0 引言
当今，变风量（VAV）空调已经成为美国空调系统的主流，其高层建筑VAV系统使用率达到90%以上。在我国香港地区，该系统在20世纪90年代建成的著名建筑物中的使用率达到70%~80%。
变风量空调系统的节能性及其针对各种复杂应用环境的灵活性和适应性比其他类型的集中空调系统好风速风量测量装置，因此，变风量空调系统技术应该作为实施建筑节能的首选技术之一。但变风量空调系统及技术在我国的应用效果却不甚理想。本文针对实际工程中的问题进行深入分析，并提出相应的解决办法。
1 变风量空调系统的国内外发展和应用现状
变风量空调系统在发展初期，因支管风量平衡的需要和受控制设备的限制，大多要求采用高速送风系统，送风速度在13.5 m/s以上，并且推荐采用静压复得法设计风管系统。但高速送风系统存在风机耗能大、运行中风道系统噪声大的缺陷。
随着压力无关型变风量末端装置（VAV BOX）全面取代压力相关型VAV BOX和变频空调机组现场分站中的DDC控制器和VAV BOX专用DDC控制器技术的发展，控制系统及技术的实现成本逐渐降低，控制精确度提高和控制方法增多使得变风量空调系统在低速送风系统中的应用越来越普遍。如采用电子风速传感器可以使VAV BOX的可调比增大，从而使末端再热的频率变小，变风量空调系统更加节能。
日系风格的变风量空调系统主要使用低速送风系统。高速送风系统使用的皮托管流量传感器在日系产品系列中被其他种类的流量传感器代替，如电磁式流量传感器、螺旋桨式流量传感器和超声波流量传感器等。皮托管流量传感器在4.5 m/s风速下测定气流流量的准确度大幅下降风速风量测量装置，因此低速风道的变风量空调系统不再使用皮托管流量传感器。使用低速风道的变风量空调系统的节能性比使用高速风道的系统好，另外风道运行噪声也大幅度下降。
由于变风量空调系统具有节能、灵活以及全空气系统的所有优点，对差异化较大的建筑室内环境适用性也好，20世纪90年代开始，许多新建建筑或者改造建筑越来越多地使用了变风量空调系统。我国在20世纪80年代就引入了变风量空调技术，但由于种种原因，如控制方法与空调机组或空调末端装置协调不好，对运行维护服务重视程度不够造成系统调试质量难以保证，运行维护及管理人员不专业，致使系统在使用几年后，用户和业主单位就取消了变风量运行方式，改为定风量运行方式，有的用户甚至还停用了变风量空调系统，并拆除了相应的自控设备，导致变风量空调系统的投资难以收回，业主承受了较大的经济损失，而这与变风量空调系统技术的理论和应用研究在我国一直没有深入地开展有很大关系。
变风量空调技术在国外已经被大范围地成功应用，节能效果尤其显著，使用的舒适性也很好，但形成巨大反差的是，国内在变风量空调系统技术的研究、应用方面还处于较落后的状态。就已建成的采用变风量空调系统的办公建筑而言，运行和控制效果良好的建筑物不是很多，节能的建筑物很少。同样的系统在国外运行情况良好，节能明显，而在国内运行则节能效果达不到设计要求。
对于变风量空调系统国内应用情况的调查表明，由于建设过程和使用过程中存在各种问题，实际应用效果多数不尽如人意，大部分VAV系统以定风量方式运行，甚至不能正常运行。主要问题有：1）变风量空调系统空调机组（AHU）的风量调节和所有末端VAV BOX的实际风量紧密相关，调节时仅考虑个体VAV BOX的送风量而不考虑AHU总风量，只考虑VAV BOX末端的控制而不考虑或较少考虑所有VAV BOX末端的送风量和AHU总风量调节的关系，变风量空调系统无法正常运行和实现较好的节能效果。2）风管系统平衡。过去设计定风量空调系统时会严格计算管道阻力平衡，竣工时会验收每个风口的出风量，而现在有些设计院设计变风量空调系统时，既不计算管道阻力平衡，也不验收每个风口的出风量。多数人认为反正是风量可调，自控调节就是了。可是，设计出来的系统根本就不可调，比如说离AHU最近的VAV BOX处于负压，倒抽风。自控系统为了让倒抽风的VAV BOX处于正压，极力提高风机转速，结果造成其他VAV BOX风阀开度很小，失去比例控制风量的能力。3）同时使用系数。变风量空调系统AHU的大小和风管尺寸的确定都涉及到同时使用系数。日本因系统划分很细，AHU风量小，不再考虑同时使用系数。而国内VAV空调系统设计得很大，在AHU选型和风道设计中均考虑同时使用系数。又因有些设计人员所做设计比较粗糙，造成实际使用时AHU风量不够、冷量不够，风道阻力难以平衡。诸多的实际问题造成了国内很多VAV空调系统运行失败。有些以变风量方式运行的系统，由于定静压控制传感器的位置或静压值设置不当，导致VAV BOX开度比较小，不仅不节能，而且还引起VAV BOX噪声增大；控制系统对新风阀门和回风阀门的关联控制不合理等。实际工程中，VAV的优点没有发挥出来，造成设计者或用户在是否采用VAV系统上出现犹豫不决的现象。
以下就变风量空调技术在国内应用效果不理想的问题进行分析并提出相应的解决办法。
2 专业技能和专业协同的不足及解决办法
2.1 专业协同
VAV空调系统技术较为复杂，需要有较高水平的工程师进行设计、施工、调试和运行维护管理，其应用需要专业协同，尤其是需要优秀的暖通空调工程师和优秀弱电工程师的协同。共同梳理VAV空调系统的设计、施工、调试和运行维护管理过程，设计调试内容包括：空调机组及风管系统的设计与调试，VAV空调控制系统的设计与调试，楼宇控制系统通信网络架构的设计与调试，VAV BOX的设计与调试，VAV BOX控制系统的设计与调试，控制系统与运行工艺、运行工况和应用环境的高度配合等内容，协同工作做得越好，系统的设计和调试才能越成功。国内VAV空调系统技术应用效果很不好的重要原因之一就是专业协同做得不好。
为了实现专业协同，要求专业工程师的知识结构必须具有一定程度的交叉性：暖通空调工程师要在一定程度上懂得VAV空调系统的通信网络架构、控制系统及相关标准规范的知识；楼控工程师除了要精通控制系统及通信网络架构的专业知识与技能外，还要在一定程度上懂得VAV空调系统空调机组、末端装置及风管系统的工作原理，VAV空调系统的运行工艺、运行工况，能够为不同应用环境中不同运行工况下的控制过程编制DDC控制程序。暖通专业的设计人员应在一定程度上参与空调自动控制系统的设计和调试运行工作，为控制专业的设计人员提供准确的控制点位及控制策略。
VAV空调系统的自动控制系统与空调系统不相匹配，调试运行困难，控制参数设置不稳定，导致系统运行不正常，要解决这些问题，对从事VAV空调设计、施工的工程师及管理人员提出了很高的要求。
2.2 案例
1）我国西南地区某国际会展中心，变风量空调系统按要求只考虑夏季供冷，冬季不设置供暖。系统运行将近1 a后，通过对运行数据监测、记录分析，发现存在以下问题：① 调试初期，个别房间温度降不下来，送风温度偏高，检查发现空调箱表冷器出水温度太高，冷水供水量严重不足，原因是平衡阀调试不到位。通过调整平衡阀，解决了问题。② 变风量空调箱过滤器阻力偏大，原因是施工后期为了通风，开启空调箱换气，过滤器积尘太多。定风量空调箱的过滤网一般3个月左右清洗1次，变风量空调系统的AHU过滤网清洗需根据实际工作环境而定。③ 个别系统最远端房间的室温偏高，送风量不足，原因在于定静压点设置位置不妥，使最不利末端静压不够。一般风管静压设定值为250~350 Pa，静压传感器设置位置在总管离送风机口2/3处，各支风管的阻力平衡应认真校核计算。
2）北京某大厦变风量空调系统，VAV系统设计得过大，1台AHU带二十几台VAV BOX，变风量空调系统的空调效果始终不能满足要求。针对这种情况，2003年对变风量空调系统进行了改造。改造时除了采用了较先进的VAV空调技术和设备外，还对空调系统重新进行了分区，如将大厦第18层划分为4个外区和2个内区，每个分区空调系统包括4~5个VAV BOX，内、外区空调方式均为AHU+VAV BOX全空气方式，每台VAV BOX配置1台VAV专用DDC控制器。另外，工程中风道的改造以采用环状风道为主，环状风道的风管阻力损失小于枝状风道的阻力损失。环状风道气流末端位置的流动性使得定静压控制或者串级变静压控制等依靠主风管静压测量值进行空调机风机转速控制的各种方法都难以确定静压测定点，大厦改造工程采用的最小阻力变静压控制方法根据各VAV末端装置的风阀开度和总风量控制空调机风机转速，控制逻辑与主风管静压值无关。工程改造后系统运行稳定，取得了较好的节能效果。
3）上海浦东某金融大厦变风量空调系统于2007年4月投入使用，经过2 a实际运行，出现了变风量末端风量不足、区域冷热不均、噪声大等问题。例如：1号办公室的设计风量为720 m3/h，但实际风量为554 m3/h；2号办公室设计风量为1 117 m3/h，实际风量为916 m3/h；资料室设计风量为423 m3/h，实际风量为291 m3/h；楼层的40台VAV BOX设备中，近10台运行过程中实际风量达不到设计要求。改进方法如下：① 变风量末端风量不足及改进措施。大厦变风量空调采用顶棚回风，利用土建井道及各楼层唯一的排风口维持大厦楼层内必要的风平衡，无室内正压设计，排风机风量低于各层新风机风量总和。空调系统设计存在一定的缺陷，加上安装存在不规范的地方，造成调试变风量空调风管系统风平衡时，遇到较大的困难。由于整改的前提是不能明显影响和妨碍大厦内各部门的工作，所以，只能进行小范围的风管改造及补漏工作，不能大面积地进行风管的重新设计、安装和制作。措施1：将原有的VAV末端装置和变风量空调机组的送风管存在明显截面积陡变的接口换成方接圆的渐变式风管接口。风管系统连接管件改进后，风量增加3%~5%。措施2：对漏风的风管进行补漏，补漏后风量不足的末端设备风量增加了5%~10%。措施3：对回风系统的过滤网进行必要的清洗，最大限度地维持空调机机房的回风量。② 区域冷热不均及改进措施。原设计仅对楼层按东区和西区各一半划分空调服务区域，这种分区方法，每个系统都带有内、外区，楼层南、北办公室在设定温度相同时，房间区域温度存在一定差异。为避免南、北区冷热不均，人为进行预冷、预热。③ 噪声问题及控制。为降低系统运行噪声，在开放式办公区域增加了散流器。独立办公区域空间有限，不能增加风口，采用改变风口气流方向及在风管内部贴消声材料等办法，弥补原有的缺陷。个别独立办公区域，变风量末端设备冬季噪声明显，采用降低并联型风机转速或强行停运风机的办法，降低系统的运行噪声。
3 提高VAV空调自控系统的设计、调试及运行维护能力
国内在VAV空调自控系统的设计、调试及运行维护管理方面的综合能力水平还有许多需要提升的地方。
控制系统是VAV空调系统的神经中枢，控制系统控制性能不好、控制系统的控制内容与VAV空调系统的运行工艺、运行工况不匹配，都将直接导致VAV空调系统不能正常运行。只有配置了性能优良的控制系统，才能确保系统的稳定运行，其节能性和经济性才能充分体现。
根据空调负荷的变化需要随时改变VAV空调系统房间送风量及系统总风量，控制系统的监控内容较多，尤其是一些监控内容彼此交织，导致控制系统变得很复杂。控制系统的控制内容主要有：1）室内温度控制（包括变风量末端装置控制和送风机控制）；2）新风量控制；3）室内正压控制；4）送风温度控制；5）不同环节的联动控制，如新风阀和回风阀的联动控制及其他环节的联动控制，末端装置和变风量空调机组的联动控制；6）除了常规控制内容以外，在运行工况复杂、控制变量较多和存在变量耦合的情况下，还存在基于智能算法的控制等。
设计中应积极采用已经在工程实践中应用成熟的新技术、新方法。如：VAV空调系统新风供给中，一直采用“由固定人均新风量计算新风需求量”的方法，静态情况下，办公室人均新风量供给设定值为30 m3/h，新方法则考虑动态情况，基于“平均人数”“人员参差系数”概念，用“呼吸区”“区域空气分布效率”“区域通风效率”和“系统通风效率”等动态参数进行描述，并据此计算新风需求量。新方法要求设计人员不能简单地进行新风送入的设计，还要考虑新风是否有效地送到人员呼吸区，是否有部分新风稀释杂质空气后就被旁通出去而排出室外。使用新方法后，新风需求量计算更精细了。另外，在新风设计时要充分借鉴国内外VAV空调系统新风设计的一些宝贵实用数据。如：国内办公区人均空调面积为7.5 m2的情况下，单通道系统人均新风约22 m3/h，而美国的情况是：办公区人均平均空调面积15 m2，单通道系统人均新风量设计值约33 m3/h，采用美国数据可以降低新风量，实现节能近30%。
由于VAV空调控制技术在国外已非常成熟，我们完全可以加强国际间业界的技术合作，解决国内VAV系统在使用中存在的诸多问题，如房间正压或负压过大、新风量不足、运行调节困难、控制系统不稳定、节能效果不明显、气流组织困难等。
4 加强对施工、运行维护技术及管理人员的培训
VAV系统技术相对复杂，控制环节多，尤其是对系统和设备的控制要求较高，国内的VAV空调系统大多由国外公司设计完成。变风量空调系统中的主要设备（变风量末端装置VAV BOX、DDC控制器、为送风机提供变频电源的变频器等关键设备）及组件主要依赖进口，变风量末端装置欧美风格的产品和日系产品在市场上占据主导地位，尤其是VAV空调系统的系统架构平台BA系统及其通信网络架构，几乎全部使用国外品牌产品。由于国内技术落后，变风量空调的设计、施工及调试运行维护管理人员缺少相关的培训，使得VAV系统的节能性、舒适性、运行稳定性不能得到充分体现，大大限制了VAV系统在国内的推广应用。在系统初投资、运行、管理、维护方面成本高、效能低。因此加强对设计、施工及运行维护管理人员的培训是一项刻不容缓的工作。如果业主及使用单位认识不到位，较多地减少运行维护管理的费用，将导致VAV系统低效能、高故障率运行。陕西某博物馆的VAV系统曾出现节假日游客增多的时候，展览大厅的人员有较强的空气憋闷感觉情况，通过检查，发现VAV系统空调箱的过滤网严重堵塞，通过清洗、更换过滤网和重新矫正过滤网的压差开关解决了问题。还有一些VAV系统的空调箱、末端配置的风阀在使用一段时间后，出现不能全开全闭情况，如果没有训练有素的维保人员，这种隐蔽性的故障很难被发现，会造成系统故障运行和附加电耗大幅度增加。
VAV系统使用的传感器也要定期维护保养，使其测量值准确。某VAV系统在使用过程中，CO2传感器测量值出现严重偏差，导致自控系统控制紊乱，CO2浓度长期较高会对室内人员的身体造成累积性伤害。
VAV系统的调试对系统的成败起着重要作用。在变风量空调系统初期运行维护时要作好各项参数的记录，对发现的问题要及时反馈，作好控制系统的调整，这样才可以达到设计效果，才能体现智能控制的特点。但调试工作复杂、繁重，国内具有调试能力的公司并不多，系统调试误差偏大，影响了系统的控制精度。
5 改革集中空调及控制系统的投资、运行管理体制
国外和国内在集中空调及控制系统的投资、运行管理体制方面有很大的差异。国外集中空调及控制系统的设备投资仅占30%左右，而用于后期的设备运行维护管理方面的投资费用超过60%。而国内集中空调及控制系统的设备投资近乎占了90%以上，用于后期设备运行维护管理方面的费用缺口太大。尤其对于变风量空调系统来讲，设备的运行维护管理没有适度的资金支持，要保证系统正常运行就很难做到。
因此在变风量空调系统技术的推广和普及应用方面，有必要通过修改现有的标准与规范，增加有关的条款，消除障碍。
6 结语
降低集中空调系统的能耗水平是大力降低办公及商用建筑的能源消耗水平一个重要的措施，使用变风量空调系统可以取得较好的效果，但变风量系统的设计、施工、运行维护管理技术复杂，导致国内变风量空调系统鲜有运行管理水平较高的系统。只有在提高专业协同水平方面，提高VAV空调自控系统的设计、调试及运行维护能力方面，加强对设计、施工及运行维护管理人员的培训方面，改革集中空调及控制系统的投资、运行管理体制方面做出切实的努力，切实提高国内在变风量空调系统的设计、施工和运行维护管理方面的水平，才能实现较好的建筑节能目标。
全文刊登于《暖通空调》杂志2017年第9期
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