因肯定也是多方面的。不過，筆者認(rèn)為，單就系統(tǒng)控制而言，除了變風(fēng)量系統(tǒng)本身的強(qiáng)動態(tài)特性，空調(diào)系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)以及多個反饋控制環(huán)路之間的耦合可能是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的兩個重要原因。

　　為了全面提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、最大限度地節(jié)約能量，出現(xiàn)了一個新概念，就是所謂的基于末端裝置的變風(fēng)量系統(tǒng)TRAV(terminal regulated air volume system)^[11][12] 。其基本原理是，將末端裝置送風(fēng)溫度、溫控器讀數(shù)、風(fēng)量及閥位信號都送入一個中央控制器，由它來統(tǒng)一計(jì)算后再調(diào)節(jié)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（送風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)以主表冷器后送風(fēng)溫濕度）。筆者認(rèn)為，這種控制方法需要解決兩個關(guān)鍵問題，即送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的預(yù)測和所需送風(fēng)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。如果能比較好的解決這兩個問題就可以避免多個環(huán)路之間的相互作用，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　變風(fēng)量系統(tǒng)能否正常運(yùn)行在很大程度上要依靠控制系統(tǒng)，然而目前的控制手段還不很成熟。實(shí)際工程中確實(shí)有相當(dāng)一部分系統(tǒng)不有按照原先設(shè)計(jì)的那樣運(yùn)行。不過，將空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分融合起來，同時(shí)考慮，針對不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施切實(shí)可行的控制策略，還是可以設(shè)計(jì)出成功的變風(fēng)量系統(tǒng)的。那種由建筑設(shè)備設(shè)計(jì)人員先設(shè)計(jì)空調(diào)部分，再由控制工程人員或公司承包控制部分的做法似乎是行不能的。
　　
6 總結(jié)
　　
　　變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)比定風(fēng)量系統(tǒng)容易還是難呢？

　　有這樣一種認(rèn)識：雖然變風(fēng)量系統(tǒng)的工況是不斷變化的，但不知道風(fēng)道里氣流的壓力、流量具體是怎么變化的，所以無法、也沒有必要仔細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)風(fēng)道，況且壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端又能夠自行補(bǔ)償上游氣流壓力的變化，末端裝置的尺寸選擇過大、風(fēng)道大了小了都不會出問題。

　　不用仔細(xì)作風(fēng)道計(jì)算和設(shè)備選擇，設(shè)計(jì)當(dāng)然簡單了，可實(shí)際并非如此。此是由于變風(fēng)量系統(tǒng)工況隨時(shí)變化，原先定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)那種以設(shè)計(jì)日為基礎(chǔ)的方法似乎在這行不能，需要引入動態(tài)分析設(shè)計(jì)的思想和方法。不僅需要考慮設(shè)計(jì)日情況，還要分析過渡的工況，既要計(jì)算最大負(fù)荷，又要計(jì)算最小負(fù)荷，甚至必須進(jìn)行全年分析。否則，系統(tǒng)將來可能會產(chǎn)生大問題，比如前面提到的新風(fēng)不足和噪聲偏大。定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣需要考慮新風(fēng)、噪聲和全年運(yùn)行調(diào)節(jié)等問題。但是相對而言，變風(fēng)量系統(tǒng)分析計(jì)算的工作量和難度要大得多。從這個意義上說，變風(fēng)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)向設(shè)計(jì)人員、向原有的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法提出了挑戰(zhàn)。

　　變風(fēng)量系統(tǒng)雖然已經(jīng)發(fā)展了30年，但是技術(shù)還不很成熟，還存在不少問題亟待解決。本文的一些建議和觀點(diǎn)只是筆者的管窺之見，僅供參考。變風(fēng)量系統(tǒng)有很強(qiáng)的動態(tài)特性，加之空調(diào)系統(tǒng)固有的非線性，使問題的解決變得非常困難。頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的做法，菜譜式的表態(tài)分析和設(shè)計(jì)的方法不會從根本上解決問題。設(shè)計(jì)人員要想使系統(tǒng)運(yùn)行中少出或不出問題，就需要對變風(fēng)量系統(tǒng)的特性有足夠的認(rèn)識，并能夠做出較準(zhǔn)確的定量分析?？赡壳斑@方面的研究還比較滯后，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)缺少有效的分析計(jì)算手段。國內(nèi)變風(fēng)量系統(tǒng)的實(shí)踐正在興起，迫切需要可行的、有效的輔助設(shè)計(jì)的分析方法（design method by analysis）。
　　
參考文獻(xiàn)
　　
　　1 Chen Steve, Stanley Damster. Variable air Vloume System for Environmental Quality. Mcgraw-Hill Company, 1996.
　　2 電子工業(yè)部第十設(shè)計(jì)院，空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊（第二版），北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995。
　　3 Haines Roge, Ventilation Air, the Economizer Cycle, and VAV. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Oct 1994.
　　4 Wendes Herb. Supply outlets for VAV Systems. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Feb 1989.
　　5 ASHRAE Handbook/ HVAC Systems and Equipment, 1996.
　　6 Haines Roger. Outside Air Volume Control in a VAV System. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Oct 1986.
　　7 Graves Larry. VAV Mixed Air Plenum Pressure Control. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Aug 1985.
　　8 Avery Gil. VAV Economizer Cycle: Don't Use a Return Fan. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Aug 1984.
　　9 Haines Roger. Control Strategies for VAV Systems. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Sept 1984.
　　10 Avery Gil. The Instability of VAV Systems. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Feb 1992.
　　11 Hartman Thomas. TRAV-A New HVAC Concept. Heating/ Piping/ Air Conditioning, July 1986.
　　12 Goswami Dave. VAV Fan Static Pressure Control with DDC. Heating/ Piping/ Air Conditioning, Dec 1986..
　　13 Wendes Herbet. Variable Air Volume System Manual. Prentice-Hall, 1991.
　　14 ASHRAE Standard. ANSI/ASHRAE 113-1990.