变风量空调技术研究进展

1、变风量空调技术的研究进展摘要：变风量空调系统简称VAV 系统（Variable Air Volume System），它根据被控区域空调负荷的变化及室内要求参数的改变，自动调节空调系统的送风量，从而保证室内参数达到要求，并且避免了定风量空调系统因冷热抵消造成的能源浪费。变风量空调系统通常由空气处理设备、送（回）风系统、末端装置（VAV- BOX）及送风口和自动控制仪表等组成。关键词：变风量系统；空气处理机组；末端；自动控制0引言在 20 世纪60，70年代欧美国家出现石油危机之后，世界各国开始意识到能源的重要性，于是在各个领域开始注重节能技术的开发和利用。在暖通空调领域，变风量(VAV)空调系

2、统应运而生，并很快得到了快速发展和推广应用。变风量( VAV 空调) 空调系统的节能率、灵活性要远优于其他类型中央空调系统, 已渐渐成为中央空调设计者的主流研究方向。在一些工业化发达国家, 由于中央空调系统的广泛使用, 能耗损失相当的大, 例如, 美、日、英、法等国在空调方面的能耗约占国家总能耗的三分之一, 瑞典甚至高达50% 左右, 在我国, 空调系统能耗占建筑总能耗的70% 左右。在2009年12月召开的“哥本哈根世界气候峰会”上，节能减排是这次峰会的一个重要主题，在这次峰会上，各国都对本届峰会高度重视。 因此变风量空调系统以其高的节能率将会受到越来越多商家和用户的亲睐。据不完全统计，在现

3、已完成并运行的变风量空调系统中，与普通的定风量空调系统相比，有很大的节能潜力。建筑的运行能耗，主要指空调系统的运行能耗，是建筑节能的主要对象，也是我国建筑节能迫在眉睫的任务1。因此变风量空调技术的研究对建筑节能具有重大意义。1变风量空调系统（VAV）概述变风量空调系统（VAV）产生于西方国家，美国20世纪60年代就已经开始开发应用，至今已经有半个世纪的历史。基本原理是通过改变进入空调服务区域的送风量的大小来适应服务要求的全空气空调系统。随着国内经济的发展，人们对建筑的舒适性有了更多的要求。从传统的风机盘管加新风系统的模式，发展到现在的VAV，有关VAV的技术也在不断地被运用到实际运用中。更重要

4、的一个因素，在节能减排的战略提高到国家层面的高度上时，VAV出色的节能潜力得到了更多方面的认可，VAV系统避免了定风量空调系统因冷热抵消造成的能源浪费2。在未来的时间，VAV必将是空调系统的主流方向。1.1变风量空调系统基本构成变风量空调系统类型各异，但是基本上由四个部分组成：空气处理及输送系统、风管系统、变风量末端装置和自动控制系统。下面简单进行说明。1.1.1空气处理输送系统：该系统即平常所称的空调器及风机，基本功能就是对空调系统的空气循环提供动力，并根据需要，对室内空气进行冷热、湿度等方面的处理，以满足使用要求。1.1.2风管系统：对空气进行运输、分配的系统，由送风管、回风管、新风管、各

5、种支风管及送风静压箱、回风口组成。1.1.3变风量末端装置：根据房间或区域内的热符合，调节送风量的装置，是变风量系统的特征装备。有些还兼有二次四风、再热和空气过滤等功能。1.1.4自动控制系统：变风量空调系统的变风量目的是否能够实现，实现的效果好坏如何，主要取决于自动控制系统。自动控制系统是变风量空调系统的关键部分。通过对房间温度、湿度、风量压力以及其他物理量进行检测和控制，调整风量，以达到舒适和节约能源的目的（比较常见的系统有直接式数字控制DDC、BA系统等）。自控系统具有机电一体化和监控网络化的特点，由系统控制器、末端控制器和BA网络共同构成。1.2 变风量空调系统基本原理变风量空调系统是

6、通过改变送风量来控制空调区域温湿度的一种全空气空调系统。相对定风量空调系统，变风量空调系统有两层含义：空调系统总风量可变，即根据区域的负荷需求，对系统总送风量进行调节，最常见和最节能的方法是采用变频装置调节风机的转速；空调区域内末端装置的一次风送风量可变。全空气空调系统设计的基本要求是：确定向空调区域输送足够数量的、经过处理后的空气，用以吸收区域负荷，从而保持该区域所需要的温湿度。按照全空气空调系统的这一要求，空调系统送风量 G、空调区域送风量 gsi分别为：当空调系统负荷 Qs发生变化时，为使室内温度 tN保持不变，有两种方法，一种方法是固定空调系统送风量 G，而改变送风温度 tO，称之为

7、CAV 系统；另一种是固定送风温度 tO，而改变送风量 G，称之为 VAV 系统。变风量系统通过变风量末端装置调节送入区域的一次风量，并相应调节空气处理机组（Air Handing Unit，简称 AHU）的风量来适应末端装置的风量需求3。变风量空调系统在每个区域的送风入口处皆安装了一个变风量末端装置，该末端实际上是一个可进行自动控制的风阀，如图所示。调节末端装置风阀的开度，增大或减少送入空调区域的风量，从而实现对各个区域温度的独立控制。当全空气空调系统所管辖的区域负荷变化各不相同时，或区域的需求温度彼此不同时，VAV 系统显然是一种解决该问题的有效方式。典型的变风量空调系统风系统示意图如下所

8、示：VAV 系统主要包括空气处理设备及输送设备、风管系统、变风量末端装置、及水系统（冷却水循环系统、制冷剂循环系统及冷冻水系统）。空气处理设备及输送设备（简称“空调器及风机”），对送入区域的空气进行过滤、热湿处理，实现区域内的通风换气，并为空调系统空气循环提供原动力。风管系统是变风量空调系统中送风管、回风管、新风管、排风管、末端装置上、下支风管及各种送风静压箱和送、回风口的总称，实现对系统空气进行输送、分配。变风量末端装置是变风量空调系统的特征设备，根据区域的显热负荷，调节送入该区域的风量，一般由末端控制器和风阀执行器组成。末端控制器有气动式、电子模拟式和直接数字式（Direct Digita

9、l Control，简称 DDC）。国内变风量空调系统一般采用直接数字式控制器，具有与管理级监控系统通讯的功能。风阀执行器是根据控制器的指令，调节末端装置风阀开度。变风量空调水系统，是用水作为能量传递的介质（载冷剂），实现冷水的分配与输送（即把冷热量输送到各空调风系统），完成空调风系统冷量或热量转移不可或缺的重要部分。变风量空调水系统主要包括冷（热）源设备、输送设备及管路系统，如图所示。变风量空调水系统示意图 大多数空调系统使用的冷源是冷水机组，其中，压缩式制冷是目前常用的制冷方式，常见的制冷剂（冷媒）为 R22。压缩式冷水机组由压缩机、蒸发器、膨胀阀（节流阀）、冷凝器组成。热源是辅助电加热器

10、，以水为传热介质,电加热升温，通过水泵强制循环给空调风系统提供热量，如图所示。制热工况和制冷工况的转换是利用切换相应的手动阀门来实现的。输送设备，主要包括冷却水泵、冷冻水泵，通过管路系统完成相应的循环。冷热源是通过水循环系统完成向空调区域提供冷量和热量的任务，而空调区域的冷热负荷是实时变化的，如何使冷热源的产冷、产热量，随空调冷、热负荷的变化而变化，如何使水循环系统按照负荷的要求，把产冷、产热量传送到各空调区域，实现满足负荷需求的最小能耗控制，已是空调水输配系统节能研究的重要课题。1.3 变风量空调系统分类1.3.1 仅供冷的基本变风量系统在空间较大的建筑物内区，全年都出现冷负荷，需要供冷。这

11、种仅供冷的变风量空调系统运用到建筑物的内区是最为理想的。这种变风量空调系统是一种基本的系统形式，其它的变风量系统都是为了适应不同的建筑功能要求，在这种基本系统形式的基础上衍生而来的4。1.3.2带有单独供热系统的变风量系统在冬季，建筑物的外区可通过外墙、外窗和屋顶产生热损失而需要供热。通常的做法是在外区单独设计一个供热系统，在冬季时送热风来弥补外区热损失的要求。这种供热系统并不是通过冷热抵消的形式实现的，因为冷风量是根据房间的冷负荷来调节的。1.3.3 再热式变风量系统这种系统是在变风量末端的送风出口安装有一个再热器，热源可以是电也可以是热水。采用再热式的变风量系统，则可取消为外区设置的单独供

12、热系统。在深秋或冬季时，这种系统通常在末端风量减小至最小值还过冷时才启用。1.3.4 双风道变风量系统双风道变风量空调系统的风机出风端分成两路，一路通过冷却，一路通过加热，并分别经过热风道和冷风道送至末端装置。这种系统每个房间的风量均由冷风阀和热风阀来控制，既可单独供冷也可单独供热。在满负荷时，只有一个风阀开启，另一个风阀关闭。在运行时，一般不同时既供冷又供热。1.3.5 地板送风变风量系统地板送风变风量系统夏季的送风温度较高，在大面积的内区范围，省去了末端装置，风管系统的设计也较简单。对于开放式办公区域来说，该系统的可调式地板送风口可独立控制，从而可提高室内的热舒适性。但由于这种系统布置在地

13、板下，维修起来工作量大1.4 变风量空调系统的特点1 由于各区的送风量可随着各区负荷的变化而变化，因此在同一时刻，即使各个区域的负荷大小不同，也可满足各区的风量要求。还可减少系统的总风量，从而可以减小设备规格，减少初投资5。2 变风量系统的系统设计和控制设计非常重要，它要求仔细确定个末端装置的容量大小，以便保证规范所要求的最小风量。同时，在部分负荷时，要求可以灵活地控制空调送风机的能耗和再热能耗，末端的控制要与集中空气处理装置和冷热源设备的控制一体化。因此，合理的变风量系统再加上合理的自动控制，可进一步减少空调系统能耗。3 可实现对各个房间温度的独立自动控制。4 变风量系统可以不作风量平衡调试

14、就可以得到满意的平衡效果，因为可事先在末端装置上把风量设定在需求风量上，系统只需调节新风、回风和排风阀门就可以了。5 变风量系统适合于建筑物的改建和扩建。 6 与定风量再热系统比，变风量系统对室内空气湿度的控制效果要差些，但对于舒适性的民用建筑来说，变风量系统对湿度的控制可满足要求。2 变风量系统国内外研究现状2.1 国外研究变风量空调系统最早起源于国外，在国外得到了长足的发展。在设计高层建筑空调时，北美国家常将整个建筑划分成几个空调段，每段采用一个空调系统，平面主风管布置成环形，外区采用带加热器的单风道型或者风机动力型末端装置，而内区设置不带加热器的单风道型或者风机动力型末端装置。北美国家采

15、用这种大型空调系统有其深刻的技术、经济和历史原因6：1 延续再热理念受温差传热和太阳辐射的影响，外区负荷变化较大，冬季时有些朝向需供热，有的朝向需要供冷。因此，如何处理外区负荷和解决区域过冷问题一直以来是变风量空调系统设计的难点。然而，要是末端采用了再热装置，则这些难题就变得非常简单了。2 节省使用空间建筑业为节省投资，想尽办法压低层高，减少设备占用面积。而多层集中式空调系统风量大，为节省管道占用空间，风管系统向高速方向发展，风管设计也采用静压复得法。3 采用低温送风低温送风可减少送风量，但需要低温的冷冻水。而美国的中央冷源设备多采用电动蒸汽压缩式制冷方式，冰蓄冷的应用也很普及，这些冷源能够提

16、供较低的供水温度。4 设备自身因素由于空调系统大型化，无论是空调器还是相关的风管、水管以及控制设备等的单位容量投资都会呈下降趋势。5 控制系统因素由于控制技术的发展和变频技术的出现，为变风量空调的发展起到了很大的促进作用，变风量空调的优点进一步得到了体现。6 利用新风供冷7 改造维修方便美国在空调系统节能方面做了大量工作，ASHRAE 手册应用篇(2003)中关于公共建筑的节能措施可采用：把外区的供热系统从整个供冷系统中分离出来，采用双风道型变风量空调系统、诱导型变风量系统或风机盘管机组，而内区仍采用常规的全空气变风量系统。与美国不同，日本的变风量空调系统有其显著的特点：1 否认再热理论，把外

17、区加热与变风量空调系统分开2 系统规模小，每个标准层一般设置 2 个以上的空调系统3 一般采用单风道型变风量系统，风机动力型的变风量系统很少采用4 采用低速常温送风方式5 系统“化整为零”，即不同朝向的外区采用独立的空调系统，用小系统采用不同的送风温度，通过末端风量调节和送风温度调节的双重手段来适应外区负荷的变化特点。这种方式避免了某些朝向的外区当末端输送最大风量还过热或输送最小风量还过冷的现象6。2.1.1变风量空调系统中定静压与变静压控制的研究在理论上，国外最开始是建立 VAV 系统模型进行模拟实验，1989 年 Maxwell通过对 AHU 控制的模拟达到分析运行和控制的目的7。1991

18、 年 Zaheer-Uddin 对VAV 送风系统的运行及控制特性进行模拟评估8。House 等建立了风机的模型，并将轴流风机的流量、压头和输入功率三个变量进行无量纲化，模拟叶片角度的变化和风机转速对它们的影响，为变角度和变速风机控制器的设计提供了参考9。与定风量空调系统相比，变风量空调系统的最大特点是在部分负荷下能够在很大程度上节约风机的能耗，Englander S L 和 Norford L K 通过模拟和实验验证了这一结果, 并在保证室内热舒适性要求的前提下对送风管道静压设定值进行了优化1011。与定静压控制不同，变静压控制中管道中某一点的静压设定值是变化的， Lorenzetti D

19、M 和 Norford L K 在一实际建筑中做了实验，提出利用末端风阀开度来实现变静压控制的一种方法，并建立了风机功率和管道压力、流量以及送风温度间的函数关系，并对能耗进行评估，得出的结论是变静压控制更节能12。FredrikEngdahl 和 Anders Svensson 分析了在设计变风量空调系统时，一定要考虑室内的热舒适性、能耗和系统长期运行的稳定性。在控制某一支管处的压力时，一定要考虑对其它支管静压和各区域流量的影响。他还建立了管道中静压传感器位置的方程以及变静压控制过程中管道沿程静压的变化规律13。2.1.2变风量空调系统中管道设计的研究在目前的变风量空调系统中，管道的设计是按满

20、负荷情况下来设计的，但是空调系统在大部分时候是在部分负荷下运行的，Taecheol Kim 等介绍了变风量空调系统中管道优化设计的方法14。Nassif N 和 Moujaes S 从新风阀门、排风阀门和回风阀门的角度来分析变风量空调系统的节能情况，控制策略是通过调节一个阀门的开度来改变新风量，而其它的两个阀门保持全开。由于这三个阀门中有两个保持全开，系统阻力减小，这样能够节省风机的能耗15。2.1.3变风量空调系统送风温度控制方面研究在送风温度控制方面，瑞典的 Fredrik Engdahl 提出了全新风运行模式的送风温度控制方案，根据负荷、风机功率、制冷机 COP 和室外温湿度来优化送风温

21、度，并根据送风温度的变化、建筑围护结构的特性以及室外参数的变化来计算了空调系统的能耗情况。结果表明，与定送风温度相比，送风温度优化后能够降低空调系统的能耗16。Yu-Peike 和 Stanley Mumma A 指出了送风温度的改变对系统各方面的影响，并建立了以能耗为目标的目标函数，比较了变送风温度、定送风温度和最高送风温度三种情况的能耗情况，结果表明变送风温度控制能够减少系统能耗17。2.2国内研究国内对变风量空调系统的研究起步得较晚，大概从八十年代末九十年代初开始，沿海的一些大城市建成了许多现代化的办公大楼，系统设计采用的是变风量空调系统，为国内的空调界引入了新的设计理念。但从这一时期的

22、设计来看：同样是变风量系统，无论是设计理念，还是设计规模以及末端装置和控制方法方面，与美国和日本的风格相差很大。那时的设计对变风量系统的理解不深入、没有完整贯彻设计意图，因此也得到了一些经验教训。现在，我们在借鉴国外技术的基础上，结合具体的工程实例、国内能源状况、投资能力和管理水平，提出了适合我国的变风量空调系统设计方法。变风量空调系统的研究涉及到暖通、自动控制、数据通讯等专业学科的知识，因此对各学科要有一定的了解。变风量空调系统在运行过程中根据室内负荷的变化实时自动地控制风机转速来改变送风量以满足室内热舒适性的要求，它是建筑智能控制的一个典型应用。李明海等介绍了变风量空调系统在智能建筑中的应

23、用情况，论述了变风量系统的主要控制技术，指出了运用智能控制理论对变风量系统进行全局优化控制是一个很好方案18。2.2.1变风量空调系统自动控制的研究随着自控技术的发展，自动控制在空调系统中的应用越来越广泛，于梅春、刘泽华分析了暖通空调领域中自动控制的特点及分类，指出传统的PID 控制和现代的DDC控制在暖通空调系统中的普遍应用19。变频技术在空调系统中的应用主要用来控制风机和水泵的转速，刘东等阐述了变频技术在空调系统中的节能潜力20。王瑱等采用LonWorks 总线控制技术的楼宇自控系统平台对变风量空调系统控制程序进行了开发，并成功应用于某大厦21。方忠祥、屠立和孟建翔论述了在智能建筑中，直接

24、数字控制技术(DDC)在变风量空调系统中的应用22。晋欣桥等通过动态仿真程序模拟建筑物和VAV系统及其局部控制器的实际工作情况，通过获取实际系统所需的参数，为BMS中央控制系统优化控制方案的设计提供了有利的试验条件23。郭鹏和任庆昌介绍了一种基于三星公司ARM技术的VAV末端控制器的硬件设计方案，根据DDC控制器所要实现的功能设计了控制器系统的核心模块和通讯接口模块24。2.2.2变风量空调系统的具体控制策略方面研究在变风量空调系统的具体控制策略方面，杨国忠、朱红等从设计的角度，对变风量系统中定静压与变静压这两种控制方法的原理进行了分析，重点分析了这两种风阀的不同点，并比较了它们之间的异同点。

25、指出了定静压控制的关键在于选择合理的静压设定值以及静压传感器的合理位置，而变静压系统控制的关键在于空调系统设计的合理性、控制的时间间隔和静压设定值变化步长的大小2526。童锡东等分析了 VAV 空调系统的定静压控制和变静压控制的特点，列举了目前较为常见的三种变静压控制方法：最小静压法、VVVP 和总风量控制法，并研究比较了各自的控制策略27。在集中变风量空调系统中，马文通等分析比较了送风控制、新风量控制、送风量匹配控制及室温控制的方法特点，指出了变风量系统存在的问题以及提出了对其进行优化的方法28。香港理工大学王盛卫教授在变风量系统的静压控制和送风温度控制方面做了深入研究。1997 年，王盛卫

26、通过建立动态仿真平台，优化 VAV 系统静压设定值、AHU 送风温度设定值以及新风流量设定值，将优化控制策略和程序应用于该仿真平台上进行调试，并对结果进行了评估2930。1999 年，他用基因遗传算法解决了多参数的在线优化问题，并在类似真实环境的仿真平台上进行了测试和评估31。晋欣桥等利用变风量末端风阀开度的信号作为各区域相对负荷的指示信号，对多区域变风量空调系统的送风温度进行实时优化32。徐新华和王盛卫等提出了变风量系统的送风静压和送风温度优化控制方法以及多区域新风量优化控制方法，这些控制方案及控制程序在 VAV 空调系统的动态仿真平台上进行测试以评估它们的动态控制性能、节能及空气品质特性3

27、334。张雅等以变风量空调机组送风温度控制系统为对象，采用阶跃响应经验辨识方法建立了冷水阀开度送风温度系统数学模型35。2.2.3变风量空调系统在办公建筑中应用的研究在大型的办公建筑中，越来越多的采用变风量空调系统，因此，变风量空调系统在办公建筑中应用的研究也越来越多。薛亚斌和贾岩以上海浦东某建筑为例，介绍了变风量系统的系统设置、新风量确定、气流组织和控制方式等36。陈华和张和平等以实际建筑为例，详细介绍了定静压、变静压和总风量控制法在办公建筑中的应用情况3738。赵宝珠介绍了变风量空调系统在高层建筑上的应用，通过工程实例表明变风量系统在高层建筑应用中的优点：节能、降噪声392.2.4变风量空

28、调系统施工和调试的研究施工和调试是变风量系统能够稳定运行并达到预期效果的两个重要过程。李正洪介绍了广州某国领事馆签证大厅 VAV 变风量空调系统的施工及调试，根据使用效果来总结工施工经验，并重点分析了变量空调系统施工质量和控制难点40。夏春海等以某变风量改造工程为例，详细介绍了既有建筑实施 commissioning的步骤及实施过程中业主、咨询方、控制公司和设计单位的相互关系，从能耗状况出发分析变风量系统调试的实施效果，并在实测分析的基础上提出了进一步commissioning 的必要性，总结了对既有建筑改造工程开展 commissioning 的方法 41。3 结论本文基于对变风量空调系统的

29、学习和对现在国内外专家对变风量空调技术的研究进展的了解而得出如下结论：1）变风量空调系统节能效果显著, 全年运行时可节约能耗30% 50%因此变风量空调系统以其高的节能率将会受到越来越多商家和用户的亲睐。2）变风量空调系统难点在该系统的控制问题上, 这也是该系统在完工后不能按设计计划运行的关键原因，因此，对变风量空调系统控制问题的研究将直接关乎其在我国的发展前景。3）随着能源问题的突出, 可以预见, 变风量空调系统将会成为我国乃至世界各国竞相发展的主流方向。发展变风量空调技术,深化技术研究并提高变风量空调系统的应用性, 将会对我国的能源节约起到至关重要的作用。参考文献：1 丛大鸣.节能生态技术

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