变风系统的VAV末端
摘要： 与工业发达国家相比，在变风量空调的领域，我国已经落后许多年，随着空调事业的发展，近年来，变风量空调系统的研究，VAV系统开发和应用，已经提到议事日程。相信在不久的将来，VAV末端机组将在我国空调领域中得到广泛的应用。关键词： VAV末端 变风量 冷热负荷 末端选型
1、VAV末端的工作原理
向房间送入室内的冷量按下式确定：
Q=C.ρ。L（tn-ts） （1）
式中 C—空气的比热容，KJ/（Kg.°c）；ρ—空气密度，Kg/m3；L—送风量，m3/S；
tn—室内温度，°c；ts—送风温度，°c；Q—吸收（或放入）室内的热量，KW.
如果把送风温度设为常数，改变送风量L，也可得到不同的Q值，以维持室温不变。
空调系统的VAV末端按变风量的工作原理设计，当空调送风量原理设计，当空调送风通过VAV末端时，借助于房间温控器，控制末端进风口多叶调节风阀的开闭，以不改变送风温度而改变送风量的方法，来适应空调负荷的变化，送风量随着空调负荷的减少而相应减少而相应减少，这样可减少风机和制冷机的动力负荷。
当系统送风量达到最小设定值，而仍需要下调室内空气参数时，可直接通过加热器再热，或启动一台辅助风机，吸取吊顶中的回风，送入末端机组内，与冷气流混合后一起通过加热器再热后送入房间，达到维持室内空气参数的目的。
2、VAV末端的产品特点
2.1 省能运行
VAV末端借助于进口调节阀，并联风朵，热水盘管，电热盘管、电热盘管、风速测量装置、房间恒温器，气动或电动控制元件，能使空调系统达到省能运行。
部分负荷时，能避免在定风量系统中，再热器的冷热负荷抵消而造成的双重能量消耗。如考虑到系统设备的同时使用系统，能使VAV末端系统总风量减少，节省大量风机水泵的电能。
2.2 组合灵活
VAV末端结构紧凑，机组组合灵活。
按设备的使用功能分，机组有单风道、双风道、热水再热、电热再热，并联风机驱动等不同的末端组合。近空调机需要，机组还可配备静压箱和消声箱和消声器。按设备的控制功能分，机组有气功、电动（模拟/数字）、压力相关型和压力无关型等不同组合。
2.3 静音设计
箱体设计成内壁贴有带保温的消声材料的消声器。箱内通常不设风机，并联风机动力小，噪声低。末端的送风动力主要来自于系统的可变风量主风机，这样，能使风机静音运转。
在部分负荷时，VAV末端的噪声通常比同风量的风机盘管加新风系统低，特别适用于图书馆、演播室、影剧院等场合。
2.4 控制先进
机组进气口设有电子风速传感器，可以根据房间的温度要求，通过压力无关型气动/电动（模拟/数字）控制器调节送风量，温度控制品质好。
2.5 安装方便
与同风量的风柜相比，VAV末端机组结构紧凑，机组高度小于 500MM，有效地增加了机组的安装空间，减少了层高对机组安装的影响。由于冷冻/冷凝水管不进入天花板上部，没有风机盘管的凝水盘，不存在冷凝滴水污损天花板现象。设置在机组侧面或底部的维修孔，使机组的安装、维护和保养更为方便，有效地减少机组的安装和维修成本。
3、VAV末端的基本组合
3.1 单风道变风量末端
这是最简单的变风是末端，仅有一条送风道通过末端设备和送风口向室内送风。根据空调负荷的减少而相应减少，这样可实现对室温，室内最大，最小风量的有效控制，减少风机和制冷机的动力负荷。
这种组合只能对各房间同时加热工冷却，无法实现在同一时期内，对有的房间加热，有的房间冷却。当显热负荷减少时，室内相对湿度也不易控制。因此，仅适用于室内负荷比较稳定。室内相对湿度无严格要求的场合。
3.2 双风道变风量末端
机组具有冷热两个风道，当房间的送风量随着冷负荷的减少而达到最小风量时，开启热风阀，向房间补充热量，使系统的负荷得到有效的调节。
这种组合，对房间的负荷适应性强，能满足有的房间加热，有的房间冷却的要求。由于负荷得到补偿，最小风量得到控制，室内的相对湿度可保持在较好的水平上，但系统需增加一条风道，设备费和运行费将有所提高。
3.3 热水再热单风道变风量末端
在单风道变风量末端机组上，串联一热水再热盘管即成。当系统风量达到最小设定值，而仍需要下调室内的空气参数时，一次风可通过热水加热器再热、送入房间，达到维持室内空气参数的目的。
这种末端对房间的调节，基本与双管末端类似，但系统需敷设热水管，设备费和运行费也有气提高。
3.4 电热再热单风道变风量末端
由单风道变风量末端串联一电热盘管组合而成，其加热工作原理与串联热水盘管相同。
3.5 并联风机驱动的单风道变风量末端
由单风道变风量末端并联一离心风机组合而成，当系统送风量达到最小设定值，而仍需要下调室内的空气参数时，启动一并联风机，吸取吊顶中的回风，送入机组内，与冷气流混合后送入房间。一次风与回风的混合，可有效地节省能量，并使系统具有较好的气流分布。
3.6 并联风机驱动热水再热的单风道变风量末端
在并联风机驱动的单风道变风量末端上，串联一热水再热盘管组合而成。当系统送风量达到最小设定值，而仍需要下调室内的空气参数时，启动一并联风机，吸取吊顶中的回风，送入机组内，与冷气混合后通过回热器再热，送入房间。
3.7 并联风机驱动电热再热的单风道变风量末端
在并联风机驱动的单风道变风量末端上，串联一电热盘管组合而成。其工作原理与3.6节同。
4、VAV末端的部件结构
4.1 箱体采用薄形设计，由镀锌板外壳制成，内衬厚度为25-50mm，密度为40kg/m3的玻璃纤维，表面贴有穿孔铝箔，用保温钉固定在面板上的内表面上，具有防火，隔热、隔声和防腐的能力。机壳内的最大风速可达到20m/S.
一次风高压侧管采用圆管或椭圆管，低压侧风管采用滑动法兰连接。机组下侧或两侧，设有通道门，在不影响机组管道连接的情况下，能方便地对风机和电机进行维护保养。
4.2 调节风门
由4-6片对开式叶片组成的节流基本功调节风门，具有良好的密封和气流设计。当进口压力为750Pa时，风门的最大泄漏量为额定风量的2%.
在风门叶片伸出轴上设有无需保养的长寿命尼龙自润滑轴承，与执行器连接后，风门能按房间的温度要求，通过温控器控制进气口的一次风量。
一次风的风量采用压力无关型控制器，控制器可在工厂设定。控制区间为100%-10%，控制误差为±5%-±10%，控制精度主要依赖于控制器的型式。
4.3 风速传感器
在机组进口调节风门前设平均风速传感器，提供正比于流量的压差信号，通过压差信号利用图表可直接读得机组一次风的风量，并实现对风门的控制。
最小的一次风压差信号，利用图表可直接读得机组一次风的风量，并实现对风门的控制。
最小的一次风压差信号为25Pa，在典型的一次风流量区间，由平均风速传感器测得的压差，在校正图中的误差为±3%.
4.4 热水盘管
热水盘管具有镀锌钢板壳，铜管套铝片结构，机械涨管。铜管内径为??9.5-12.7mm，铝片片距为1.80-2.54mm，排数为1-4排，每排设一回路，其热量区间为2-18KW.
热水盘客设有放水和放气孔并有左右方向之分，盘管的泄漏压力为180Pa.需要时还可设置电动控制阀，调节水量。
4.5 电热盘管
电热盘管设置在由镀锌钢板组成框架的卧式机组内，安装在VAV末端机组的出口。通常按加热量、电气特性和控制级数进行设计。由80/20镍铬丝制成的电热盘管放在充满二氧化镁的不锈钢管内，由固定的陶瓷轴套支撑。
4.6 并联风机
并联风机具有前向多翼离心叶轮，双吸结构，镀锌板外壳，电动机直接驱动，通常安装在VAV末端机组的出口，有吸入和压出两种不同的安装形式。为了防止停机时的回流，在风机的出口处设在回流风门。
风机电机是一种节能型的单相电容电机，带有自动复位的过载保护，适于调速器（SCR）的调速运行，提供风机风量的无级调速。风机的设计风量可由速度控制器在现场设定。风机电机级与系统匹配，保证从最小电压时稳定运转。
电机风扇部件维修时可直接从机组侧面拆下，而不需将风扇与电机分离，电机安装在进口环上，进口环具有扭曲的机架，机架上设有带含油轴承的橡胶轴套。
4.7 控制器
机组具有压力无关型气动，电子和通讯控制。在1.5KPa进口压力下，风量调节的精度为机组额定流量的±5%.无论在工厂或现场，控制器均能按照房间恒温器的要求，在最大和最小（进口管道流速>1.8M/S时）设定点之间调节。通常把带有恒温器的电子控制机组定为标准机组。
在卧式机组的进口截面设线性流量探针。当在现场按提供的流量压力图表检验流量时，传感器将提供放大3倍于动压的压差信号。在管道流速为1.8-13m/s区间内，其精度可达±10%.
5、VAV末端选型程度
根据所提供的控制区大小，冷/热负荷，送风温度和房间的设计温度等参数，按下述程度选择VAV末端。
5.1 确定房间的送风量
根据房间的冷/热负荷、设定温度和所要求的送风温度，计算房间的送风量，应注意，不同的冷热负荷具有不同的送风量。
5.2 确定机组型号
选择机组型号，使其风量大于等于房间所需的送风量。其中应使一次风的风量满足冷负荷的要求，并联风机的风量应满足热负荷的要求，如系统没有并联风机，机组按冷工况50%的送风量送风，可按如下方法计算再热盘管（电热或热水）所需加热量。
5.2.1 按冷工况50%的送风量和要求的热负荷计算空气的温升。
5.2.2 按房间的设定温度计算盘管的出风温度。
5.2.3 按房间的送风温度计算机组所需的加热量。
5.3 确定再热盘管（电热或热水）
5.3.1 确定电热盘管
把所需的热负荷换算成KW数。按电热盘管资料，选定其负荷大于等于所换算的KW数，并确定电热盘管所需的电压相数和级数，应注意，电热盘管每kw需要的最小风量为170m3/h.
5.3.2 确定热水盘管
按不同的进水和进风温度，对热负荷进行修正。按修正后的热量值，选择在额定风量下盘管的排数。水量和静压降，并使盘管的热量大于等于修正值。
热水盘管也有一个最小风量值，可按机组最大的风量的20%选取。
5.4 估算机外静压
按下游侧管网的不同情况，估算组成末端的低速空气分布系统所需的机外静压值，其中包括电热盘管、热水盘管、消声器、扩散器和管网等下游部件的阻力损耗值。并联风机必须满足在额定机外静压下的设计风量值。风量可用下述 方法进行调整。
5.4.1 借助速度控制器（SCR）调节风机的转速。
5.4.2 调节一次风进口静压，为一次风管网所需静压与一次风风门所需最小静压之各，机组的设计必须满足额客风量下的进口静压要求。
机组的最大进口静压通常设定为500-750Pa.
6、VAV末端使用方法
6.1 风量区间
6.1.1 VAV末端的风量
通常VAV末端的风量小于等于6800M3/H，由设置在机组进口的线性平均流速传感器，借助于压力无关型控制器，按控制信号调节。风量区间由控制器的灵敏度，进口管条件和所选机组的大小限定。
为了防止不稳定的控制方法，进口管道的最小流速应大于1.8m/s，如果小于此值，压力信号不小于2.5Pa，大多数控制系统将不能进行可靠的分辨。
为减少管道的压力阻损和机组的噪声，送风管道的流速高深莫测小于12.8m/s.机组进口的最大流速可达到15.3m/s，这时送风管道的压损将明显增加，机组的噪声也加大。
6.1.2 并联风机的风量
并联风机的风量，通常由速度控制器（SCR）设定，最大的风量，由风机、电机和下游侧的压力决定，最小的风量由SCR在工厂设定，风量过低，会使电机转速过低，导致电机过热和轴承过度磨损。
6.1.3 系统的总风量
系统的总风量的控制，是通过调节风机的转速或风机进口导叶，保证风道上的某一点的静压恒定来实现的。
系统最大风量的设定，取决于房间朝向，建筑规模、房间性质和使用情况，由设计者作充分调查后决定，考虑到各末端负荷控制的不同时性，系统主风机的标准运转点，通常处在最大负荷的60%-80%，风量过度会使系统静压设定值偏高，影响系统的节能和噪声。
系统最小风量的设定，应满足控制室风的相对湿度，最上新风和气流组织的要求，有时也可按房间最大的风量的越不显著，相反，易引起风机运行的不稳定。
6.2 噪声
机组噪声主要由管道和静压引起，而流速也是产生噪声的一个因素。减少送入机组分支风管的压力，会使机组噪声显著减少。在某种情况下，当风机的噪声成为主要矛盾时，减少风机的风量，使其在低于100%风量下运行，能得到较低的声压级。
6.2.1 出口器械声/辐射噪声
在机组的下游设置管道，对降低机组出口噪声是非常有效的，如果在末端机组与房间扩散器之间的管道不设消声衬里，整个系统可能噪声很大，通常，减小进口压降是具有益的，但有时减小进口压降会增加噪声，噪声会通过管道传入房间。
由机组的金属板和诱导口发出的噪声，通过吊顶元件如灯具和回风口等，传入房间，在单管系统中，辐射噪声通常不成问题。但设置的挠性管会产生附加的辐射噪声，从空间传入压力通风房间，增加了辐射噪声强度，因此，如有可能，风机末端应设置在远离回风口和噪声敏感的空间。
VAV末端的送风管，如能分成多支，便可有效地降低噪声，划分的每个支风管可降低A声级噪声3dB，但必须注意，分布管的风量不可直接送到同一个房间，为减少噪声在空中相互迭加，多分支风管的出口和T形管的位置，应至少远离风机末端1.8m.
6.2.2 扩散器/挠性管
与扩散器连接的挠性管，通常能降低出口噪声级，即使在挠性管断裂时也不例外。但在机组入口处设置挠性管，机组的噪声级将会提高。
如果扩散器与末端具有相同的声级，出口噪声应是两者的合成。在一般情况下，两个相同的声功率级的迭加，噪声级应增加3dB.但在许多情况下，扩散器发出的噪声频率比末端高，两者的合成不会引起房间NC级的提高。
6.2.3 电热盘管和热水盘管对机组的声功率级，无论是出口噪声还是辐射噪声，都有一定的影响，把盘管设置在机组出口，通常存有压降，如果包括盘管在内的下游侧压降很小（小于76Pa），计算机组出口噪声时，仍可用原来的进口管道静压查声级表。但如果在机组出口存有较大的压降，且这一压降小于管道进口静压时，应将机组进口的管道静压减去机组出口压降，用其差值查声级表，所计算的噪声值将有所降低。盘管对辐射噪声的影响。通常不作考虑。
6.3 系统压力
管道压力控制是保证噪声，较精确的流量调节和节能的最有效方法。使用不同的风机调节和节能的最有效方法。使用不同的风机调节技术，能保证一次风系统最佳的效率和运行。为了防止压力无关型控制器和风机系统之间的系统振荡，风机调节系统的响应时间应可调整。
要重视系统静压设定值的计算。如果设定值偏高，会使末端阀门处于一个开度较小的位置，导致末端噪声明显增大，影响系统节能。
传感器的设定位置是非常关键的，需考虑在满负荷和部分负荷时，风机的节能，系统的稳定性和每台VAV末端前有足够的静压，如果传感器设置在紧靠主风机的下游，主风机出口的静压。如果传感器设置在紧靠主风机的下游，主风机的出口的静压将基本保持定值，不随风量改变，但如把传感器设在保持一固定静压的下游某一点，主风机的静压将随着风量的减少而明显降低。设计风量下，传感器静压的下游某一点，主风机的静压将随着风量的减少而明显降低。
设计风量下，传感器静压控制点最好设置在离主风机出口处2/3处，或距系统末端1/3处的送风管段上，在多区系统中，传感器应设置在各区中的VAV末端前的最小静压处，这对提高VAV末端的运行性能，减少喘振是十分有利的。
最小压力需求对并联风机机级组和单管道机组是相似的，如果风机和一次风同时使用，最小压力需求将增加，其值正压于出口管道的风机诱导压。
并联风机的运行将会影响进口压，应把风机的压力与下游侧压力相加。当并联风机运行时，机组最小应有50Pa的压力。
6.4 加热选择
VAV末端有许多加热方式，其中最主要的是电加热和热水加热。选择加热方式时，要注意在安装加热器后，其顶棚的气流分布必须保证居住都舒适。为了避免气流的分层现象，美国ASHRAE手册推荐，机组的出风温度与房间温度之差应小于8.4°C.这意味着选择加热方式时应注意其加热量的输出在全负荷时，是否会使加热量的输出在全负荷时，是否会使加热温差超出这一推荐值。
7、VAV末端发展前景
30年代前，美国空调界认识到，与传统的定风量系统相比，变风量冷却和加热系统提供了许多优点，VAV空调系统不仅导致了空调房间的舒适，低噪声，机组保养的方便，而且增加了有效空间，降低了建筑的空调成本，使初投资明显减少。
VAV末端在大区间空调系统中的适应性，操作性和经济性，使其在当今美国、日本和欧洲工业发达国家中，日益得到普及和应用。不再设置风机盘管，新风由送风道直接送入空调区域，通过VAV末端，实施对空调房间的有效控制。
与工业发达国家相比，在变风量空调的领域，我国已经落后许多年，随着空调事业的发展，近年来，变风量空调系统的研究，VAV系统开发和应用，已经提到议事日程。相信在不久的将来，VAV末端机组将在我国空调领域中得到广泛的应用。
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