某運營中心VAV 變風量空調系統設計探究

尹怡雯

（科迪（上海）測試技術有限公司， 上海 200050）

0 引言

作為全空氣空調系統的形式之一，變風量空調系統，亦稱VAV 空調系統（Variable Air Volume System），主要通過送風量調整，實現室內溫濕度調節。就系統性能而言，VAV 空調系統具有風機盤管系統、定風量空調系統的優點，具有溫度局部區域調節、高空氣過濾等級、空氣質量優化、節能（新風自然冷源、部分負荷中風機速度調節）等優勢。VAV 變風量系統雖然占用安裝空間較大，每層需要設置空調機房，安裝占用高度較多，在同樣的建筑結構中，VAV 變風量系統的安裝，相較于風機盤管系統安裝，平均每層安裝空間需多出100mm。

盡管如此，VAV 變風量空調系統也得到了項目開發業主青睞。本文研究的項目位于上海，其中的辦公塔樓采用了VAV 變風量空調系統，以此塔樓為例展開論述。

1 VAV 空調系統原理

VAV 空調系統的工作原理，是根據空間中的負荷或對于建筑空間內的溫度要求設定發生變化時，系統為保持整個空間內的冷熱均衡，通過自身系統的調控，末端裝置自動調節送入房間的風量，從而實現空調系統送風量的自動調節，使房間溫度可以維持在要求區間，且空調機組可以基于末端裝置風量變化，自動調節風機頻率，實現節能。通常設計目的是通過較少的能源消耗來達到建筑空間內的空氣環境的需求。

常規而言，大型寫字樓通常采用大空間平面，且在出租、出售后，可根據使用要求進行二次分隔及裝修，此時，便于用戶空間劃分需求、末端裝置布置更為靈活的VAV 空調系統得到了廣泛應用。對于一個需要服務多個房間的空調系統而言，VAV 系統可以隨各個房間溫度的變化自動控制送風量，節能效果明顯。且通過變頻等控制手段，降低空調箱送風機的轉速，節省系統運行能耗。變風量空調系統作為一種新型技術，其在大型寫字樓實際應用中，調節室內溫度、優化室內空氣質量中發揮的作用十分突出。

2 實踐項目概況

本文以某企業運營中心的VAV 空調系統設計為例展開分析，項目的具體位置位于上海浦東新區周家渡街道，屬于原世博浦東園區，位于 A13A-02 地塊內。其主要的周邊交通為東至國展路，西至 A13A-01、A13A-04、A13A-03 地塊，南至國展路、A13A-03 地塊，北至世博大道，西南臨近白蓮涇路。本方案設計了3 層地下室，34層的主塔樓，以及5 層配套裙房，建筑總高150 米，總建筑面積約為128581 平方米。該項目塔樓為辦公業態，大開間設計，采用VAV 變風量空調系統。

3 VAV 空調系統設計分析

3.1 設計參數

根據辦公、商業、車庫三種業態的負荷特征做出初步負荷估算，地上塔樓部分均為辦公用，地上裙房部分為商業用。根據表1 可以估算出該項目的冷熱負載指標，其結果可知為本項目夏季空調冷負荷約為 11,129kW，冷負荷指標為134W/m2。冬季空調總熱負荷約為6,969kW，熱負荷指標為84W/m2。

表1 空調負載估算總結表

3.2 空氣處理及輸送設備

每樓層設2 個空調機房，每個機房內設2 臺組合式空調機組，可實現各個功能段的優化組合。每臺送風量12,000 立方米/小時。四臺空調機組按朝向分區，每臺服務一個朝向，空調機組為兩管制。空調箱送風機選用變頻風機，可適應系統風量變化。獨立設置變頻排風機系統，寫字樓內每一樓層設置相應空調機房，同時滿足室內壓力平衡，實現新風量-排風量聯鎖控制，季節過渡期間，最大程度地利用室外新風，達到節能目的。變風量空調機組的風機風壓根據風管系統的布置、末端裝置的類型、風口形式等確定，靜壓為550Pa。

冬季外區幕墻熱負荷由地臺送風設備提供，利用高架地板下的空間作為空調送風的輸配手段，使氣流自下而上，如圖1 所示，提高人員的舒適性。

圖1 地送風設備氣流示意圖

3.3 風管系統設計

在對風管系統進行設計時，由于辦公區進深較大，首先對平面進行內外分區。房間一般由圍護結構負荷、室內人員、燈光設備等負荷兩大部分構成。前者夏季產生冷負荷而冬季產生熱負荷，而后者始終產生冷負荷。由于外圍護結構傳熱引起的熱負荷以及圍護結構壁面的冷輻射僅對靠近外圍護結構一定范圍內的外區產生影響，以靠近外圍護結構3m 劃分為外區，冬季外區通常需要供熱。而除此之外的室內區域劃分為內區，內區很少受到外圍護結構負荷的影響，室內的余熱量使內區常年需要供冷。

每臺空調箱分兩路主送風管，一路風管供內區，送風管接至各單風道變風量末端；另一路送風管供外區，接至各并聯型風機動力變風量末端，末端裝置到送風口之間采用消聲措施。為減少風管交叉造成的房間凈高降低，采用吊頂式回風，回風管安裝于吊頂內，并于吊頂上均勻布置回風口，回風位置盡可能避開變風量末端裝置，控制辦公室噪音。標準層風管路由設計如圖2 所示，藍色為送風管，紅色為回風管。

圖2 標準層風管路由設計

3.4 變風量末端設置

該項目選用兩種變風量末端裝置，內區選用單風道變風量末端裝置，約30-40平米為一基準單位, 每基準單位設置一臺；外區選用并聯風機動力型變風量末端裝置, 約每10-15 平米為一基準單位，每基準單位設置一臺。

并聯型風機動力變風量末端是指增壓風機與一次風的風閥并排設置，經空調箱處理后的一次風只通過一次風閥而不通過增壓風機，如圖3 所示。增加風機僅在保持最小循環風量時運行。考慮到冬季時外區負荷降低，送風量(新風量)因減少而造成不適，外區使用并聯風機動力型變風量裝置可在總送風量減少的情況下，混合室內回風，保證最小循環風量，提高舒適度。增壓風機的風量根據空調房間所需最小循環空氣量選擇，為滿足室內新風量要求，故而將VAV 系統冬季送風量設定為設計送風量的30%及以上。

圖3 并聯型風機動力變風量末端

3.5 自動控制系統設計

VAV 的末端控制大致可分為總風量控制，定靜壓控制及變靜壓控制。該項目使用的是變靜壓控制。變靜壓控制的原理是在末端三分之一處設置靜壓點，在確保該點靜壓不變后，通過變風量空調系統末端裝置調節室內風量。通過控制變頻器確定風道中靜壓與目標點設定值之差，得到空調箱實際送風量，從而確定風機頻率。其控制原理如圖4 所示，圖中T 為房間溫度感應器，D 為VAV 風閥控制信號，L 為送風量感應器。

圖4 VAV 控制原理圖

基于房間內的溫控器對室內溫度進行設定。當室內空調負荷出現變動，溫控器溫度檢測裝置將測得實際溫度，一旦測定值與設定值之差超出一定數額，變風量空調系統的末端裝置根據偏離程度對房間內實際送風量大小進行調控。安裝在空調室內的溫度傳感器可以將溫度信號傳給PID 控制器，根據室內溫度和設定值的偏差獲得控制誤差和控制誤差的差異，然后控制動作執行器，進而控制VAV 變風量閥。當房間負荷變化時，PID 控制器不僅可以快速滿足控制響應，還可以實現PID 參數在線調整，提高VAV 控制系統的抗干擾能力。當實際送風量與系統計算數額產生較大偏差時，末端裝置將對進風口風閥進行調整，進而實現實際送風量調控。

當室內溫度＞設定值，末端變風量裝置調節風閥，實現末端送風量上升。此時，主送風管道靜壓下降，現場控制器接收到實際測量值，通過實測值-設定值比較，變頻風機自動調節，確保送風量增加、主送風道的靜壓恢復。當室內溫度＜設定值，末端變風量裝置調節風閥，實現末端送風量下降。冬季期間，由于空調箱始終提供冷風，當室內溫度低于設定，末端送風量減小，這時，主送風管道的靜壓點會上升，空調箱的風機頻率會隨之減小以維持靜壓。末端變風量裝置在減小送風量的同時保證最小新風量。

4 系統調試

為滿足設計要求，VAV 空調系統在施工完成后必須經過一系列的調試，方能達到使用功能。VAV 空調系統調主要包括系統風量平衡調試及聯合調試（也稱 BA調試）兩個方面。

空調系統風量平衡的實現，旨在將系統內各支管段風量調整到設定數值，確保送達VAV BOX 的風量大于或等于設計最大風量的數值。在此過程中，需要保證全部VAV BOX 電動風閥的開度達到80%～90%，手動調節閥全開。調節單個VAV系統各空調分區送風量、回風量、排風量達到平衡；同時完成送、回風管道的水力平衡調試。調試過程中，VAV-BOX 試運轉最好達到100%，為BA 調試做好準備工作，需逐一檢查壓力傳感器是否出現堵塞情況，若出現則應使用打氣筒開展吹掃工作。

調試開始時，首先進行VAV BOX 出口支管的風平衡，調節每個多出風口手動調節閥的開度，確保風口實現均勻出風。待VAV BOX 風量調整平衡后，固定各調節閥手柄，以顏色區分做好手柄位置標示，填寫調試記錄。

5 結論

VAV 變風量系統是一種能夠滿足節能和舒適要求的通用空調系統，在寫字樓項目應用日漸廣泛，但VAV 空調系統安裝調試、風量平衡調試工作量巨大，存在問題仍然較多。在此根據某運營中心的VAV 空調系統布局分析，為項目的VAV空調系統設計提供了參考，為項目的建設與開發提供了實踐性的案例，其項目建設不但具有實踐性意義，且可為同類問題提供解決思路與分析途徑。