变风量空调系统的特点和发展前景

2011-02-17曹振华

制冷 2011年3期

曹振华

(陕西国防工业职业技术学院热能工程学院,西安710302)

1 引言

随着智能建筑业的快速发展,自动化楼宇系统也逐步建立了更多、更科学、经济、合理的控制和管理,不仅使建筑功能等级提高,而且能产生较高的节能作用。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[1],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 变风量空调系统的原理

变风量空调系统是利用改变室内的送风量来实现对室内温度调节的全空气空调系统,它的送风状态保持不变。变风量空调系统有单风道、双风道、风机动力箱式和诱导器式四种形式。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%[2]。

3 变风量空调系统的特点

3.1 变风量空调系统的优点

1)能实现局部区域 (房间)的灵活控制,可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节自己的工作环境;不再需要加热方式或双风道方式就能适应多种室内舒适要求或工艺设计要求;完全消除再加热方式或双风道方式的冷热混合损失。

2)能够将各个空调房间的送入能量进行自动调节,并且能够在考虑同时使用系数的前提下,空调器的总装机容量可减少20%～40%左右[2]。

3)室内无过热过冷现象,由此可减少空调负荷20%～40%左右。提高智能化程度。提高楼宇智能化程度,提高区域舒适化程度。

4)当该空调系统在部分负荷运转时,送风动力将会大大减少,通过理论模拟方法进行计算,当该空调系统全年平均负荷率为70%时,变风量空调系统 (变静压法控制)可节约风机动力85%[2]。

5)可应用于民用建筑、工业厂房等各类相应的场合。可适应于采用全热交换器的热回收空调系统及全新风空调系统。

6)不会产生冷凝水,因为它是全空气系统,可以避免产生冷凝水造成的滴漏污染吊顶和霉菌问题。

7)新风作冷源,因为变风量空调系统是全空气系统,在过渡季可大量采用新风作为天然冷源,相对于风机盘管系统,能大幅度减少制冷机的能耗,而且可改善室内空气质量。

8)系统噪声低,不存在现场噪声。办公区可达到较低的噪音水平。

9)减少综合性初期投资,而且维修量小,寿命长。全年保持恒温。系统结构简单,维修工作量小,使用寿命长。提供更为洁净的空气,符合世界高级建筑IAQ标准。

3.2 与定风量空调系统相比具有的优点[3]

1)具有良好的舒适性及自平衡特性,维护非常方便,运行费用低等。系统的灵活性较好,易于改、扩建,尤其适用于格局多变的建筑。

2)与定风量系统相比,运行经济,用改变房间送风量的方法,补偿房间负荷的变化,避免了因再热造成的冷热抵消。另外,风机功率能接近建筑物空调负荷的实际需要,节省了能耗。同时在过渡季节也可以尽量利用室外新风冷量。

3)与定风量系统相比,各个房间的室内温度也可以个别调节。每个房间的风量调节直接受装在室内的恒温器控制。

4)与定风量系统相比,系统的灵活性很高,易于改建、扩建。特别适用于用途多变的建筑物,例如办公室和实验室等。当室内参数改变或重新隔断时,无需作重大变动,甚至只需重调室内恒温器的设定值即可。

5)与定风量系统相比,风量平衡方便。节省了风量平衡中浩繁的测定和调整的工作量。

6)有与定风量相同的舒适感,由于成功地开发了多种送风方式,当在小风量下运行时,仍能保持良好的风速与温度的综合效果,不会产生 “吹风”感。但当风量过低而影响气流分布时,则只能以末端再热来代替进一步降低风量。

7)与定风量系统相比,具有一般低速集中空调系统的优点;例如可以进行较好的空气过滤、消声等,并有利于集中管理。

3.3 变风量空调系统的缺点

1)变风量空调系统的控制系统相对较为复杂,如果控制系统设计不合理,不能很好地起到节能的作用,难以达到理想状态,这也是制约该空调系统发展的最重要的原因。

2)系统的初投资较大。

3)该系统易产生噪声问题,因此噪声控制也是设计的难题。

3.4 变风量空调系统的适用场合

变风量空调系统适合多房间且负荷有一定变化的建筑。对于全年负荷变化较小的建筑物采用变风量空调系统的意义并不大。

5 变风量空调系统的国内外研究和发展现状

变风量 (Variable AirVolume)空调系统于20世纪60年代起源于美国。在当时定风量系统加末端再热和双风道系统在很长一段时间内占据舒适性空调的主导地位。因此,变风量系统出现以后并没有立刻得到推广,直到1973年西方石油危机之后,能源危机推动了变风量系统的研究和应用,此后20多年中不断发展,如今已经成为美国空调系统的主流[4]。

变风量系统在发展初期,因支管风量平衡的需要和控制设备的局限,大多要求采用高速送风系统,主要送风速度在13.5m/s以上,并且推荐采用静压复得法设计风管系统。尽可能地采用圆形或椭圆形风管,以减小摩擦阻力。但是高速送风系统的风机耗能大,且管路系统噪音增加。随着压力无关型VAV box基本上全面取代压力相关型VAV box及DDC控制器的发展,于是变风量空调方式在低速送风系统中的应用越来越普遍。

在日本,将变风量空调方式用于低速送风系统的研究与开发值得关注。由于传统的皮托管流量传感器在4.5m/s的风速下难以测定,因此日本人开发研究了电磁式流量传感器和超声波流量传感器等多种适用于低速送风系统的前端设备,一方面节能,另一方面降低了风管噪音,因此,进入20世纪90年代以后,无论是新建还是70年代以前建造的空调系统的翻新改造,基本上都采用变风量空调系统[4]。

我国在20世纪70年代即有人研究VAV系统的开发和应用,并在地下厂房、纺织厂、体育馆等建筑中就采用过VAV系统。在80年代末期我国出现的首批智能化建筑中,也曾采用过VAV系统,但由于建设过程和使用过程中的种种问题,有些工程两三年后使用单位便取消了变风量系统的运行方式,相应的自控设备也拆除了,这使得变风量系统的优点没有发挥出来,变风量系统附加的投资难以得到回报。这不仅给业主带来了巨大的经济损失,大量的能源浪费,而且给空调设计同行们带来了巨大的不利影响,导致很长时间内VAV系统在我国几乎没有应用和进行研究。因此近几十年来,一直未能在我国普遍、广泛推广该系统。

在国外变风量空调系统已经成功的在使用,而且节能效果很好,能够达到舒适与节能的要求,但是在我国却不能很好的运行,达不到运行的效果,究其原因主要是因为变风量空调系统的自动控制系统与空调系统不相匹配,调试运行困难,控制参数设置不稳定,导致风量调节不平衡,因此这对我国的空调施工人员和管理人员提出了很高的要求,不但要懂得空调工程的设计原理,而且要懂得空调系统的自控原理,这在我国很不现实。

直到最近几年,空调工程师再次将目光转向变风量空调系统,原因主要有两个:第一,目前国内的空调系统中,风机盘管系统和定风量系统缺点很多。例如目前我国舒适性中央空调系统采用的都是没有末端加热装置的定风量空调系统,因此出现不能满足各个房间不同送风参数的要求的缺点。风机盘管系统可以解决这一问题的出现,但是同样具有凝结水污染房屋吊顶、以及霉菌等问题。另外,随着空调房间的格局布置的改变、功能用途的变化、办公设备及其仪器的增减,空调系统也应当有所改变以适应房间所需,然而,对定风量空调系统和风机盘管系统来说,改扩建相对很麻烦;第二,变风量空调系统节能效率较高。

目前在我国上海、广州等沿海发达城市,有些国外的老牌空调控制公司已经开始推广VAV系统的应用,并且有的已经运行成功,这给我们国内的设计单位敲响了警钟。VAV系统肯定是未来应用的主流空调系统,没有人愿意将它让给外国的设计者去设计。实际上,对变风量系统的设计,设计人员还是有依据可循,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[4]。