VAV空調系統運行中的問題分析和改造的研究

梁辰

【摘要】變風量（VAV）空調系統誕生于上世紀60年代，從最初的金茂大廈，VAV系統在上海已經發展了20多年。據不完全統計，上海采用VAV系統的大樓數量已經超過了100幢，而其中運行了超過10年的項目也不計其數。這些項目都運行得怎么樣呢？作者所在公司恰好收購了位于上海靜安寺地區的一幢11萬平米寫字樓，該項目采用VAV空調系統已運行了8年多。本文將對該系統運行中出現的問題進行分類總結，并研究如何通過改造來解決這些問題。

【關鍵詞】VAV系統改造;VAV設備管理;管道風平衡

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.126

VAV空調系統因其更優秀的空氣品質，已然成為甲級寫字樓的標配。但使用VAV系統的大樓在實際的空調表現方面一定就是最優秀最好用的嗎？使用VAV系統的項目，一定就能發揮出其應有的效能嗎？答案是：不一定。近期，筆者作為一名機電改造負責人，有幸對此類大樓的VAV系統進行了深入研究，找出運行中的諸多問題。希望通過本文的總結，帶給此類大樓的管理者更多的改造思路和管理上的思考。

1、VAV空調系統的主要組成、控制原理和系統優勢

1.1 AHU（AirHandleUnit）空氣處理機

AHU是VAV系統的一個重要部件，該設備位于每個樓層空調機房內，總共約100臺，每臺由4個主要傳感器（見圖1：《AHU空氣處理器（VAV基本型）組成圖》的字母標注）組成。分別是：1.風管壓力傳感器P：當采用定靜壓法控制時，壓力點直接作用于變頻器調節;2.風速傳感器V：將風速值轉換為送風量后，在總風量法控制時，提供總風量值供系統比對使用;3.二氧化碳傳感器CO2：為系統提供二氧化碳濃度值，調節新風量，保持優質的空氣品質;4.送/回風溫度傳感器T：實時提供系統送回風管內的溫度值。由4個動作控制點（見圖一：①～④）組成：分別是：①/②：冷熱水閥門控制器。③：變頻器。④.新風風閥控制器。

1.2 VAVBOX（Variable Air Volume BOX）

VAVBOX是VAV系統的末端裝置。安裝在樓層租戶區內。每個樓層內外分區，共約50臺。全樓共有1200多臺。項目選用單風道型，每臺由3個硬件點組成。分別是：1.溫度控制面板：負責采集現場溫度;2.一體化VAV控制器：根據現場溫度和設定溫度的比對，計算出需求風量，自動控制風閥開度，實現變風量控制;3.皮托管式風量傳感器：實時采集送風量。其中VAV控制器作為一臺小型DDC，出廠時需對應每臺VAVBOX的規格進行一對一的程序標定（本文不作展開討論）。

1.3控制原理和優勢

AHU主要遵循如下控制邏輯：1.溫度控制方面：冷熱水電動閥門（①/②）根據送（回）風溫度（T）與設定溫度進行比較，PID調節閥門的開度，使得送（回）風溫度漸近于設定值并保持出風溫度恒定。2.空氣品質方面：根據回風二氧化碳濃度（CO2）與設定值對比，PID調節新風風閥（④）的開度，使得回風的二氧化碳濃度趨向于設定值并保持。由于新風與回風充分混合，空氣內含氧量的均勻度提升。并且通過AHU內部安裝的初效過濾和靜電過濾除塵（見圖1所示），空氣質量得到進一步提升。3.能耗控制方面：根據末端VAVBOX的溫度探測器，通過自動累加需求風量，計算出樓層的總需求風量（總風量法）;或通過定靜壓壓力點設定，根據末端VAVBOX閥門變化導致的壓力變化（定靜壓法），AHU的馬達通過變頻器（③）實時調節風量，確保環境溫度舒適且做到節能運行。

2、VAV空調系統運行中存在的問題分析

2.1駐場檢查的工作內容

（1）對空調機房、新風機房內機組逐臺檢查。特別是風機馬達和皮帶、手動水閥、風閥、初中效過濾、靜電除塵裝置等。結合BA平臺，對每臺機組的啟停、運行狀態和反饋進行一對一的測試。在BA平臺上反應的各機電設備逐一進行數據匹配檢查。

（2）對已經退租的樓層，將天花拆除后，直觀觀察風管和VAVBOX的狀態。結合BA平臺，了解VAVBOX的運行情況。

（3）查閱近幾年來的工程維修記錄、租戶報修和投訴記錄，對大樓內空調有關的問題進行記錄，歸類分析。

（4）分別與整租層租戶和分割單元租戶代表交流談心，收集他們對空調系統的直觀感受和訴求。

（5）了解房屋竣工后8年來的租戶變化，結合樓層的投訴和維修，進一步收集和歸類分析問題點。

2.2問題的收集和呈現

經過1個月的檢查和資料查閱，這幢運行8年多的VAV系統大樓的問題點，被一一呈現出來：

（1）主風管為輕軟的玻纖材料制作，使用粘合劑配合熨燙工藝安裝，經不起改造和管道內高壓。由于二次裝修在對風管進行二次改造時工藝不恰當，導致了風管的開裂。當風管內壓力過大時，進一步加速了風管的破裂和漏風。再加上多年的使用，本身粘合部位存在老化，漏風和破裂更加嚴重并伴隨有嘯叫聲。最終導致制冷制熱效果不佳等問題的產生。

（2）針對大量租戶反應的風太大、太小、風不均勻等問題，我們發現原設計的VAVBOX前端沒有設置手動風閥，僅僅在風口末端設置。這樣的方式，在經歷了幾輪租戶更替后，會導致VAV的風平衡出現嚴重混亂。主要體現在：末端風口全開，風仍然很小或末端風口開一點點卻風很大，各風口的風量不平衡。呈現出越接近空調機房主風管，風越大，越往后風越小的特征。有一些區域因租戶二裝改造時為了天花美觀，私自將若干風口合并到一個風口，導致風特別大。也有租戶將一個VAVBOX分到不同區域，通過很長的接管，導致末端沒有風。更有租戶內外區混接，導致負荷輸送錯誤。

（3）通過與BA平臺聯合測試，發現了很多機組上的問題：1.很多AHU的送風溫度不受控。原因是大量的冷/熱水閥門工作在旁通狀態下（即冷熱水閥被旁通的手動閥干預后，電動閥失效的一種狀態）。不少電動閥故障卡死沒有及時更換，這也是為什么開啟手動旁通閥的原因。2.電動閥從0%到100%，再從100%到0%進行著頻繁地“開”與“關”，無法按設定的出風溫度穩住閥門。3.變頻器頻率被設置為“手動鎖頻”。變風量變成了定風量。4.大量的傳感器損壞或讀數不準。如：風管壓力、二氧化碳、溫度傳感器故障或數值偏離。特別是壓力傳感器，每臺AHU壓力傳感器的數值有很大偏差。檢查發現其安裝位置存在問題。正確的最不利壓差點應該位于主風管末端三分之一處，而現場被安裝在空調機房主風管的出口處，導致數值波動大。當系統運行于定靜壓控制法時，變頻器會伴隨著壓力波動而波動。這也就是為什么很多變頻器處于固定頻率的原因。

（4）通過與VAVBOX平臺界面的聯合測試。發現的問題有：1.接近5%的VAVBOX處于離線狀態，風閥未開啟，無風量顯示。這也是導致室內出風不均勻的原因之一。2.BA平臺上很多VAVBOX的溫度顯示不正確，或呈現出某種規律的不正確。這就誤導了VAV控制器，使其錯誤地計算出了房間需求風量，導致區域風量不均，過冷過熱。3.將AHU滿頻送風，通過累加所有VAVBOX在風閥全開狀態下的風量數值，與AHU銘牌值進行比對后，發現效率低下，部分只有75%效率。檢查發現的原因有：初效過濾和靜電過濾堵塞（管理上疏于清洗或在二次裝修時未對過濾進行保護，完成后未及時清洗導致）;電動機的皮帶老化;個別樓層的總回風口被裝飾材料遮擋;還有些整租樓層，因小租戶更換走道天花材料，回風根本無法到達天花內，等等。

3、關于VAV空調系統改造的研究

在使用中的寫字樓內展開改造，是一件非常困難的事情。更何況要在上海靜安寺地區的一幢11萬m2寫字樓內。我們采取了“騰挪”改造的原則。即：退租的樓層立即進行整層改造。對正在使用的樓層，按租約排定改造計劃。小單元租戶在租約到期后約談退租或騰挪至已改造完成的樓層續約，整租單元則建議換層續約。就這樣，一場為期3年的整改工程開始了。以下篇幅將針對“VAV空調系統的改造”結合上一章節分析的問題點，逐一提出改造措施：

3.1設計不合理點的改造

3.1.1風管的改造

將玻纖材料的主風管更換為鐵皮風管，徹底解決漏風和嘯叫。也徹底解決了各種故障導致的管內壓力過大對風管的破壞;在主風管的拐彎處設置導風裝置，減小風力損失。

3.1.2? VAVBOX安裝位置的優化改造

將部分位置不合理的VAVBOX移位。原則是：必須保證VAVBOX與主風管有一段足夠長度的直管段。一般控制在VAVBOX出風口尺寸的4倍;VAVBOX的位置因盡量利于將來風口的安裝，風口接出的軟管不應過長，必須要延長的，應設置足夠的硬管段。外區VAVBOX的安裝應考慮梁高，部分可利用原有梁上的預留洞，部分則需要進行非標改造。在所有VAVBOX的前端設置百分比型的手動閥門。保留VAVBOX出風口的閥門，用于風量的微調。

3.1.3壓力傳感器的位置調整

將安裝于空調機房內（空調主管出風口）的壓力傳感器拆除，移位到主風管末端1/3處的最不利壓差點上。相應與BA系統連接的管線一并調整。

3.1.4裝飾管理和檢查

將單元走道隔間墻上被二裝拆除的風閥集中檢查并恢復。個別被阻擋的總回風口，全部按要求恢復正常尺寸。走道天花正確設置回風口，做到回風通暢。

3.2疏于管理導致問題的改造

3.2.1傳感器和執行器的檢查和維修

集中檢查AHU、PAU內所有重要傳感器和執行機構。包括所有參與控制的重要參數點位如：頻率、風管壓力、風速、二氧化碳傳感器等。發現損壞及時維修或更換。但在執行機構的更換中，遇到了比如：冷熱水閥執行機構和閥體因緊貼風管壁，無法拆解，需切除水管;傳感器插管位置不佳，無法更換等困難。這些細節在一次施工安裝時應格外注意，做到施工需考慮維修。

3.2.2 VAV控制器、溫控器的檢查和維修

將損壞的VAV控制器從VAVBOX中拆下換新，替換后需注意撥碼和原控制器保持一致。在對VAV溫控器進行維修替換時，終于找出了溫控器溫度呈現出某種規律性不正確的原因是：不同年代、不同型號規格的溫控器，其溫度變量名不同。需根據不同的溫控器，制作不同的VAVBOX程序。在替換完溫控器后，必須有針對性得重新寫入程序。這類有規律的溫度錯誤得以解決。

3.2.3風平衡與二次裝修管理

風平衡調試是否正確實施，是VAV系統調試的重中之重，更是VAV系統成敗的關鍵。為此，我們設計了《VAV風平衡調試表》（見下圖），用于確保每個樓層的VAV都經過正確的風平衡調試。而這些調試資料將被存檔，用于指導將來的二次裝修改造。過去，由于設計上的缺陷，VAV風平衡調試僅采用調節末端風口閥門的方式進行。二次裝修時，一方面由于末端風口數量太多，一不小心就打破了風平衡;另一方面，雖然末端的風可以手動關小，但經過VAVBOX本體的風量減小必須依靠VAVBOX的閥門來實現，這樣一來就造成某些大風量BOX的風壓增大，噪音增大。通過在VAVBOX前端加裝比例型手動閥，可以非常順利直觀地減少進入VAVBOX的風量，完成風平衡調試，也更利于記錄存檔和二裝管理。

二次裝修的單位在進行負荷設計和配置時，必須根據風平衡記錄來進行。不得隨意調整VAVBOX的位置，不得隨意改變VAVBOX前端的手動閥門開度。使風平衡的勞動成果能保持到二裝完成。物業管理單位應要求二裝單位完成裝修后提供詳細的風平衡測試資料存檔。倘若二次裝修對VAVBOX有重大改變，需按改造方案，對二次裝修后的風平衡進行重新調試和記錄。物業管理單位的工程師也應當在必要時候介入二裝的風平衡調試。在租戶退租后，應當特別重視復原工作，記錄和更新好每個樓層的風平衡數據，以便下一個租戶進入裝修。風平衡的調試方法本文不作展開討論。

3.2.4物業管理的重點

（1）做好設施設備的定期巡檢和更換。特別是與控制有關的各類傳感器和控制部件。（2）做好AHU的定期維保，對初中效過濾和靜電過濾進行清洗保養，避免堵塞，提高出風效率;馬達皮帶一旦松脫或損壞應立即更換;定期使用前文提到的AHU總風量值與租戶VAVBOX累加值比對法，檢查AHU的出風效率。（3）加強租戶二裝的審圖。原則上不允許移動VAVBOX位置，溫控器盡量安裝于回風口附近等。管理好風平衡，按照擬定的《VAV風平衡調試表》進行風平衡管理。（4）規范人員的操作。原則上，必須通過BA平臺來完成客訴和相關參數的設置，不允許物業人員私自對空調機房的進水閥、手動旁通閥、變頻器頻率進行干預和調節。看上去問題可能馬上得到解決，但從此留下了失控的后遺癥，這是物業管理過程中特別需要注意的。（5）在物業的定崗中，弱電和空調是兩個相對獨立的專業崗位，BA這個跨專業平臺由誰來操作，成了物業工程經理頭痛的問題。所以，物業管理在人員招聘錄用時，應當重視對BA操作人員專業能力考核，并在錄用后加強培訓。這也是VAV系統后期能順暢和科學運行的關鍵。（6）在二次裝修過程中，物業管理還要多注意觀察建筑內外結構，針對某些冬季特別寒冷的單元和區域，要仔細檢查，排除建筑幕墻漏風的可能。

3.3 BA平臺控制邏輯的選定和VAV控制器的升級改造

3.3.1控制邏輯的選定

在選擇采用總風量控制法還是定靜壓控制法時，產生了一些猶豫。考慮到本項目的實際情況，存在樓層分區域改造的實際困難，且改造的過程將非常漫長，最后決定選用新裝的位于“風管末端1/3處”的最不利點壓力傳感器作為控制的關鍵點，實現定靜壓控制的VAV控制方案。特別是樓層風管更換為鐵皮風管后，定靜壓控制法的實施將更加穩定可靠。但在實施過程中，壓力點的選取成為了一個難題，主要在于內外區的壓力偏差極大。末端1/3位置選取不易。但最終經過插管實驗，選到了幾個壓力穩定的區域，使得系統正常運行。所以在選用定靜壓控制法時，如何正確選擇“最不利壓差點”，是重中之重。

3.3.2部分參數的優化調整

針對部分電動閥從0%到100%，再從100%到0%進行著頻繁地“開”與“關”，無法按設定的出風溫度穩住閥門的問題，我們將系統內PID設置有關的參數進行了反復調整測試，最終實現了穩定。需調整的設備有：冷熱水電動閥、變頻器頻率、新風閥等。這是一個需要反復測試的工作，沒有絕對的經驗值。

針對定靜壓控制法的“最不利點壓力值”設置，也需要調試人員在判斷現場后，重復測試設定。并沒有辦法預先計算出一個最優的設定值。

3.3.3 VAV控制器的改造升級

樓層VAV控制器使用了8年，損壞量大約60個，占總量的5%。溫控器損壞100多個，大部分為幾次拆裝后的人為損壞。VAV控制器是江森N2協議的產品，但如今隨著BACnet協議的普及，N2協議的產品陸續停產和淘汰，給這次改造升級帶來了困難和挑戰。經過研究和實驗后。我們選擇新增一臺江森品牌支持BACnet協議的NAE（見圖3《VAVBOX改造升級示意圖》），負責承擔31～33層（選擇這三個樓層是因為高區每層VAV數量只有30個，三個樓層累計恰好滿足一根總線的要求，且三個樓層恰好為空租樓層，適合整體升級）共約90個VAV控制器和溫控器的連接。替換下來的控制器及溫控器用作維修備品自然消耗。因為BACnet協議的NAE需要運行在江森ADS9.0系統下。所以我們原先計劃安裝一臺新的PC工作站，將原來的運行ADS5.0的PC淘汰，并將系統下所有的N2協議的NAE移植到新PC中，一并升級為ADS9.0。但意想不到的是，N2協議的NAE經過多次測試，無法在ADS9.0系統下運行。在對N2協議的NAE進行最新版本的升級后，也沒有取得成功。最終只能兩臺工作站，一臺運行ADS9.0，一臺運行ADS5.0。留下了些許遺憾，

因為運行ADS5.0的計算機運行了8年，我們在合并升級未果的情況下，希望將電腦換新，但碰到的問題是新電腦無法運行WindowsXP，而ADS5.0必須在XP環境下運行。為解決此問題，我們使用WindowsServer2000作為操作系統進行嘗試，得以實現電腦的替換。

總結：

經歷近3年的改造，我們深刻認識到：VAV空調系統并非一個獨立的空調系統，而是一個結合了智能化、機電所有學科的綜合系統。如何管理好這樣的VAV項目，是當下放在開發商和物業面前的課題。作者以親身經歷，拋磚引玉，在文中給出了一部分的答案和結論。希望留給各層面的管理者一個深刻的思考，讓VAV空調系統發揮出其應有的效能。

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