变风量系统在人防工程中应用可行性分析

付遂波，徐宽新，郭佳全，黄春杰，房电伟

(1.61016部队，湖北 襄阳 441500；2.61578部队，山西 忻州 035513；3.陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007；4.军事科学院 国防工程研究院，北京 100000)

0 引言

在人防工程中，空调系统能够处理工程内部空气，促使空气温度、湿度、氧气浓度、流速等满足人员使用需求，其重要性不言而喻。

目前大部分人防工程所使用的空调系统是同一类型，即为集中处理的定风量系统。这种空调方式最主要的特征是各空调房间热湿处理所需空气都是由工程内部的空调室统一处理后再通过送风管道和风口定量供给[1]。然而，变风量系统在近几年得到了迅猛发展，关于变风量系统，国内外学者做了大量的研讨工作。2014年，李蕾等[2]为改造某空调系统，研究了一种低温送风及变风量空调技术方案,经过分析发现，低温变风量空调系统的能耗较常温变风量空调系统低,节能效果明显。2016年，葛俊伶等[3]提出了一种改进总风量法,改进了对末端风量的控制效果。梁芯萌等[4]为解决变风量空调末端系统非线性、难以建立精确模型的问题，提出了一种基于改进的PID参数整定方法，并取得较好的结果。

定风量系统简单有效，但在实际使用过程中效果不是特别理想。在此，笔者以某一工程空调系统为例，探讨变风量空调系统在工程中应用的可行性。

1 现有空调系统存在的问题

理想状态下，在某一特定通风方式时，空调系统给每个空调房间的供给量是按照设计要求恒定不变的，不管房间内热湿负荷是否变化，也不管房间内人员多少。若每个空调房间内的状态符合设计条件而不发生变化，这种空调形式是最简单且最有效的，如图1所示。

图1 工程集中式空调原理

但在实际工程使用中，房间内配置的各类大发热量设备，比如计算机、服务器等的数量、位置、安装形式、工作状态等，都不是完全按照设计之初的要求进行设置的，这就造成空调房间内部的负荷与计算负荷的不一致；人员聚集也不是按照设计之初分散聚集的，比如会议室、中央大厅和休办房间，尤其是在常态化工程内，具有明显的时间规律特性，这就导致空房间内可能仍然按照设计新风供给，而人员较多的房间缺乏新风量的现象；工程中人员使用房间和指控设备房间处在同一空调区域，使用同一空调系统，对送风参数要求差异较大，难以满足多方面的需求。因此，在实际工程使用中，负荷变化较大的情况下仍然按照定风量系统固定送风量，很难较好地满足内部人员生活工作、设备正常运行的需求。

通过工程改造，该空调系统在热负荷集中的区域，比如计算机房、数据处理机房以及会议室等，增加了制冷主机和风机盘管或单元式空调机，主要用作降低局部房间温度，如图2所示，形成了“集中空调系统+风机盘管系统”。使用一段时间后发现，这种方式能在一定程度上改善热负荷房间温度和相对湿度，但是整个空调区域的送风量没有改变，风机盘管热湿负荷处理量大，制冷系统负荷大，运行时间长，会议室等重要要素房间的风机盘管因为风速增加引起噪声增大。

图2 集中空调系统加风机盘管系统原理

2 空调系统调整优化思路

以无限增加空调系统制冷量的方式暂不考虑，因为随着制冷量的增加，相应的冷却系统所需的通风量、耗水量将增大，且难以实现，不符合工程实际情况，而如何更好地对现有系统进行调整优化更具有现实意义。

笔者针对目前存在的不同功能房间共用一套空调系统、制冷负荷计算值与实际值不匹配、人员周期性变化的问题，提出以下改善措施。

(1)将不同功能房间从同一套空调系统中分离出去。该空调系统中热量集中的区域主要有计算机房、数据机房、会议室，人员聚集区域主要有会议室，人员有规律的聚集区域主要有休办房间、会议室。现有空调系统主要起着除湿和输送新风的功能，将处理后的空气输送至以上各个房间。而这里主要将计算机房、数据机房的送风、回风从系统中分离出来。空调机组主要为休办房间、会议室处理空气、输送新风，计算机房、数据机房的热负荷主要由风机盘管系统处理，如图3所示。

图3 优化后的工程空调系统原理

(2)引入变风量空调系统，即引入变风量末端装置。因为人防工程的特殊性，新风量保持不变，只是通过末端装置调整空气的处理区域，主要是休办房间和会议室，计算机房等因为没有人员长期驻留，或者只有个别值班人员，新风可以用末端装置引入，但输送量减少。

(3)会议室等大空间调整采用下送风上回风形式。由于会议室属于高大空间，采用散流器送风，送风风速偏小，不能到达人员所处的下层工作区域。采用下送上回方式符合气流流动特征，可以直接送冷风至人员工作区域，经过热湿交换后从上部回风口返回。

3 变风量系统及其优缺点

变风量空调系统(Variable Air Volume System，VAV系统)是一种有明显节能效果的空调系统。定风量系统的送风量是不变的，可根据房间的最大热湿负荷来确定送风量。变风量系统是通过送入房间的风量来适应负荷变化的系统。当室内空调负荷改变或室内空气参数设定值发生变化时，空调系统自动调节进入房间的风量，将被调节区域的温度、湿度参数调整到设定值，从而降低风机能源的消耗，降低整体空调系统运行能耗。20世纪60年代，VAV技术诞生于美国，随着自动控制技术的发展得到了快速发展和完善。根据相关文献显示，相较于传统的定风量空调系统(CAV系统)，VAV系统可节约30%～70%的能耗[5]。

在地面建筑中，VAV系统有如下优点：房间温度能够单独控制；风量自动变化，系统自动平衡；没有水系统的情况下，可以采用电加热；大部分时间在低于其最大风量的状态下运行；对于负荷变化较大，或同时使用系数较低的场所节能效果尤其显著；全空气的空调方式；空气品质好，没有冷凝水污染；温度控制准确快速，精度高；运行节能，风机、制冷设备、循环水泵等能耗降低；没有水管系统，施工方便；可以与多种空调系统相结合。

但同样存在以下不足：新风量缺乏；房间正压时，房门(内开门)开启困难；室内噪声较大；系统初投资较大；在室内湿负荷变化较大的场合，如果仅使用室温控制而没有其余手段加以辅助，则难以确保室内温湿度同时满足使用要求；与CAV系统相比，加入了末端装置和风量调节功能，致使系统从设计到设备选型、安装等比较复杂。

4 VAV系统在工程中的应用

由于VAV系统存在上述优缺点，结合人防工程通风空调系统的特点和重要性，将整个系统照搬进工程中是不现实的，在工程使用期间，安全、稳定、可靠的空调系统才是重点。笔者认为可重点在以下几个方面考虑：定风量空调机组不变化，仍然按照额定进风量进风、送风，仅使用变风量末端装置，按整体来调控送至各个房间的风量，使其总风量一定。新风控制方面，在会议室、人员休办房间、计算机房、数据机房设置传感器，控制参数采用CO2浓度优先，其次为相对湿度：当房间传感器CO2浓度超过设定值，末端装置的控制风阀开大，送风量增加；当CO2浓度降至设定值以下，末端装置的控制风阀关小，送风量减少。温度控制方面，由会议室、计算机房、数据机房设置的风机盘管负责处理。总风量不变的情况下，计算机房、数据机房内部循环降温；之前送至设备机房的新风可以优先调整送至会议室；在会议室送风管压力增大的情况下，分配至人员休办房间。

5 建议

(1)新建工程在设计阶段将不同功能房间分区设置，以区别对象主要控制参数，并且充分考虑工程使用后可能增加的热湿负荷。

(2)优化设置房间的气流组织，避免送风尚未达到功能区就返回空调机房，降低空调系统的效率。

(3)系统操作要正确。空调系统的进风量要符合要求，以确保工程中O2，CO2含量符合要求；制冷机组和风机盘管系统的冷却水量、水温要符合要求，以确保热负荷房间中温度符合要求。

(4)末端设备参数设置要合理。CO2、温度、湿度等控制参数要合理设置，避免设置过高或过低，比如：CO2浓度设置过高，可能引起送风量减少，最终导致缺乏新风量的情况；CO2浓度设置过低，可能引起送风量过大，出现噪声过大的问题。