變風量系統在人防工程中應用可行性分析

付遂波，徐寬新，郭佳全，黃春杰，房電偉

(1.61016部隊，湖北 襄陽 441500；2.61578部隊，山西 忻州 035513；3.陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007；4.軍事科學院 國防工程研究院，北京 100000)

0 引言

在人防工程中，空調系統能夠處理工程內部空氣，促使空氣溫度、濕度、氧氣濃度、流速等滿足人員使用需求，其重要性不言而喻。

目前大部分人防工程所使用的空調系統是同一類型，即為集中處理的定風量系統。這種空調方式最主要的特征是各空調房間熱濕處理所需空氣都是由工程內部的空調室統一處理后再通過送風管道和風口定量供給[1]。然而，變風量系統在近幾年得到了迅猛發展，關于變風量系統，國內外學者做了大量的研討工作。2014年，李蕾等[2]為改造某空調系統，研究了一種低溫送風及變風量空調技術方案,經過分析發現，低溫變風量空調系統的能耗較常溫變風量空調系統低,節能效果明顯。2016年，葛俊伶等[3]提出了一種改進總風量法,改進了對末端風量的控制效果。梁芯萌等[4]為解決變風量空調末端系統非線性、難以建立精確模型的問題，提出了一種基于改進的PID參數整定方法，并取得較好的結果。

定風量系統簡單有效，但在實際使用過程中效果不是特別理想。在此，筆者以某一工程空調系統為例，探討變風量空調系統在工程中應用的可行性。

1 現有空調系統存在的問題

理想狀態下，在某一特定通風方式時，空調系統給每個空調房間的供給量是按照設計要求恒定不變的，不管房間內熱濕負荷是否變化，也不管房間內人員多少。若每個空調房間內的狀態符合設計條件而不發生變化，這種空調形式是最簡單且最有效的，如圖1所示。

圖1 工程集中式空調原理

但在實際工程使用中，房間內配置的各類大發熱量設備，比如計算機、服務器等的數量、位置、安裝形式、工作狀態等，都不是完全按照設計之初的要求進行設置的，這就造成空調房間內部的負荷與計算負荷的不一致；人員聚集也不是按照設計之初分散聚集的，比如會議室、中央大廳和休辦房間，尤其是在常態化工程內，具有明顯的時間規律特性，這就導致空房間內可能仍然按照設計新風供給，而人員較多的房間缺乏新風量的現象；工程中人員使用房間和指控設備房間處在同一空調區域，使用同一空調系統，對送風參數要求差異較大，難以滿足多方面的需求。因此，在實際工程使用中，負荷變化較大的情況下仍然按照定風量系統固定送風量，很難較好地滿足內部人員生活工作、設備正常運行的需求。

通過工程改造，該空調系統在熱負荷集中的區域，比如計算機房、數據處理機房以及會議室等，增加了制冷主機和風機盤管或單元式空調機，主要用作降低局部房間溫度，如圖2所示，形成了“集中空調系統+風機盤管系統”。使用一段時間后發現，這種方式能在一定程度上改善熱負荷房間溫度和相對濕度，但是整個空調區域的送風量沒有改變，風機盤管熱濕負荷處理量大，制冷系統負荷大，運行時間長，會議室等重要要素房間的風機盤管因為風速增加引起噪聲增大。

圖2 集中空調系統加風機盤管系統原理

2 空調系統調整優化思路

以無限增加空調系統制冷量的方式暫不考慮，因為隨著制冷量的增加，相應的冷卻系統所需的通風量、耗水量將增大，且難以實現，不符合工程實際情況，而如何更好地對現有系統進行調整優化更具有現實意義。

筆者針對目前存在的不同功能房間共用一套空調系統、制冷負荷計算值與實際值不匹配、人員周期性變化的問題，提出以下改善措施。

(1)將不同功能房間從同一套空調系統中分離出去。該空調系統中熱量集中的區域主要有計算機房、數據機房、會議室，人員聚集區域主要有會議室，人員有規律的聚集區域主要有休辦房間、會議室。現有空調系統主要起著除濕和輸送新風的功能，將處理后的空氣輸送至以上各個房間。而這里主要將計算機房、數據機房的送風、回風從系統中分離出來。空調機組主要為休辦房間、會議室處理空氣、輸送新風，計算機房、數據機房的熱負荷主要由風機盤管系統處理，如圖3所示。

圖3 優化后的工程空調系統原理

(2)引入變風量空調系統，即引入變風量末端裝置。因為人防工程的特殊性，新風量保持不變，只是通過末端裝置調整空氣的處理區域，主要是休辦房間和會議室，計算機房等因為沒有人員長期駐留，或者只有個別值班人員，新風可以用末端裝置引入，但輸送量減少。

(3)會議室等大空間調整采用下送風上回風形式。由于會議室屬于高大空間，采用散流器送風，送風風速偏小，不能到達人員所處的下層工作區域。采用下送上回方式符合氣流流動特征，可以直接送冷風至人員工作區域，經過熱濕交換后從上部回風口返回。

3 變風量系統及其優缺點

變風量空調系統(Variable Air Volume System，VAV系統)是一種有明顯節能效果的空調系統。定風量系統的送風量是不變的，可根據房間的最大熱濕負荷來確定送風量。變風量系統是通過送入房間的風量來適應負荷變化的系統。當室內空調負荷改變或室內空氣參數設定值發生變化時，空調系統自動調節進入房間的風量，將被調節區域的溫度、濕度參數調整到設定值，從而降低風機能源的消耗，降低整體空調系統運行能耗。20世紀60年代，VAV技術誕生于美國，隨著自動控制技術的發展得到了快速發展和完善。根據相關文獻顯示，相較于傳統的定風量空調系統(CAV系統)，VAV系統可節約30%～70%的能耗[5]。

在地面建筑中，VAV系統有如下優點：房間溫度能夠單獨控制；風量自動變化，系統自動平衡；沒有水系統的情況下，可以采用電加熱；大部分時間在低于其最大風量的狀態下運行；對于負荷變化較大，或同時使用系數較低的場所節能效果尤其顯著；全空氣的空調方式；空氣品質好，沒有冷凝水污染；溫度控制準確快速，精度高；運行節能，風機、制冷設備、循環水泵等能耗降低；沒有水管系統，施工方便；可以與多種空調系統相結合。

但同樣存在以下不足：新風量缺乏；房間正壓時，房門(內開門)開啟困難；室內噪聲較大；系統初投資較大；在室內濕負荷變化較大的場合，如果僅使用室溫控制而沒有其余手段加以輔助，則難以確保室內溫濕度同時滿足使用要求；與CAV系統相比，加入了末端裝置和風量調節功能，致使系統從設計到設備選型、安裝等比較復雜。

4 VAV系統在工程中的應用

由于VAV系統存在上述優缺點，結合人防工程通風空調系統的特點和重要性，將整個系統照搬進工程中是不現實的，在工程使用期間，安全、穩定、可靠的空調系統才是重點。筆者認為可重點在以下幾個方面考慮：定風量空調機組不變化，仍然按照額定進風量進風、送風，僅使用變風量末端裝置，按整體來調控送至各個房間的風量，使其總風量一定。新風控制方面，在會議室、人員休辦房間、計算機房、數據機房設置傳感器，控制參數采用CO2濃度優先，其次為相對濕度：當房間傳感器CO2濃度超過設定值，末端裝置的控制風閥開大，送風量增加；當CO2濃度降至設定值以下，末端裝置的控制風閥關小，送風量減少。溫度控制方面，由會議室、計算機房、數據機房設置的風機盤管負責處理。總風量不變的情況下，計算機房、數據機房內部循環降溫；之前送至設備機房的新風可以優先調整送至會議室；在會議室送風管壓力增大的情況下，分配至人員休辦房間。

5 建議

(1)新建工程在設計階段將不同功能房間分區設置，以區別對象主要控制參數，并且充分考慮工程使用后可能增加的熱濕負荷。

(2)優化設置房間的氣流組織，避免送風尚未達到功能區就返回空調機房，降低空調系統的效率。

(3)系統操作要正確。空調系統的進風量要符合要求，以確保工程中O2，CO2含量符合要求；制冷機組和風機盤管系統的冷卻水量、水溫要符合要求，以確保熱負荷房間中溫度符合要求。

(4)末端設備參數設置要合理。CO2、溫度、濕度等控制參數要合理設置，避免設置過高或過低，比如：CO2濃度設置過高，可能引起送風量減少，最終導致缺乏新風量的情況；CO2濃度設置過低，可能引起送風量過大，出現噪聲過大的問題。