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变风量空调系统启动阶段送风量不平衡的解决方法探讨_《深圳勘察设计》_杂志_会刊_深圳市勘察设计行业协会主办

变风量空调系统启动阶段送风量不平衡的解决方法探讨

(第五届深圳市勘察设计行业优秀论文一等奖)

江连昌  (奥意建筑工程设计有限公司)  

 

   分析变风量空调系统常用的风量平衡调试方法和启动阶段的运行控制方法,总结变风量空调系统启动阶段送风量不平衡的原因,解析送风支管设置手动风阀对VAV-BOX风阀的影响,提出解决变风量空调系统启动阶段风量不平衡的新方法。

关键词预设风量法  变风量空调系统  风量平衡方法  手动风阀与VAV-BOX的关系

 

 

0  引言

 

变风量空调系统又称VAV(Variable Air Volume)空调系统,是全空气空调系统的一种形式。文献[1]中按其服务空调区的多少将其分为“单区域变风量空调系统”和“带末端装置的变风量系统”两种形式,其示意图分别如下:

 

1 单区域变风量空调系统示意图

 

2 带末端装置的变风量系统示意图

 

1所示变风量系统与传统的定风量系统的组成相同,只是空调自控的方法略有不同,与本文要讨论的问题关系不大,考虑目前工程中常用的变风量空调系统的末端设备大多数为单风道型设备,所以在未特殊说明的情况下,本文以下所述的变风量空调系统均为采用单风道型VAV-BOX的“带末端装置的变风量系统”,以下简称VAV系统。

 

伴随着我国社会经济的迅速发展,各地高档写字楼项目如雨后春笋般拔地而起,VAV系统凭借其独特的优势在这些项目中也得到了大量的运用。同时,VAV系统存在的一些问题也被迅速放大,引起暖通行业内专业人士的高度重视,VAV系统启动阶段风量不平衡就是其中的一个问题,主要表现为:在系统启动阶段,处于有利回路区域的VAV-BOX送风量偏多;处于不利回路区域的VAV-BOX送风量偏少,房间温度经历很长时间后仍不能达到设计值。从而降低了房间的舒适性,影响工作人员心情和效率。

 

    现阶段,VAV系统在启动阶段常用的控制方式为:在VAV系统启动阶段,VAV-BOX的风阀因室温控制往往均处于全开状态。运行一段时间后,当室温达到室温设定值之后,VAV-BOX的风阀才逐渐被关小。这种控制方式因启动阶段所有VAV-BOX的风阀均处于全开状态,将不可避免的产生“有利回路过流、不利回路欠流”的现象,也就是本文所描述的启动阶段的风量不平衡问题。

 

为解决VAV系统设计风量不平衡的问题,工程上一般在送风支管设置手动风阀,本文简称之为“设手动风阀的VAV系统”,如图3所示:

 

3 设手动风阀的VAV系统示意图

 

对于“设手动风阀的VAV系统”中设置手动风阀(图3中编号为“V”,以下均简称为“手动风阀”)的必要性,行业内的观点尚不统一:有人认为设置手动风阀可解决或改善启动阶段的水力不平衡问题,有必要设置;也有人认为VAV-BOX的风阀具有自动调节风量功能,手动风阀可不设。

 

对于设置手动风阀对VAV-BOX调节风阀是否有负面的影响,行业内的观点也不统一:有人认为手动风阀会减小VAV-BOX风阀的阀权度Kv值,对VAV-BOX风阀的调节性能产生负面影响,不应该设置;也有人认为手动风阀不会对VAV-BOX风阀的调节性能产生负面影响。

 

对于设置手动风阀对VAV系统的影响,目前还没有文献对其进行专门的研究;对于如何能彻底解决VAV系统启动阶段的风量不平衡问题,目前也还没有人提出更好的方法。本文将通过分析研究,以明确设置手动风阀的必要性,同时结合VAV系统的特点,提出解决VAV系统启动阶段风量不平衡的新方法。

 

1、手动风阀在VAV系统调试中的作用:

 

对于设置手动风阀的目的,大家的观点基本一致:在系统调试阶段,利用手动风阀调节各支管的风量,满足风系统水力平衡的需求。但笔者认为手动风阀不仅仅是起到上述设想的目的,分析如下:

根据文献[1]3.4.4条的规定,VAV空调系统的夏季最大送风量应根据系统逐时冷负荷的综合最大值确定。以图3所示系统为例,假设各空调区域设计日按逐时冷负荷计算的送风量如表1

 

1 各空调区域送风量(m3/h)

区域

1

2

3

4

8:00

800

800

1000

1000

9:00

1000

1000

1400

1400

10:00

1100

1100

1500

1500

11:00

1200

1200

2000

2000

12:00

900

900

1800

1800

13:00

1000

1000

1600

1600

14:00

1200

1200

1800

1800

15:00

1400

1400

2200

2200

16:00

1500

1500

1600

1600

17:00

1800

1800

1400

1400

 

空调机组各时刻的送风量为各空调区域送风量的总和,经计算后,各时刻空调机组的送风量如表2

 

2:不同时刻空调机组的送风量

时刻

空调机组送风量(m3/h)

8:00

3600

9:00

4800

10:00

5200

11:00

6400

12:00

5400

13:00

5200

14:00

6000

15:00

7200

16:00

6200

17:00

6400

 

由表2可知,空调系统设计日的最大风量为7200m3/h,此风量既为空调机组的选型风量(为方便分析比较,本文忽略设备选型时风量的富裕系数),出现在15:00时刻。如果手动风阀按表115:00时刻的风量进行调节分配,则会导致空调区域1~2的送风量无法满足16:0017:00时刻的要求;如果按各区域的风量最大值进行调节分配,显然空调机组提供的系统风量不够,无法调试。由此可见,单靠手动风阀,达不到调节各区域送风量均达到设计值的需求。

 

现阶段,设置手动风阀的VAV系统在调试阶段常用的风管水力平衡方法为:将所有的VAV-BOX的调节阀设置为全开状态且不接受温控器的控制指令,空调机组工频运行,然后调节各手动风阀的开度值,使有利回路的VAV-BOX的风量不超过其设备允许的最大风量值或设定的数值(略大于设计值的某个数值)。在这种情况下,手动风阀可起到一定的调节风量分配的作用,但还不能保证每个VAV-BOX的送风量均能满足其负担区域所需要的送风量,因此还达不到定风量空调系统的水力平衡调节的水平,也不能彻底避免启动阶段“不利回路吃不饱”现象的发生。

 

2、手动风阀对VAV-BOX风阀的影响:

 

早期VAV-BOX的调节风阀多采用机械装置,追求调节阀的流量随开度线性变化,如文丘里管型调节阀、皮囊式调节阀等。随着DDC控制技术的发展,VAV-BOX的调节风阀越来越简单,多采用单叶或多叶平板调节阀,其调节特性曲线如下图:

 

4  VAV-BOX风阀流量特性

 

由于在实际设计中,很少有单独进行风阀阀权度计算和选型,市场上也很难买风阀阀权度与计算值完全一致的VAV-BOX,且VAV-BOX的选型风量均会小于VAV-BOX的最大风量值。因此,在实际工程中选用的VAV-BOX风阀均偏大。在启动阶段,当VAV-BOX风阀处于全开状态时,就会出现“有利回路吃”的现象,此时VAV-BOX风阀的调节特性曲线如下图:

5  VAV-BOX风阀流量特性

 

5中,相对流量的含义为通过VAV-BOX风阀的实际流量与设计需求流量的比值。

 

由图5可知:设置手动风阀有利于减少VAV-BOX风阀全开状态时的过流现象,使VAV-BOX风阀的调节特性更接近于理想流量特性,因此,在VAV-BOX风阀设计选型偏大的条件下,设置手动风阀有利于改善VAV-BOX调节风阀的调节特性,不会对VAV-BOX风阀的调节特性产生不利影响。

 

3、预设VAV-BOX送风量的方法:

 

在实际工程中,通过调节手动风阀开度的手段,很难实现每个VAV-BOX的100%开度与100%流量的完美对应,当手动风阀开度偏小时,会导致VAV-BOX的最大出风量小于设计值,进而影响空调房间的空调效果;当手动风阀开度偏大时,仍然会出现有利回路过流的现象;即使所有手动风阀的开度都调节至完美状态,每个有利回路的VAV-BOX送风量均为100%设计流量,但因为空调机组的送风量不是所有VAV-BOX设计最大风量的累加值,所以,仍然会存在不利回路欠流现象的发生。

 

为彻底解决VAV系统启动阶段“不利回路欠流”的问题,结合VAV-BOX设备本身具有可智能化控制的特点。笔者提出“预设VAV-BOX风量”的方法,本文以下简称为“预设风量法”,其主要内容如下:

 

第一步:依据空调负荷计算值,计算各个VAV-BOX在不同时刻的送风量Lnt)和系统总送风量(Lt):

      Lnt=Qnt/(ρ*c*ΔT)*3600      (1)

       Lt= L1t+ L2t+ L3t+…Lnt              (2)

式中  n为VAV-BOX(或空调区域)的编号;t为空调计算时刻;Lnt为对应n、t两个参数条件下的VAV-BOX送风量,m3/h;Qnt为对应n、t两个参数条件下的室内空调显热负荷,kW;ρ为空气的密度,kg/ m3;c为空气比热容,kJ/(kg·℃);ΔT为送风温差,℃; Lt为对应t时刻的VAV系统总送风量,m3/h。

 

第二步:计算各时刻、各VAV-BOX送风量占此时刻总送风量的比值:

    Xnt= Lnt/ Lt               (3)

式中 Xnt为对应n、t两个参数条件下的VAV-BOX送风量与系统总风量的比值,%。

 

第三步:VAV系统设计日送风量按Xnt比例分配给各VAV-BOX,可得到不同时刻各VAV-BOX的分配送风量:

Gnt=L*Xnt

式中  Gnt为对应n、t两个参数条件下,按Xnt分配得到的各VAV-BOX的送风量,m3/h;L为VAV系统设计日最大送风量,m3/h。

当出现Gnt超过VAV-BOX允许的最大送风量时,可将多余的风量随意的分配给其它VAV-BOX,使各VAV-BOX的送风量均不超过其允许的最大风量值即可;

 

第四部:软件编程。以时刻t顺序,按数据Gnt为每个VAV-BOX设定启动阶段的送风量,并集成为一个启动命令,根据系统启动的时间选择对应时刻的启动命令,或将时间因素植入软件,软件自动判断并选用与VAV系统启动时刻对应的数据进行启动。

 

在系统启动阶段,按照对应时刻赋予每个VAV-BOX规定的送风量,此时,VAV-BOX风阀不接受温度传感器的控制指令。当VAV-BOX温度传感器感知的房间温度达到人员舒适性要求的设定值后,解除该VAV-BOX固定风量的运行模式,VAV-BOX阀门开度开始接受温控器的指令调节送风量,空调机组接受变频信号调节风机运转频率。

 

对于系统中存在采用单风道再热型VAV-BOX为外区提供冬季采暖的VAV系统,在外区供暖的时段,外区供暖的VAV-BOX需始终维持设定的最小风量运行,以减少再热过程的冷、热量抵消,节省能耗。在“预设风量法”中,这些供暖用的VAV-BOX不参加上述第二、三步的风量分配,直接按设计的供暖风量进行设定;系统中不带再热功能的VAV-BOX按第二、三步的方法分配去除再热风量后剩余的系统风量。

 

4、举例说明“预设风量法”:

 

以图3所示空调系统、并依据表1的数据进行举例说明。为方便描述,举例中假设系统中无再热型VAV-BOX。

第一步:计算各个VAV-BOX在不同时刻的送风量(Lnt)和系统总送风量(Lt):

Lnt的计算过程与本文所要研究的问题无直接因果关,所以,本文省略了具体的计算过程,直接选用相关数据供分析使用。Lnt的计算结果见表1;Lt的计算结果见表2。

 

第二步:计算各时刻、各VAV-BOX送风量占此时刻总送风量的比值,计算结果如表3:

 

3  不同时刻各VAV-BOX送风量占总送风量的比值Xnt%)

区域

1

2

3

4

8:00

22.2

22.2

27.8

27.8

9:00

20.8

20.8

29.2

29.2

10:00

21.2

21.2

28.8

28.8

11:00

18.8

18.8

31.2

31.2

12:00

16.7

16.7

33.3

33.3

13:00

19.2

19.2

30.8

30.8

14:00

20.0

20.0

30.0

30.0

15:00

19.4

19.4

30.6

30.6

16:00

24.2

24.2

25.8

25.8

17:00

28.1

28.1

21.9

21.9

    

第三步:将VAV系统设计日送风量按Xnt比例分配给各VAV-BOX,计算结果如表4:

 

4 不同时刻各VAV-BOX按Xnt比例分配的送风量(m3/h)

区域

1

2

3

4

8:00

1600

1600

2000

2000

9:00

1500

1500

2100

2100

10:00

1530

1530

2070

2070

11:00

1350

1350

2250

2250

12:00

1200

1200

2400

2400

13:00

1380

1380

2220

2220

14:00

1440

1440

2160

2160

15:00

1400

1400

2200

2200

16:00

1740

1740

1860

1860

17:00

2020

2020

1580

1580

 

第四步:根据表4编制启动阶段VAV系统的控制程序。如8:00~9:00时段开启空调系统时,启动阶段,空调区域1~4内的VAV-BOX对应的表4中8:00时刻的数值;如9:00~10:00时段开启空调系统时,启动阶段,空调区域1~4内的VAV-BOX对应的表4中9:00时刻的数值,以此类推。

 

由表4可见,不管何时开始启动空调系统,在启动阶段,任何一个VAV-BOX均不会出现“欠流”的问题,且各VAV-BOX的送风量均等比例的大于房间需求值,各房间的温度均能快速的达到设计值。

 

5、 “预设风量法”与手动风阀的关系

 

根据前文的分析可知,设置手动风阀可改善VAV-BOX风阀的调节特性,还有利于解决有利回路因VAV-BOX风阀开度过小而造成的噪声偏大的问题,所以,在“预设风量法”中笔者推荐设置手动风阀。

 

在系统调试阶段,先将所有的VAV-BOX的调节阀设置为全开状态且不接受温控器的控制指令,空调机组工频运行;然后调节各手动风阀的开度值,使各有利回路的VAV-BOX的风量略大于设计值;最后再按照“预设风量法”的方法进行VAV-BOX启动阶段的风量设定和启动程序的编制。

 

6、 结论:

 

设置手动风阀,可在一定程度上减少启动阶段“有利回路过流”的现象,但单纯依靠手动风阀,起不到设计所需的水力平衡作用,也不能彻底解决启动阶段“不利回路欠流”的问题;

 

设置手动风阀,不会对VAV-BOX风阀的调节性能产生不利影响,且可以改善VAV-BOX调节风阀的调节特性,VAV系统中建议设置手动风阀;

 

“预设风量法”的控制方法,可按空调负荷分布特点来分配各区域启动阶段的送风量。在任何时刻启动空调系统,每一个VAV-BOX均不会出现“欠流”的问题,彻底解决系统启动阶段“不利回路欠流”的现象;

 

“预设风量法”通过可视化的管理软件对VAV-BOX进行风量的设定与控制,当房间使用特性发生变化时,在软件中重新设定相关参数即可完成系统水力平衡调试,方法简单、可靠。

 

笔者对现阶段VAV-BOX主流产品进行了初步的调查,结果显示主流品牌的VAV-BOX产品均具有实现“预设风量法”的功能条件,“预设风量法”具有可实施的技术条件。

   

 

参考文献:


 

作者/来源:江连昌