浅析变风量VAV系统与定风量CAV系统的异同

摘要： 本文将变风量（VAV）空调系统与定风量（CAV）空调系统在组成、分类、形式、工作原理、控制方式、优劣势等方面进行对比后，详细地介绍了变风量空调系统及其优势，从而得出为实现节能，应多使用变风量空调系统。

关键词： 变风量（VAV）空调系统 定风量（CAV）空调系统VAV末端DDC控制 节能

中图分类号：TE08文献标识码： A 文章编号：

绪论

随着社会进步与建筑智能化技术的发展，人们对工作生活环境的舒适度、建筑设备的节能及高效运行的要求越来越高，智能建筑绿色建筑得到迅猛发展，已成为建筑业发展的主流，空调系统是智能建筑中楼宇自动化的重要组成部分，空调系统能耗通常占楼宇能耗的50%以上，为了使空调系统以最小能耗达到最佳运行效果，对空调系统的研究和探讨就十分必要。

变风量空调系统60年代起源于美国，在20 世纪70 年代在很多西方国家得到了广泛的应用，我国从上世纪90年代以来，采用VAV技术的多层建筑与高层建筑日趋增加。

随着社会进步与建筑智能化技术的发展，人们对工作生活环境的舒适度、建筑设备的节能及高效运行的要求越来越高，智能建筑绿色建筑得到迅猛发展，已成为建筑业发展的主流，空调系统是智能建筑中楼宇自动化的重要组成部分，空调系统能耗通常占楼宇能耗的50%以上，为了使空调系统以最小能耗达到最佳运行效果，对空调系统的研究和探讨十分必要。

一、系统定义

空调就是空气调节的简称，调节空气的系统，简称空调系统。

空调系统主要分为四个循环系统：冷却水循环系统、制冷系统、冷冻水循环系统和空气循环系统。本文不对冷却水、制冷机组、冷冻水进行论述，只对空气循环系统进行阐述。

空气循环系统是指新风处理机组、组合式空气处理机组、风机盘管、变风量末端装置（属最终循环），根据送风量是否变化分为定风量系统和变风量系统。其中，变风量（VAV：Variable Air Volume）空调系统是根据室内负荷的变化或室内温度设定值的改变，通过保持送风温度恒定，自动调节进入空调区域的送风量，使室内参数达到设定要求的空调系统。以单风道VAV系统为例，已知室内吸收（释放）能量的计算公式为：

Q =C * ρ * L（tn - ts）

其中Q：吸收（释放）室内的热量，KW； 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。

因此如果固定送风温度ts，改变送风量L，可得到不同的Q值，用以维持室温不变。

而定风量（CAV：Constant Air Volume）空调系统是根据室内负荷的变化而需要使室内温度保持不变时，通过保持送风量恒定，自动调节进入空调区域的送风温度，使室内参数达到设定要求的空调系统。简单说就是固定送风量改变送风温度的空调系统。一般分为全空气空调系统及风机盘管加新风空调系统。在Q =C * ρ * L（tn - ts）公式中，如果固定送风量L，改变送风温度ts，也可得到不同的Q值，用以维持室温不变。

末端设备的分类及主要形式

2.1、VAV末端设备分类及主要形式

2.1．1、VAV末端设备分类

按改变房间送风方式划分：单风道型、风机动力型、旁通型、诱导型以 及变风量风口等；

按补偿系统压力变化的方式划分：压力相关型和压力无关型；

按再热方式划分：无再热型、热水再热型、电热再热型；

按末端装置形状划分：矩形和圆形；

按末端装置送风量的变化来划分：定风量型和变风量型；

按驱动执行器的能源划分：气动型和电动型；

按控制方式划分：电气模拟控制、电子模拟控制、直接数字式控制(DDC)。

尽管变风量末端装置的形式各种各样，但在我国民用建筑中使用最多的是单风道型和风机动力型变风量末端装置。

2.1.2、VAV末端设备主要形式

（1）单风道型

单风道型变风量末端装置是目前最基本使用最多的变风量末端装置。它通过改变空气流通截面积达到调节送风量的目的，它是一种节流型变风量末端装置，节流装置中单叶阀（蝶阀）为最多。箱体入口处设风速传感器，用于检测流经变风量装置的风量。风量调节风阀的轴伸到箱体侧壁外，与传动机构或执行器相连。

电源电路、控制器和执行机构等设置在箱体外侧的控制箱内。控制器由电源、变送器、逻辑控制电路等部件组成。变风量装置控制器必须配有与电脑和控制系统相连的接口电路，便于与楼宇管理系统进行数据通信，并可在现场进行参数设置。

（2）风机驱动型

风机驱动型有两种形式：串联型和并联型。

1）串联型

串联型风机驱动变风量末端装置由一次冷空气风阀、执行器、风机和电机、控制器组成，一次冷空气风阀根据房间温控器的指令调节一次风量和二次热空气（回风）预先混合，然后再通过装置内的送风机送出，风机送风量不变。当房间负荷变化时，一次冷风量相应变化，二次回风量也变化，但总送风量仍然不变。

串联型风机驱动末端装置的特点是：一次空气处理装置（空调机组）是变风量，而送入空调房间的空气是定风量。因此串联型风机驱动变风量末端装置主要用于：内区和周边区，可以带辅助加热，也可以不加热；适用于人体舒适感要求高的地方，因为送入室内的风量不变，所以室内气流组织好，通风效果好；利用一次空气与回风混合提高送风温度，适用于低温送风。

2）并联型

并联型风机驱动变风量末端装置由一次冷风风量调节阀、执行器、风机和电机、控制器组成，压力无关型还包括风量（风速）传感器，加热器是作为可选附件供选择。一次冷风风阀根据房间温控器的指令调节一次冷风量，当房间负荷变化时，一次冷风相当应变化；当一次空气的风量低于某一最小值时，与一次冷风并联的风机投入运行，从天花板中将二次热空气（回风）抽入末端装置与一次冷风混合，然后再送入室内。

并联型风机驱动式末端装置的特点是：一次空气处理装置（空调机组）是变风量，而送入空调房间的空气也是变风量。因此并联型风机驱动变风量末端装置主要用于：带辅助加热的周边区；制冷时，末端装置风机停止运转，类似于无风机的变风量末端装置，适用于对噪声有较高要求的场所。

3.2、风机盘管加新风系统分类及主要形式

3.2.1、风机盘管设备分类

（1）按照安装方式划分：明装、暗装；

（2）按照结构型式划分：卧式、立式、壁挂式、卡式；

（2）按照连接水管数量划分：两管制、四管制；

（3）按照静压大小划分：普通型、高静压型；

（4）按照风机噪音大小划分：普通型、低噪音型；

（5）按照进水方位划分：左式（面对机组出风口，供回水管在左侧）、右式（面对机组出风口，供回水管在右侧）。

3.2.2、风机盘管与新风连接方式

（1）新风直接通入风盘回风箱内，风机盘管处理回风和新风，再送入房间，增加了风盘的风量和负荷。

（2） 新风接入风盘送风管内，与经过风机盘管处理过的风混合再送入房间，增大风盘的送风口面积。

（3） 新风不与风盘送回风管连接，直接通入室内。吊顶上增加了送风点数量，利于做到送风无死角，但增加了吊顶上的风口数量。

四、工作原理

4.1、VAV系统工作原理

变风量末端控制器和房间温控器一起构成室内串级控制，采用室内温度为主控制量，空气流量为辅助控制量。

房间温控器感知室温并送到变风量末端控制器，控制器根据检测到的实际温度，与设定温度计算差值确定送风量。送入房间的实际风量可以通过检测装备进行检测，如果出现偏差，进风口风阀将自动调节送风量。跟踪负荷变化使室内温度保持在设定范围。

随着末端送风量的变化，主送风管道中的静压也发生变化，安装在风道中的静压传感器将压力值送至直接数字控制器DDC，DDC控制器根据静压设定值和实际值的偏差输出控制信号，对空调机组变频器的输出频率进行PID调节，改变风机转速，消除压力波动的影响，从而保持主风管内静压不变。

空调机组的送风温度可以通过现场DDC控制器进行设定，并且通过控制空调机组回水电动阀，对送风温度进行有效的控制。因此必须根据空调负荷合理的确定送风温度。夏季送风温度定的过高，空调机组冷量不能平衡室内负荷时，空调机组可能大风量工频运转，此时达不到节能的效果。

为了使变风量系统更加稳定的工作、充分发挥节能效果，保持良好的室内空气质量。现场DDC可以对空调机组进行起停控制，通过设定时间表，使机组按时工作按时停止。DDC控制器通过监测新风与回风焓值，确定新风与回风的混合比。在保持最小新风量的同时充分利用回风，以减少制冷机组能耗。现场的VAV末端控制器通过网络控制与中央控制室之间进行信息交换，实现整个系统的集中控制。

4.2、定风量全空气空调系统工作原理

定风量全空气空调系统是通过水系统调节送风温度，再通过风系统改善室内的温湿度。室温的变化由回风管上安装的温度传感器感知并送到DDC控制器，控制器根据检测到的实际温度，与设定温度计算差值，按照预定的调节规律输出调节信号控制空调机组水阀门开启的开度以控制冷热水量，使送风温度控制在一定的取值范围。送风温度可以通过安装在送风管上的温度传感器进行检测。

根据新风的温湿度、回风的温湿度在DDC控制器进行回风及新风焓值计算，按照回风和新风的焓值比例以及空气质量检测值确定新风的需要量，控制新风阀和回风阀、排风阀的开度比例，使系统在最佳的新回风比状态运行，以便达到节能的目的。

上述过程中空调机组的送风量保持不变，DDC控制器跟踪负荷变化使室内温度保持在设定范围。

4.3、风机盘管加新风系统工作原理

风机盘管的工作原理，是借助风机盘管不断地循环室内空气，使之通过盘管而被冷却或加热，以保持房间要求的温度和一定的相对湿度。温控器感应室内温度， 并与设定值进行比较，超出设定的偏差范围时，通讯反馈给水管上的电动两通阀，通过水阀的开和关调节送风温度。风机盘管还可利用三速开关调节风机的电机转速，调整送风风量，满足人的需求。

新风机组送风管上，设有温度传感器，联动新风机组的水阀控制器，调节新风送风温度，新风机组内部还设有防冻装置，当检测到进风温度低于设定值

（多为5摄氏度）时，自动关闭风机，防止冻坏机组内换热盘管。

五、空调系统常用控制方式

5.1、VAV空调系统常用控制方式

5.1.1、定静压控制

保证系统风道内某一点（或几点平均）静压一定的前提下，室内所需风量由VAV-BOX风阀调节；系统送风量由风道内静压与该点所设定值的差值控制变频器工作调节风机转速确定。

5.1.2、变静压控制

在保证VAV-BOX风阀尽可能的处于全开位置（85-100%），系统送风量由风道内所需静压来控制变频器工作，调节风机转速确定。

5.1.3、总风量控制

通过改变送风量调整室内温度，并使送风与回风的差值保持恒定，以满足构筑物排风的需求。

5.2、风机盘管系统常用控制方式

5.2.1、简单控制

使用三速开关直接手动控制风机的三速转换与启停。

5.2.2、温度控制

温控器根据设定温度与实际检测温度的比较、运算，自动控制电动两 / 三通阀的开闭，或直接控制风机的三速转换与启停。

5.3、新风机组和空调机组常用控制方式

5.3.1、温度控制

新风机组多采用温度控制，通过温度传感器的反馈信息调节空调水阀的开和关以调节空调水流量，控制送风温度。

空调机组采用DDC控制，依据温度传感器收集的信息调节送风温度。

六、CAV和VAV空调系统的优劣势分析

CAV和VAV空调系统的优劣势对比分析如下图所示：

因此，CVA全空气系统适用于通风效果好、空间大、负荷变化小，调节需求少同时使用率高的空间，如工业厂房、生产车间、商场、影院、大型报告厅、大面积运动场所；CVA风机盘管加新风系统适用于小空间、分隔多、同时使用率低，非潮湿环境，如旅馆客房、办公楼、医院病房、餐厅、茶座、包房等场合；VAV全空气系统适用于负荷变化大、通风要求高、舒适度高、节能运行好、恒温恒湿环境等场所，如办公楼、智能建筑。

七、空调系统节能分析

通常认为，就初投资而言，VAV系统大约比常规系统多10%~20%左右，但是一个工程的空调系统除了初投资外，还有一大部分是投入运行后常年的运行维护费用。从全寿命周期成本考虑，空调系统运营维护阶段的费用往往大于系统初投资，在考虑到空调系统及设备投资、占用机房面积、电力运行能耗（包括中央冷、热源等设备）以及年运行管理费用等各方面因素之后，VAV系统大约在5~10年左右即可与定风量系统或风机盘管系统的总费用相当。由于建筑物的空调系统在管理较好时，一般正常使用寿命是15~20年，在其使用年限内，VAV系统总的投入依然是相当经济的，尤其是中央制冷设备效率较低时更是如此。而且VAV系统本身所具有的一些其他系统不可比拟的优点，在倡导节能减排绿色建筑的今天，节能空调显得尤为重要。

结论

本文较详细的分析了变风量空调系统和定风量空调系统的异同，明确各自适用范围，在空调系统进行联网、电脑化管理方面，VAV空调系统自动化程度强于其他类型的空调系统，节能性更是其他空调系统无可比拟的。

VAV空调系统因其舒适、节能等特点将在我国得到迅速的发展和进一步推广普及。

参考文献

蔡敬琅，变风量系统空调设计，1997，中国建筑工业出版社

戴斌文，狄洪发，江亿．暖通空调，1999.3，变风量空调系统风机总风量控制法

陈向阳．暖通空调，1997.3，变风量空调系统的自动控制

李克欣，叶大法，杨国荣．《暖通空调》，1999.3，变风量空调系统的VPT控制法及其运用

殷平,1997年全国空调新技术和蓄冷空调新技术交流大会报告，国内外变风量空调系统的现状与发展

童锡东，程大章，智能建筑与城市信息，2005年第8期VAV空调系统控制策略的研究

附录

1、静压（Ps）：所谓静压就是流体施加于器具表面且与表面垂直的力，在风机中一般是由于重力与风扇之推动所造成，在使用上常以kgf/m2或mmaq来表示，且可以直接经过量测取得。而在风机之风管中，任何方向之静压值皆为定值且也有正负之分，若静压值为正则表示风管目前正被胀大，若静压值为负则表示风管目前正受挤压。

2、动压（Pv）：所谓动压就是流体在风管内流动之速度所形成之压力，在使用上常以kgf/m2或mmaq来表示.

3、全压（PT）：所谓全压就是静压与动压之和，在使用上常以kgf/m2或mmaq来表示。在风机中全压值是属固定，并不会因风管缩管而产生变化.

风机盘管空调系统与集中式系统相比，没有大风道，只有水管和较小的新风管，具有布置和安装方便、占用建筑空间小、单独调节好等优点，广泛用于温、湿度精度要求不高、房间数多、房间较小、需要单独控制的舒适性空调中。