北京市建筑设计研究院 刘燕华
摘要 本文重点是介绍VAV变风量空调系统在“北京第五广场”工程设计中的应用。回顾VAV变风量空调系统的原理、国内外发展概况、优缺点、变风量空调系统代表类型、变风量空调末端分类等；阐述了工程设计中VAV变风量空调系统设计负荷计算要点及经验、风量的确定、系统设计、末端选择、噪声控制、自控等。以本人在“北京第五广场”的工程实践提供了地台送风（一种变风量末端）的设计与常规吊顶中VAV末端设计的各自特点、设计要点。给广大一线设计人员提供一个设计经验及参考。
关键词 变风量空调 变风量地台送风 节能 定静压控制 末端设计
1．变风量空调系统概述
1．1 变风量空调系统定义：
变风量（Variable Air Volume）空调系统是根据室内空调负荷的变化或室内参数要求的改变，通过自动改变送风量（也可在达到最小送风量时调节送风温度）来控制某一空调区域温度和保证室内空气压力的空调系统。
变风量空调系统由空气处理机组（AHU）、新风/排风/送风/回风管道、变风量末端装置（VAV Box）和房间温度传感器（TE）等控制装置组成。一般为上送、上回（采用灯具组合风口或普通回风口，吊顶回风）、上排。如下图：〔参考文献1 P1页〕
图1. 变风量空调系统组成
1．2 变风量空调系统的代表类型：
变风量（VAV）空调系统于二十世纪60年代始创于美国，由于它的节能等优点目前已成为美国的主流空调系统。北美VAV空调系统特点：大温差、低温送风、每层单台AHU （空气处理机组）、末端多采用串联风机动力型。压力无关型变风量末端控制箱的风速传感器采用皮托管型。
在日本二十世纪90年代以后的新建或改建建筑基本都采用变风量（VAV）空调系统。日本VAV空调系统特点：常温差、常温送风、每层多台AHU （空气处理机组）、末端多采用单风道末端。压力无关型变风量末端控制箱的风速传感器采用风速计（有超声波型、磁电感应型、热电型）。
诱导型VAV空调末端是一种在北欧广泛采用的VAV末端，特别是对空气品质要求较高的医院病房或办公。诱导型VAV末端是指经过集中处理的一次风（可以是低温送风）由风机送入空调房间内的诱导器中，诱导室内回风后再送入房间。诱导器是分设于室内的末端装置，它由静压箱、进气装置（喷嘴，VAV调节阀）和盘管（又称二次盘管，也有的不设盘管）等组成。一次风（新风）进入诱导器的静压箱，经喷嘴以高速射出（20～30m/s）。由于喷出气流的引射作用，在诱导器内造成负压，室内空气（即回风，又称二次风）被吸入诱导器，一、二次风相混合由诱导器风口送出。AHU空调机房占地面积小。
我国于80年代末开始应用变风量（VAV）空调系统，多以北美的VAV系统为主。
在中国香港,80年代以后新建的著名建筑中有80%以上采用VAV系统,且多数为单风道系统,外区末端装置内设电加热器。部分建筑如汇丰银行等采用地台送风的VAV系统。
2． 变风量空调系统的特点、常用的末端空调系统对比、关于VAV地台送风空调系统的认识与经验
2.1变风量空调系统的特点：
变风量空调系统最大的特点就是：可根据人的舒适要求及时提供最佳舒适度、节能、无凝结水管道、无积水盘的霉菌污染问题以及房间分隔的灵活性。当然，目前在国内，变风量空调系统也代表着建筑物的档次、品位以及业主的经济实力。
2．2 本人对常用的末端空调系统的对比总结：
近3年多来,本人负责设计了四个顶级写字楼项目,分别是位于CBD的“光华国际”（21.3万平米）、位于东二环的“北京第五广场” （12.13万平米）、位于东三环的“雪莲大厦二期” （超高层150米高，9.27万平米）和位于东三环外的“北京科航大厦” （8.9万平米）；这四个项目空调系统分别采用：“光华国际”办公为四管制风机盘管+新风；“北京第五广场” 办公为VAV空调系统、裙房商业为全空气集中式空调系统或四管制风机盘管+新风；“雪莲大厦二期” 办公为VAV空调系统；“北京科航大厦” 办公为分区2管制风机盘管+新风，五星级酒店为四管制风机盘管+新风。在设计之初的方案设计阶段，业主均要求做充分的论证，我在冷热源方案的确定、末端空调系统的确定上均做了调研，考察了典型工程、查阅各种资料，现就其中的“办公建筑常用的末端空调系统对比”列表如下：
办公建筑常用的末端空调系统对比表
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“风机盘管+新风”空调系统
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“变风量地台送风”空调系统
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“冷却吊顶+置换通风”空调系统
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“变风量”VAV空调系统
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优点
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控制简单，
安装调试技术要求低，
初投资成本低，
空调机房面积较小。
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房间分隔改动灵活，
变频风机节能，
节省设备安装空间、相对顶送VAV提高净高，
噪音较低，
无滴漏水隐患，在较潮湿、干净、炎热的气候下空气质量好，提升项目档次，
安装调试较简单，
施工期短。
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系统运行经济，
提高了室内的空气品质，
噪音低，
具有良好的热舒适环境，
施工安装方便，
同一般系统相比能耗最低，
空调机房面积较小。
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根据人的要求及时提供最佳舒适度，
房间分隔改动灵活，
变频风机节能，
过渡季节可利用全新风，
消除室内过冷过热现象，
噪音较低，
吊顶无滴漏水，
室内噪音较低，施工安装方便。
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缺点
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舒适度一般，
房间分隔不容易灵活改动，
噪音高，
维修频繁，
空气质量较差，舒适度差，
滴水漏水影响内装，
施工要求高。
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初投资成本高，
因加高地板会遇到楼层高度、楼梯和电梯停靠位置、卫生间地面的抬高等问题，须综合考虑；
空调机房面积较大，
北京冬季气候不适合。
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初投资成本高，
辐射盘管的外观不能满足经常改变室内吊顶造型及房间分隔的需要，
冷冻水须维持在室内空气露点温度以上防止结露，
因加高地板会遇到楼层高度、楼梯和电梯停靠位置、卫生间地面的抬高等问题须综合考虑，
过度季无法利用全新风。
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初投资成本较高，
安装调试技术要求高、难度大，
设备安装空间要求高，
空调机房面积较大。
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投资费用
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100%
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约140%~170%
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约160%~170%
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约130-150%
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节能效果
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100%
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约60~85%
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约80%
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约50~85%
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维修费用
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100%
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约80%
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约70%
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约80%
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占用空间
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较少
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少
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一般
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高
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舒适度
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一般
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较好
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较好
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好
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噪音
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较大
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较小
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较小
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较小
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卫生条件
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有“水”污染、不能全新风、
无回风带来的交叉污染
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无“水”污染、
能全新风、
有回风带来的交叉污染
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有“水”污染、
不能全新风、
无回风带来的交叉污染
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无“水”污染、
能全新风、
有回风带来的交叉污染
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水系统
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复杂、难平衡
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简单、易平衡
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复杂、难平衡
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简单、易平衡、可采用大温差低温送风
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可靠/耐用性
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维修较多
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维修较少
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维修少
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维修较少
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免费制冷
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过渡季节时较难利用全新风
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过渡季节时较难利用全新风
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过渡季节时无法利用全新风
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过渡季节时能利用全新风
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设计难度
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计算内容少，计算简便，设计周期短
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计算内容较多，计算复杂，计算结果要求精确，设计周期较长
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计算内容多，计算复杂，计算结果要求较精确，设计周期较长
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计算内容最多，计算复杂，计算结果要求精确，设计周期最长
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此外，水环热泵及VRV空调系统在北京的办公建筑中也有应用。
2．3 关于VAV地台送风空调系统的认识与经验：
“北京第五广场”按照原港方业主的要求，办公层的空调设计采用变风量地台送风，更换业主后，新业主对此系统提出质疑，要求重新论证空调系统。变风量地台送风在北美、欧洲地区有大量的工程实例，在香港也有几个工程实例，上海有在施工程。北美及香港的高档办公约有20%~30%设计此系统，两地目前已有约100多个工程使用。而北京没有工程实例，在进行了以下分析后，基于北京目前的气候及人文条件，这个工程我们否定了用地台送风。
2.3.1 地台送风的定义： 它是一种下送上回的变风量空调系统。新风经新风机组预处理后送入空调机房，经CAV（定风量箱）后与回风混合，再经空气处理机组（AHU）处理后由管道送入空调房间的架空地板下的VAV Box，再由VAV Box送入架空地板中，架空地板作为大静压箱，其中均匀安装末端送风装置----地台送风机（或称地台风柜机）FTU（Fan Terminal Unit），由地板风口向房间下送，天花吊顶上回。架空地板500mm高（净高450mm），FTU外形尺寸一般为595mmx595mmx280mm（或600x600x250~350），每台风量为300m3/h。
2.3.2 地台送风有以下几方面显著的优点： a).在洁净、湿润、温暖的环境下，下送风是对人体卫生及舒适性最好的系统；b).气流组织下送上回上排，空气循环最佳，能量利用系数βi >1；c).FTU内无盘管，无滴水漏水隐患；d).噪音较低；e).施工方便，活动地板下既用作送风静压箱，又可用来敷设各种管道和供电通信线路；f).当房间分隔进行增减或更新时，可方便的调整和新增地板送风口及地台风柜机接线口的位置及数量；g).顶棚上留有的空间即可用作回风静压箱又可敷设照明及消防等各种管线；h).安装调试较简单。
2.3.3 采用地台送风在设计中需要考虑的问题： a).保持活动地板下一定高度均匀的静压箱；b).注意FTU设备安装减震；c).控制活动地板上的送风口风速；d).改善FTU出风口的气流组织，在风机的出风口加装导流板；e).尽量选低转速风机，并使风机经常是处于最高效率点工作；f).保持房间的清洁；g).送风口或送风箱带灰尘收集； h).地板送风风口均宜配置调节风阀，以便于调节送风风口的风量，以防影响工作区人的舒适感；i).上回式风口一般采用百页风口或网板风口；j).注意送风口与工位的位置关系。
2.3.4 地台送风的缺点： a).由于北京地区冬冷夏热、冬季寒冷、干燥、风沙大这一气候特点，下送风在洁净、湿润、温暖条件下很舒适，而在北京冬季下送14~18℃的冷空气会很不舒服；b).由于AHU机组的送风温度为14~18℃,几乎无法加湿；c).北京风沙大、地面尘土多，下送风易造成室内粉尘污染；d).北方市场接受程度低；e). 地面上出风口多，影响家具布置，影响房间使用率；f).安全性差，女士高跟鞋易踩入；g). 物业管理水平要求高； h).对外窗的气密性要求高；i).日常卫生维护量大；j).投资大。
2.3.5 地台送风与VAV上送的投资比较： “北京第五广场” 办公层的每层建筑面积为1790 m2，层高4.0m。每层共设计了2台AHU（每台25000 m3/h），共对应16台VAV Box，每台VAV Box又对应7~10台FTU，每台VAV设备价高档产品含自控为7000（单风道末端）~11000元（串联风机型末端）（RMB），不含自控为3000~7000元（RMB），每台FTU设备价（含自控）为4000元（RMB）。而设计上送风VAV，每层共设计了72台。在办公楼层，平均每100平米建筑面积有1台VAV末端设备和8台FTU末端设备；若把地台VAV空调系统改成顶送VAV系统，则空调末端设备调整为平均25平米有一台VAV末端设备，即平均每100平米建筑面积有4台VAV末端设备（含单风道、串联风机型各2台，均价9000元/台），故两种系统的空调末端设备的差异为：在平均每100平米建筑面积的区域：差价=8台FTU设备安装价（4000元/台） — 3台VAV设备安装价（9000元/台）=5000元/区；则每平米建筑面积的地台送风比VAV上送风贵50元。
3．常用变风量空调系统的系统类型、末端装置分类及控制
3．1 常用变风量空调系统的系统类型：
“北京第五广场” 在否定了地台送风后，就采用何种上送风的变风量空调系统我又做了分析比较。目前，由于变风量末端装置形式、风速传感器的不同以及设计理念的差异，变风量空调系统逐渐形成了两大类型。一类是一日本为代表的单风道变风量空调系统，日本的压力无关型变风量末端不采用皮托管型而广泛使用风速计，日本是基于以下两点考虑：a).皮托管易堵塞。（在实际运行中，北京风沙大，这一点要特别注意）b).不能测量低风速。 另一类是以美国为代表的以风机动力型末端装置为主的变风量空调系统。这种系统的主要特点是：系统大，末端装置内区一般采用单风道VAV末端装置或风机动力型末端装置，外区大多采用带热水再热盘管或电加热器的风机动力型末端装置，压力无关型变风量末端装置所带的风速传感器大多采用皮托管。系统类型归纳如下：
a. 单风管变风量空调系统
b. 单风管变风量+再热盘管（即VAV＋VAV）
c. 单风管变风量+热水供暖（即VAV＋散热器）
d. 单风管变风量+FC系统（即VAV＋风机盘管）
根据北京的气候条件，设计“VAV＋散热器”这一系统最高档、最舒适，但增加一套散热器系统从一次投资、施工量、室内占地面积上都有所增加，影响室内装修、增加放风等维修工作量。“VAV＋风机盘管” 系统，它引入了风机盘管系统，因此带来滴漏水、细菌等问题。综上，“北京第五广场”经论证，我采用了目前国内最多的系统做法，即单风管变风量+再热盘管（VAV＋VAV）。
3.2 常用变风量空调系统的系统末端装置分类：
按控制分类，末端装置按照是否补偿压力变化，分为：压力有关型和压力无关型。二者的控制不同。压力有关型：直接根据房间温度控制器来控制末端阀位执行机构。压力无关型：使用风量控制器调节末端阀位执行机构，而风量控制器的设定值通过房间温度控制器进行重设定。
目前常用的压力无关型末端装置按末端形式分类在国内最常用的主要为两类3种，即风机动力型变风量末端装置（以下简称FPB末端装置）和节流型（单风道）变风量末端装置两类。FPB末端装置是在节流型变风量末端装置中内置一离心式增压风机，根据增压风机与一次风风阀的排列位置的不同，风机动力型变风量末端装置可以分成并联型和串联型两种形式。并联型FPB末端装置是指增压风机与一次风风阀并排设置，经集中空调器处理后的一次风只通过一次风风阀而不通过增压风机。串联型FPB末端装置是指在该变风量装置内一次风既通过一次风风阀，又通过增压风机。〔参考文献2 P1页〕
国内目前常用的3种变风量末端装置比较表 〔参考文献3 P10页〕
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风机动力型
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节流型
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名 称
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串联风机型
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并联风机型
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单风道末端
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风机运行模式
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连续运行。采暖和制冷时均连续运行
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间歇运行。只有采暖、低制冷负荷和夜间才运行
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无风机
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送入空调房间的风量
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供热及制冷均定风量
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在中、高冷负荷时变风量，在低制冷负荷、采暖时定风量
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根据空调区负荷变风量调节送风量
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送风温度
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变化，有制冷时，一次冷风和回风混合，采暖时，再热器逐级加热
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在中、高冷负荷时不变，在低冷负荷和采暖时变，再热器逐级加热
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恒定
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末端装置风机大小
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按制冷设计负荷设计，风机需克服风阀、风管和风口的阻力损失，静压较高
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按采暖负荷设计（一般是制冷负荷的60%）风机需克服风管和风口的阻力损失，因风量减小，末端装置风机静压相应减少
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无风机
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噪声
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1. 房间有人时，末端装置风机连续运转，噪声连续发生
2. 末端装置静压较高
3. 入口静压较低（25Pa~100Pa）只克服风阀阻力损失，噪声与入口静压成正比
噪声较大
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1. 在设计冷负荷时，末端装置风机不运转，才采暖时，风机间歇运转，噪声间歇发生
2. 末端装置风机静压较低
3. 并联式需要较高的入口静压（100Pa~180Pa）需克服风阀、风阀后风管和风口阻力损失
噪声较小
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噪声最小
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风机能耗
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风机连续运转，能耗大；入口静压较低节约了集中空气处理装置的能量
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风机间歇运行，风机风量按采暖负荷确定，耗能低
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无风机
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风机控制
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为防止压力过高，与中央空气处理机组连锁
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有温控器信号控制，与中央空气处理机组无连锁
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无控制
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AHU机组风机
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只需克服末端装置风阀阻力损失及末端上游风道、配件，所需功率低
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需要克服末端风阀、风管和风口阻力损失及末端上游风道、配件，所需功率高
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同并联风机型
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一次风最小送风静压
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静压值较低，只需克服一次风阀的压降，约25~100Pa
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静压值较高，需克服一次风阀、一次风阀后风管和风口的压降，约100~175Pa
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同并联风机型
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“北京第五广场”工程按朝向与进深不同，内外区划分分界按外窗内4m及5m两种（香港按4m）。外区采用串联风机型（带热盘管），内区采用单风道末端。
对变风量空调系统的系统控制之认识:
典型的变风量系统有四个基本控制环节：末端流量控制（测量房间温度偏差，调节末端风阀）、送风机转速控制（根据送风道上的测点静压来调节送风机转速）、回风机转速控制（通过对送风道与回风道上的流量匹配来调节回风机转速）、混风温度控制（根据新风、送风温度联动调节新、排、回风阀）。
因此在不设回风机的情况下，送风机转速控制（分为：定静压控制法、变静压控制法、总风量控制法）方法选择成为控制系统选择的关键；新风量控制（分为：CO2浓度控制法、专设新风机或新风末端CAV定风量箱控制法、风机跟踪控制法）成为控制系统的另一个关键。 CO2浓度感应式定新风量很贵，国内少用，一个测试点最少3000元，而且每层设一个测试点我认为没有意义，必须每个客户房间内均设才行。
4.“北京第五广场”变风量空调系统设计的“系统选择要点”小结
4.1控制方法：
a.定静压控制：定静压控制法（节能较差，但控制简单）；在AHU出来的主风道70%处，设一静压点，调试时定静压值，用PE点定AHU风机转速。
b.变静压控制法（更节能，但控制复杂）。
c.总风量控制：（仅日本做，总服务器又监又控，控制复杂，投资高）分支为：直接数字控制法（F2000VAV）为最优。
4.2新风量： a. 定新风比。b. 变新风比，定最小新风量。 本工程按30m3/h.人及≧10%Q总（m3/h）。
4.3末端装置： 并联风机型、串联风机型、单风道末端。
4.4本工程系统选择结论：采用定静压控制法；变新风比、定最小新风量；外区采用串联风机型（带热盘管），内区采用单风道末端。
5.“北京第五广场”变风量空调系统的“设计负荷计算要点”小结
5.1冷热负荷，每个开间的夏季最大负荷→外区风量→选VAV箱（串联动力型）。
5.2计算每台机组所带区域的综合最大→选空调机组冷负荷→风量。
5.3计算冬季内区的人员设备灯光的冷负荷/夏季内区的人员设备灯光的冷负荷→室内温度
5.4 计算冬季核心内墙的采暖热负荷
5.5用冬季内区（办公区的内区）的所需冷负荷定冬季的室内送风温度，一般为22~24℃（中国银行现行即是）。
5.6外区的冬季热负荷+克服低于室内温度的送风温度的负荷→选外区热盘管，外区为串联带热盘管。
5.7电梯厅及走廊：用串联带热盘管的VAV箱或风机盘管，夏季为：[人员灯光负荷+内墙]冷负荷，冬季为：人员灯光设备，按内墙考虑热负荷。
6.“北京第五广场”变风量空调系统的“末端的设计选型经验” 小结
就VAV箱选型，本工程以美国TITUS样本为例做如下设计小结与对比：
6.1 末端压头：风管约5m~6m 长，按3~5Pa/m；弯头+风口按30~49Pa；则外区串联风机型末端的热水盘管后按压头75Pa。
6.2 当单个末端大于2350m3/h风量时，就无法用薄型串联风机型，薄型（2、3、4号）均为267mm高。
6.3 若风量为2550m3/h╳1.05（末端选型的保险系数），则要用普通串联型511mm高。
6.4 本工程为提高吊顶净高，设备高度选择：a).10#最大单风道可做到2380m3/h；单风道无薄型，均为普通型318mm高。b).串联型风机末端均选薄型：267mm高。
6.5 噪声比较：按样本4#最大风量2300m3/h（样本为1.7单位换算系数）
a).普通型：29NC~39dB(A)。
b).薄型：35NC~45dB(A),噪声偏大；结论：薄型在最大风量时要做好消声处理，尤其是回风处。
6.6 电量比较：按样本4#（2300m3/h），若薄型：249W/台，220V；若标准型（普通型）249W/台+20W；所以外区按300W/台提给电气专业电量，内区按20W/台提电量。
6.7 气流组织： 房间外窗及内墙两边顶送，中间顶回（吊顶回）。
6.8 重量：薄型：稍重，按50KG/台，4#为两个风机，4个铆点吊装。
6.9 使用ECM马达，无论下游静压如何变，风量不变，节能。
6.10 常温：风机风量=一次风风量；低温送风：风机风量>一次风风量
6.11 价格：a).对于单风道：1300m3/h，7000元/套（3000元/个不带控制，honeywell的VAV末端控制器4000元/个）。
b).对于串联风机末端，11000元/套（VAV箱7000元/个，控制4000元/个）
6.12 系统漏风量：1500Pa时，规范要求≤2%，本工程AHU机组漏风系数按5%。
6.13 VAV箱入口尺寸：8英寸╳25.4=203.2mm
6.14 设备标准：a).单风道变风量末端：ESV-08均按表中风量范围选。注意单风道要留控制电量。
b).低矮型串联风机末端：DFLS-0308
6.15 热盘管：北京地区1盘左右足够，多数工程均按2盘设计。
6.16 控制箱旁边至少要留300mm检修距离。
6.17 无回风机时AHU要考虑回风的压降。
参考文献:
1． 周静瑜 杨国荣 王德忠 变风量空调系统的控制方法的比较 2004暖通年会论文。
2.“暖通空调”随刊赠阅 2004年4、5、6、7、9月。
3. TITUS样本。
作者：刘燕华 女 1963年2月生 高级工程师 地址： 南礼士路62号 北京市建筑设计研究院 第二设计所 刘燕华收 邮编100084 电话：88042631, 13701257999
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