朱好仁，梁利霞，劉月琴

（杭州國電能源環(huán)境設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310030）

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

朱好仁，梁利霞，劉月琴

（杭州國電能源環(huán)境設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310030）

以青山湖科技城創(chuàng)新服務(wù)中心項(xiàng)目為例，從回風(fēng)方式、氣流組織、系統(tǒng)控制等方面進(jìn)行分析研究，對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了較好的應(yīng)用效果。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案對于全空氣系統(tǒng)，特別是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

回風(fēng)方式；氣流組織；系統(tǒng)控制；變風(fēng)量空調(diào)

0 引言

變風(fēng)量系統(tǒng)（Variable Air Volume System, VAV系統(tǒng)），是一種可根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化或室內(nèi)要求參數(shù)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，從而使室內(nèi)參數(shù)達(dá)到要求的全空氣空調(diào)系統(tǒng)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)因具有舒適、健康、節(jié)能及智能化運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，在新建的現(xiàn)代辦公大樓中，受到越來越多的青睞。然而由于系統(tǒng)送風(fēng)量跟隨負(fù)荷變化而改變，因此該系統(tǒng)工程從方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、施工圖設(shè)計(jì)，直至施工和調(diào)試都具有不同于其他空調(diào)系統(tǒng)的特殊性和復(fù)雜性。本文以青山湖科技城創(chuàng)新服務(wù)中心項(xiàng)目為例，探討變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的優(yōu)化思路和方案。

1 項(xiàng)目概況及設(shè)計(jì)參數(shù)

青山湖科技城創(chuàng)新服務(wù)中心變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目地處臨安青山湖科技園大園路與崗陽街交叉口，項(xiàng)目屬于多層綜合類建筑，地下一層主要為機(jī)房和車庫，南樓3層、北樓5層均為辦公場所。具體空調(diào)設(shè)計(jì)指標(biāo)及基本參數(shù)見表1、表2。

表1 主要空調(diào)設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2 空調(diào)冷熱源

項(xiàng)目冷熱源為青山湖科技城集中供冷供熱能源站，地下室鄰近區(qū)域公共管廊側(cè)設(shè)置冷熱計(jì)量間及暖通機(jī)房，機(jī)房內(nèi)設(shè)置熱交換站，利用板式水水熱交換器制備空調(diào)冷熱水；一次空調(diào)冷水供回水溫3/11℃，一次空調(diào)熱水供回水溫60/50℃；二次空調(diào)冷水供回水溫4/12℃，二次空調(diào)熱水供回水溫50/45℃?？照{(diào)水系統(tǒng)采用變流量一次泵形式，一次泵與板換一一對應(yīng)，并根據(jù)各管路末端壓差變化變頻控制，冬夏季泵共用?？照{(diào)水管采用雙管制，多回路，空調(diào)水系統(tǒng)水平及豎向以異程式為主。在各層分支管處配設(shè)靜態(tài)平衡閥。

3 項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)

項(xiàng)目包括多種型式空調(diào)系統(tǒng)，如：常溫送風(fēng)系統(tǒng)，主要用于展廳和會(huì)議場所；低溫送風(fēng)系統(tǒng)，主要用于辦公區(qū)，由于房間進(jìn)深有限，不考慮內(nèi)外分區(qū)，選用單風(fēng)道變風(fēng)量末端，氣流組織為上送上回，所有變風(fēng)量末端均為壓力無關(guān)型，系統(tǒng)采用變靜壓控制方式；風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，主要用于走廊和衛(wèi)生間區(qū)域。系統(tǒng)包括11臺空調(diào)機(jī)組、133套VAV變風(fēng)量末端裝置和83個(gè)風(fēng)機(jī)盤管。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 回風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該項(xiàng)目吊頂空間有限，不利于設(shè)置回風(fēng)管，因此原設(shè)計(jì)采用吊頂回風(fēng)，經(jīng)核算，吊頂內(nèi)管線繁多，布置緊密，局部地區(qū)回風(fēng)風(fēng)速大于15m/h，因此噪音很大，同時(shí)考慮使用吊頂回風(fēng)還存在諸多弊端：由于吊頂上面的灰塵相對比房間灰塵比較大,則容易造成回風(fēng)濾網(wǎng)的臟堵,清洗和更換濾網(wǎng)頻率增大。同時(shí)由于空調(diào)處理設(shè)備還需要處理吊頂上面的空氣,有浪費(fèi)能量的缺點(diǎn)。綜合以上因素，最終考慮采用走廊回風(fēng)，由于該建筑主要功能為辦公室，同時(shí)走廊為內(nèi)走廊，因此其走廊空氣清潔度更好，同時(shí)，走廊回風(fēng)有利于保證建筑高度，降低走廊區(qū)域環(huán)境溫度，提高人員的舒適性。

4.2 氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目辦公區(qū)域基本采用了變風(fēng)量低溫送風(fēng)，但是由于房間進(jìn)深較小，基本為5-6m，因此原設(shè)計(jì)沒有進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度考慮全部采用單風(fēng)道型VAV BOX，同時(shí)配置兩個(gè)頂送風(fēng)口。

圖1 走廊回風(fēng)節(jié)點(diǎn)圖

圖2 模擬房間平面圖

優(yōu)化方案的思路，根據(jù)室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)原理[2]，從風(fēng)口設(shè)置的角度改善氣流組織。具體方案為，在保證風(fēng)口整體美觀和諧的前提下，把原來的靠近南北外墻的頂送風(fēng)口，進(jìn)行調(diào)整為沿窗下送風(fēng)口，通過下送風(fēng)口的垂直射流加強(qiáng)冬季熱氣流的下沉，改善低溫送風(fēng)氣流組織效果，最終保證供熱效果。

為了保證實(shí)際效果，本項(xiàng)目選取了典型房間進(jìn)行數(shù)值模擬，該房間所在樓層為二層，大小為6m×3.8m。夏、冬季的模擬工況設(shè)定如下：

夏季室外設(shè)計(jì)溫度35.6℃，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃，夏季送風(fēng)溫度9℃，送風(fēng)量425m3/h。

冬季室外設(shè)計(jì)溫度-2.4℃，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20℃，冬季送風(fēng)溫度36℃，送風(fēng)量440m3/h。

兩種方案下的三維模型圖如圖3、圖4所示，圖中房間的長、寬、高分別被定義為坐標(biāo)軸的Y軸、X軸和Z軸。

根據(jù)以上條件對房間氣流組織進(jìn)行模擬，典型截面的速度場和溫度場結(jié)果如圖5-圖10所示。

圖3 原設(shè)計(jì)頂送風(fēng)（方案一）

圖4 沿窗下送風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)（方案二）

圖5 方案一供冷工況Z=-1.3m平面速度場等值線圖

圖6 方案二供冷工況Z=-1.3m平面速度場等值線圖

圖7 方案一供熱工況Z=-1.3m平面速度場等值線圖

圖8 方案二供熱工況Z=-1.3m平面速度場等值線圖

由以上各圖可知，在供冷與供熱工況下，兩種方案在設(shè)定風(fēng)量下射程均較小，空氣流速隨著射程增加衰減比較明顯，在房間高度為1.3m水平面上，各點(diǎn)處風(fēng)速最大不超過0.1m/s。

圖9 方案一供熱工況X=1.9m平面溫度場等值線圖

圖10 方案二供熱工況X=1.9m平面溫度場等值線圖

供熱工況下，兩種風(fēng)口布置方案下房間內(nèi)垂直方向上均存在著較大的溫度梯度，在水平方向上沿外墻向房間內(nèi)部也存在著一定的溫度梯度，但是方案二在靠近外墻的區(qū)域垂直方向上其溫度梯度明顯小于方案一，同時(shí)該區(qū)域溫度也更接近房間平均溫度。

結(jié)合模擬結(jié)果可以看出，兩種方案下人體取坐姿時(shí)（高度約為1.2m）均不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感，采用下送風(fēng)口可明顯減小房間外墻對室內(nèi)溫度的影響，因此方案二更利于優(yōu)化室內(nèi)的氣流組織。

4.3 強(qiáng)弱電一體化設(shè)計(jì)

變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組啟停與控制采用強(qiáng)弱電一體化設(shè)計(jì)，變風(fēng)量空調(diào)智慧控制柜內(nèi)置變頻器、智慧控制器、智能電表（選配）、空氣斷路器、接觸器等主要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組的供電及全面控制。該控制柜具有以下控制功能：

（1）實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的啟停和變頻控制；

（2）實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)水閥、電動(dòng)風(fēng)閥等執(zhí)行器以及溫度、濕度、靜壓、CO2、PM2.5、VOC等傳感器的監(jiān)視與控制；因此需要在合適位置加裝CO2、PM2.5、VOC傳感器。

（3）配置彩色觸摸屏，與RC08控制器連接，實(shí)現(xiàn)就地的參數(shù)設(shè)定與監(jiān)視；

（4）控制器內(nèi)置變風(fēng)量控制程序，可實(shí)現(xiàn)定靜壓、變靜壓、可變靜壓、總風(fēng)量等不同控制策略，調(diào)試和操作人員可根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行程序自由配置；

（5）采用模糊控制和PID結(jié)合的控制方法，控制精度高，適應(yīng)性、穩(wěn)定性好；

（6）內(nèi)置電表，自動(dòng)記錄風(fēng)機(jī)耗電量參數(shù)W；同時(shí)采集空調(diào)機(jī)組熱量表參數(shù)Q，可提供空調(diào)機(jī)組能效指標(biāo)W/Q，區(qū)分冷熱工況分別計(jì)算，并將夏季冷量、冬季熱量、夏季能效指標(biāo)、冬季能效指標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)；

（7）能夠采集并實(shí)時(shí)顯示熱量表流量、累計(jì)熱量、空調(diào)機(jī)組供回水溫度等，并上傳到上位機(jī)；

（8）控制柜具有自動(dòng)加班申請功能，即通過觸摸屏進(jìn)行加班申請?jiān)O(shè)置，設(shè)置參數(shù)為加班時(shí)間長度，以小時(shí)為單位，按照下班時(shí)刻為開始時(shí)刻，順延計(jì)算加班截至?xí)r刻，加班設(shè)置值次日自動(dòng)清零，信息可傳至上位機(jī)并與冷熱源機(jī)房進(jìn)行通訊。

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

項(xiàng)目自2014年10月份投入運(yùn)行以來，運(yùn)行良好，實(shí)際運(yùn)行各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)控制精度高，適應(yīng)性、穩(wěn)定性好；上位機(jī)智能化程度高，方便操作更加人性化；計(jì)量系統(tǒng)全面，完善。

5.1 換熱站運(yùn)行情況

換熱站按照時(shí)間表模式控制設(shè)備啟停，實(shí)現(xiàn)了水泵變頻節(jié)能運(yùn)行。同時(shí)通過末端壓差控制方法，控制板換二次側(cè)供水溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 空氣處理機(jī)組運(yùn)行情況

通過調(diào)節(jié)表冷盤管電動(dòng)水閥的開度，可以快速穩(wěn)定的控制空氣處理機(jī)組的送風(fēng)溫度在設(shè)定值的± 1℃范圍內(nèi)。通過新風(fēng)閥開度控制CO2的濃度，當(dāng)室內(nèi)回風(fēng)CO2濃度大于設(shè)定值時(shí)開大新風(fēng)閥的開度，關(guān)小回風(fēng)閥開度。同時(shí)，上位機(jī)智能化程度高，方便管理，具有自動(dòng)申請加班功能，更加人性化。設(shè)置參數(shù)為加班時(shí)間長度，以小時(shí)為單位，按照下班時(shí)刻為開始時(shí)刻，順延計(jì)算加班截至?xí)r刻，加班設(shè)置值次日自動(dòng)清零。

5.3 變風(fēng)量末端系統(tǒng)運(yùn)行情況

對典型層冬季送風(fēng)效果進(jìn)行考察，測試表明其房間溫度基本維持在18-20℃之間，滿足設(shè)計(jì)要求?？諝馓幚頇C(jī)組的設(shè)計(jì)水流量為13m3/h,實(shí)測流量為12m3/h，其偏差滿足小于10%的設(shè)計(jì)要求。環(huán)境潔凈度較高，滿足PM2.5控制要求?？刂葡到y(tǒng)控制精度高，適應(yīng)性、穩(wěn)定性好。

圖11 換熱站運(yùn)行情況

圖12 空氣處理機(jī)組運(yùn)行情況

圖13 變風(fēng)量末端系統(tǒng)運(yùn)行情況

6 結(jié)語

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)全空氣系統(tǒng)相比具有較大的區(qū)別，因此在設(shè)計(jì)過程中，必需充分重視其工藝的特殊性，并把暖通和控制進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。

根據(jù)青山湖科技城創(chuàng)新服務(wù)中心變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)際情況，從節(jié)能、高效、智能化的角度出發(fā)，對系統(tǒng)的回風(fēng)組織方式、室內(nèi)送風(fēng)口布置方案以及系統(tǒng)強(qiáng)弱電控制方式等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

[1] GB50736-2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2012.

[2] 李先庭，趙彬.室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

修回日期：2016-12-16

Optimization Design Case of VAV Air Conditioning System

ZHU Hao-ren，LIANG Li-xia，LIU Yue-qin
（Hangzhou Guodian Institute of Electric Energy and Environmental Design，Hangzhou 310030，China）

Taking QINSHANHU science and technology innovation service center as an example, analyzing air returning mode, air flow organization, system control and so on ,this paper makes optimization design on VAV air conditioning system, which achieves a good application effect. Project design has a certain reference for the whole air system, especially the VAV air conditioning system design.

air returning mode；air flow organization；system control；VAV air conditioning system

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.022

TU831.3

B

2095-3429（2016）06-0086-06

朱好仁（1971-），男，河南人，學(xué)士，高級工程師，研究方向：暖通空調(diào)自動(dòng)化與計(jì)量儀表。

2016-10-31