變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計實例分析

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簡介： 介紹了廈門國際會議展覽中心VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)使用效果總結(jié)了設(shè)計經(jīng)驗，并著重分析了變量空調(diào)系統(tǒng)諸多設(shè)計問題和技術(shù)難點。
關(guān)鍵字：變風(fēng)量 設(shè)計實例 節(jié)能 新風(fēng)量 空氣品質(zhì) 過濾效率

一、引言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國外許多先進(jìn)和成熟的空調(diào)技術(shù)在各地得到高度重視和應(yīng)用。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)因其節(jié)能顯著、易于多區(qū)控制及舒適在歐美、日本等國已廣泛使用，在我國許多高級辦公樓也已設(shè)計施工并相繼完工。廈門國際會展中心于1998年著手開始設(shè)計，其中辦公室及會議室均采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，工程于2000年9月正式投入使用，并成為廈門市乃至福建省為數(shù)不多的一個VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實例。下面談?wù)勗O(shè)計體會，并探討和分析變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點和發(fā)展動向。

二、工程概況

　　廈門國際會議展覽中心坐落在廈門市東部沿海，總建筑面積約為15萬㎡，總投資在14億元，主要功能有展覽、會議、辦公等?？傊评淞繛?900冷噸（27650kW）。其中三、四層會議室及部分辦公室均采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的建筑面積約占25000㎡，變風(fēng)量空調(diào)箱總處理風(fēng)量為290000m³/h，空調(diào)箱共有11臺，其中最大處理風(fēng)量為97000m³/h。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)采用雙風(fēng)機形式，送風(fēng)機所配電機功率總共有346kW，風(fēng)壓在1000～1250Pa之間，回風(fēng)機所配電機功率總共有175kW，風(fēng)壓在450～600Pa之間。送回風(fēng)機均采用變頻控制，某些回風(fēng)機還兼作內(nèi)部大空間的排煙風(fēng)機?？照{(diào)冷凍水供水溫度為6.7℃，回水溫度為14.4℃，只考慮夏季供冷，冬季不供暖。

三、系統(tǒng)組成

　　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要由空氣處理機（即空調(diào)箱）、消音器、送回風(fēng)機、壓力無關(guān)型單風(fēng)道變風(fēng)量末端（VAV box）、DDC數(shù)字控制器等組成。原設(shè)計控制方式采用變溫度變靜壓方式，因控制繁瑣和技術(shù)問題，弱電總承包與各方協(xié)商決定改為變溫度定靜壓方式，定靜壓點設(shè)在主干管上離送風(fēng)機2/3處。

　　圖中控制部分納入整個大樓的樓宇自控系統(tǒng)（BA），所有系統(tǒng)均采用直接數(shù)字式控制（DDC），在管理控制室能對各臺空調(diào)機組運行狀態(tài)、室內(nèi)溫度、新風(fēng)比、送風(fēng)溫度等進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)控，并對空氣過濾器堵塞狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。新風(fēng)量通過新、排風(fēng)閥及回風(fēng)閥聯(lián)動控制來獲取，可以人為設(shè)定或自動調(diào)節(jié)，即由設(shè)在回風(fēng)總管內(nèi)的CO₂探測器來自動控制新風(fēng)量，CO₂允許濃度設(shè)定值為0.1%。送、回風(fēng)機通過程序進(jìn)行協(xié)調(diào)運行，監(jiān)控室可以人為設(shè)置定風(fēng)量運行，也可以確定為變頻變風(fēng)量自動運行。當(dāng)達(dá)到最小送風(fēng)量時，為了滿足室內(nèi)必需的通風(fēng)量，可以調(diào)高送風(fēng)溫度，加大送風(fēng)量，送風(fēng)溫度由設(shè)在冷凍水回水管上的電動二通閥來控制。當(dāng)室外溫度較低時，可采用全新風(fēng)運行。所有空調(diào)箱控制器、變風(fēng)量末端控制器均與大樓BA系統(tǒng)聯(lián)風(fēng)，受監(jiān)控室BA主系統(tǒng)設(shè)定、監(jiān)視、控制。
　　變風(fēng)量空調(diào)箱設(shè)初、中效兩級過濾，初效過濾器采用板式，過濾效率按計重法為30%，中效過濾器為無紡布袋式，過濾效率按計重法為70%，并且配備過濾器阻力超高報警。
　　室內(nèi)溫度由變風(fēng)量未端裝置（VAV box）控制，溫度控制器安裝在墻上，位置由設(shè)計確定（此處室溫應(yīng)有一定的代表性），安裝高度與開關(guān)平齊，距離地1.2m。控制器能夠設(shè)定室溫、就地啟停VAV箱。VAV box采用矩形、圓形兩種型式，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量在340～5440m³/h之間，一種型號的最大風(fēng)量與最小風(fēng)量之比為5～6倍。風(fēng)量由多孔平均式風(fēng)速傳感器來測量，并且放大風(fēng)量信號以便更精確控制。
　　送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置三級消音，空調(diào)箱帶消音段，送風(fēng)總管設(shè)消音器，變風(fēng)量箱出口設(shè)消音靜壓箱。送風(fēng)口大多數(shù)采用條縫散流器，個別采用方形散流器，為了解適應(yīng)吊頂造型，也采用了一些條形側(cè)送風(fēng)口。回風(fēng)口為條形或格柵式風(fēng)口，均采用吊頂回風(fēng)，這樣能保證房間正常壓力，減小回風(fēng)管內(nèi)壓力的變化對室內(nèi)壓力的影響。

四、使用效果及問題

　　廈門國際會議展覽中心投入使用已近一年，受其功能影響并非經(jīng)常運行，但展覽期間，空調(diào)系統(tǒng)運行比較正常，溫濕均能達(dá)到設(shè)計要求，絕大多數(shù)封閉空間舒適度較佳。調(diào)試階段，會議室最低溫度能達(dá)到21.8℃(無人員情況)，如果設(shè)定室溫為25℃，工作區(qū)所測溫度均能達(dá)到設(shè)計要求，誤差在±1℃。如果設(shè)定室溫變動，VAV box輸出風(fēng)量明顯變化，一般調(diào)整設(shè)定溫度±0.5℃后，3-5分鐘內(nèi)就會感受到風(fēng)量變化。由于采用了多級消音，噪聲控制較好。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制部分運行基本正常，監(jiān)控室能夠?qū)Ω飨到y(tǒng)發(fā)出指令，能夠顯示各系統(tǒng)的運行狀態(tài)，能夠讓系統(tǒng)投入自動運行。不過在施工、調(diào)試、使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要有：
　　1、調(diào)試初期，個別房間溫度降不下來，送風(fēng)溫度偏高，檢查發(fā)現(xiàn)空調(diào)箱表冷器出水溫度太高，水量嚴(yán)重不足，原因是平衡閥調(diào)試不到位，系統(tǒng)間水力不平衡。通過調(diào)整平衡閥，問題得到解決。
　　2、空調(diào)箱過濾器阻力偏大。原因是施工后期階段為了通風(fēng)，開啟空調(diào)箱換氣，過濾器積塵太多。施工單位交工時，清洗了過濾器，但使用效果大大降低。將來全新風(fēng)運行，對過濾器的負(fù)擔(dān)加重，運行管理顯示得非常重要。
　　3、室內(nèi)溫控制器溫度可調(diào)范圍太大，單冷運行室溫控制器刻度在18℃-30℃之間，容易造成將室溫調(diào)得很低，遠(yuǎn)低于設(shè)計值25℃。而且變風(fēng)量未端（VAV box）運行在最大風(fēng)量，引起風(fēng)口風(fēng)速偏高，噪音隨之增加。加上所用條縫風(fēng)口采用國內(nèi)產(chǎn)品，質(zhì)量不高，縫隙太小并且不易調(diào)整。所以溫控器溫度調(diào)整范圍應(yīng)該縮小，設(shè)定值在22～28℃之間即可，廠家設(shè)計產(chǎn)品時應(yīng)引起注意。
　　4、個別系統(tǒng)最遠(yuǎn)端房間的室溫偏高，送風(fēng)量不足，原因在于該系統(tǒng)定靜壓點設(shè)置位置不妥（施工時因工期緊，配合不夠，由弱電承包方按經(jīng)驗確定），最不利點末端需用靜壓不夠。一般風(fēng)管靜壓，設(shè)定值在250～350Pa之間，靜壓傳感器安放位置在總管離送風(fēng)機2/3處，但各支風(fēng)管的阻力平衡應(yīng)認(rèn)真校核計算。

五、問題探討與分析

1、節(jié)能分析：
　　圖2為變頻（變轉(zhuǎn)數(shù)）定靜壓控制風(fēng)機運行狀態(tài)性能曲線。A、B曲線為管路性能曲線，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷減小，所需風(fēng)量下降，由Q1降為Q2，風(fēng)機通過靜壓傳感器設(shè)定的靜壓值發(fā)出信號調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)，由n1降為n2，風(fēng)機軸功率由N1減為N2。圖中H為風(fēng)機全壓，由于風(fēng)量減少，風(fēng)機出口風(fēng)速下降，動壓變少，所以H2＜H1，但應(yīng)滿足靜壓傳感器的設(shè)定靜壓。假如風(fēng)機全年平均在60%的負(fù)荷下運行，風(fēng)機功率可節(jié)約44%。本工程變頻送、回風(fēng)機所配電機功率為521kW（風(fēng)機軸功率約為417kW），若一年運行100天，一天按8小時計，每年將節(jié)約用電14萬度。如果采用變靜壓控制法，全年平均空調(diào)負(fù)荷率為60%時，可節(jié)約風(fēng)機動力78%。^[1]

2、新風(fēng)量控制
　　新風(fēng)量的控制是變風(fēng)量調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的難點之一，由于送入各房間的風(fēng)量是變化的，所以新風(fēng)量也隨之變化，即使總新風(fēng)量達(dá)到要求，分配到各房間的新風(fēng)量不一定滿足最小新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。目前，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量控制的方式主要有：①在回風(fēng)總管或主要房間內(nèi)設(shè)置CO₂探測器，以CO₂濃度作為新風(fēng)量調(diào)節(jié)對象；②在新風(fēng)總管上設(shè)置VAV box或CAV box，穩(wěn)定輸送一定量的新風(fēng)量等。
　　早在1980年美國便以室內(nèi)空氣中CO₂的濃度作為新風(fēng)量的調(diào)節(jié)對象，到了九十年代此方法逐漸發(fā)展起來。因為CO₂的濃度不僅代表CO₂本身作為污染物對室內(nèi)空氣的污染程度，而且能反映室內(nèi)人員的數(shù)量及活動狀況，能體現(xiàn)人對新風(fēng)的需求。與傳統(tǒng)的固定新風(fēng)量的控制方法比較，在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)不變的前提下，這種控制方法有潛在的節(jié)能效果，最大可達(dá)50%以上。^[4][5]
　　考慮到建筑污染，ASHRAE在1996年8月提出了一個新的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)（草案）--ASHRAE Standard 62-1989^[6]。新標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮人對新風(fēng)的需求，而且把室內(nèi)建筑材料等產(chǎn)生的污染物對人員健康舒適產(chǎn)生的影響也納入進(jìn)來，即最小新風(fēng)量為：
　　
　　式中 L_P為每個所需的新風(fēng)量（L/s.p），P為室內(nèi)人數(shù)，D為差異系數(shù)，L_B為單位地板面積所需的最小新風(fēng)量，L/s.㎡， A_B為建筑面積，㎡。
　　顯然，前述新風(fēng)量控制方案當(dāng)室內(nèi)人員較少時（即消除CO₂等污染物所需新風(fēng)量較小），非人產(chǎn)生的污染物的濃度就有可能超出標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)空氣品質(zhì)將會下降。因此，需要確定一個最小新風(fēng)量，即預(yù)期的最少人數(shù)所需的新風(fēng)量與降低建筑污染所需的新風(fēng)量之和，此風(fēng)量可作為新風(fēng)控制的底線，那么如何確定預(yù)期的最少人數(shù)值得做進(jìn)- 步探討?；蛘呃糜嬎銠C強大的計算功能，在線檢測新風(fēng)和回風(fēng)中的CO₂的濃度以及新風(fēng)量，通過動態(tài)算法確定室內(nèi)實際人數(shù)，再根據(jù)實際人數(shù)及所需的通風(fēng)面積，按照ASHRAE新標(biāo)準(zhǔn)的要求，給定出新風(fēng)量的設(shè)定值。此方法比較復(fù)雜，但能夠達(dá)到節(jié)能的目的。
　　如果室內(nèi)人數(shù)比較確定，工作期間人數(shù)變化不大，根據(jù)ASHRAE新標(biāo)準(zhǔn)計算出所需最小新風(fēng)量作為設(shè)定值，定新風(fēng)量控制，空調(diào)系統(tǒng)就比較簡單，但能耗必然增多。在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989R中，也明確指出在整個變風(fēng)量運行中，新風(fēng)量要始終保證在設(shè)計新風(fēng)量的90%以上。因此穩(wěn)定新風(fēng)量供給是可行的。

3、空氣凈化
　　一般空調(diào)箱均帶初效過濾（計重效率30%），有些小型空調(diào)器僅用幾層尼龍錦凸網(wǎng)，造成衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)低、室內(nèi)空氣品質(zhì)差。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)為全空氣運行，有條件加強空氣凈化，可以采用初、中效兩級過濾甚至三級過濾。那么中效過濾器的過濾效率取多少合適呢？參照ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989R中校核所需回風(fēng)量公式：
　　
　　式中E_f為回風(fēng)空氣過濾器對于3μm粒子的過濾效率（以小數(shù)表示），其它參數(shù)同式（1）。
ASHRAE新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為7.5L/s·人是合理的最小通風(fēng)量（具有稀釋作用的空氣，即新風(fēng)和有效過濾后的回風(fēng)），若每個人最小新風(fēng)量小于7.5 L/s時，應(yīng)用有效過濾后的回風(fēng)補足。并且規(guī)定Ef不能小于60%，該值相當(dāng)于ASHRAE比色效率為30%，單就空氣中大部分浮游菌來說，可以看成具有1～5μm的等價直徑的微粒，因此中效過濾器最小過濾效率取60%（對3μm粒子）是適當(dāng)?shù)?、有效的?br />　　對于醫(yī)療建筑，根據(jù)《醫(yī)院消毒衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB15982-1995）中的醫(yī)院環(huán)境的細(xì)菌控制標(biāo)準(zhǔn)，過濾器的濾菌效率大于85%（對5μm粒子）就可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，選擇中效過濾器應(yīng)根據(jù)不同的建筑物使用性質(zhì)合理確定過濾效率。

4、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)推廣使用遇到的問題
　　目前，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的主要設(shè)備變風(fēng)量末端裝置（VAV box）、直接數(shù)字式控制器（DDC）、變頻器等全部依賴進(jìn)口，特別是VAV控制系統(tǒng)更需要進(jìn)口，較高的價格和關(guān)稅給投資方造成不小負(fù)擔(dān)，如何迅速國產(chǎn)化是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)普及的關(guān)鍵。同時，空調(diào)設(shè)計人員應(yīng)該掌握豐富的VAV控制技術(shù)，在控制系統(tǒng)招標(biāo)、訂貨、施工中發(fā)揮積極作用，避免設(shè)備與弱電專業(yè)之間設(shè)計脫節(jié)、訂貨盲目、施工扯皮、調(diào)試無序、管理混亂，從而造成項目運作困難、使用不便、被迫返工，給主業(yè)帶來損失。這些問題在會展中心設(shè)計施工過程中也有碰到，雖然主要原因在于工程承包體制，但空調(diào)技術(shù)人員應(yīng)從自身做起，為空調(diào)新技術(shù)的推廣做出貢獻(xiàn)。