空调设计中几个值得注意的问题

空调设计中几个值得注意的问题
孙宁 清华大学 热能工程系（100084 北京清华大学热能系空调教研组）
一、变风量比
空调系统全年大部分时间运行在部分负荷工况下，也就是说，VAV系统的风机、风道以及末端的风量大部分时间都处于最大风量和最小风量两种极限状态之间，根据经验，如果在这两种极限状态下不发生问题，那么基本上可以保证系统大部分时间运行正常。最小设计风量与最大设计风量之比定义为变风量比（Kv）。一般地，房间的Kv值最好不要小于0.4-0.5，否则容易导致房间气流组织恶化、噪声和通风问题；系统的Kv值最好也不要小于0.4-0.5，否则会导致系统新风严重不足以及控制不稳定等问题。
一般来说，房间的最大设计风量比较容易确定，而对于像会议室、影剧院、餐厅这类负荷变化不确定的地方，确定最小设计风量相对要困难一些。其实，在确定最小风量时除了要考虑负荷变化特点之外，还要考虑房间气流组织和室内空气品质要求。房间送风量太小会产生冷风下沉、新风不足、换气次数不够等问题。为保证风速的测量精度，压力无关型末端装置也有最小风量要求。
另外，对于采用灯具回风的房间，一部分灯光负荷没有直接进入房间，而是被回风带走，提高了送回风温差，计算风量时不能包括这部分负荷。所以，在确定设计风量时，还要考虑房间回风方式的影响。
不论是房间还是系统，变风量比都是表征VAV系统一个比较重要的动态特性参数。

二、新风问题

a. 图2是一个典型的CAV系统的经济循环系统（Economizer Cycle System）。在过渡季，通过调节新风、回风和排风3个阀门的开度来改变新风量以维持一个混风温度。这种做法是为了缩短冷机的开启时间。这里姑且不谈经济循环系统在定风量系统中能否正常运行，不过，单纯地像图2那种做法在VAV系统中肯定无法保证新风量。图3给出了一个系统的压力分布图，实线表示设计工况，虚线为50%设计风量时的情况。可以看出，如果不采用任何恒定新风的措施，当总风量减少时，新回风混合点处的压力（指绝对值）就会变小，从而导致新风量减少。
对于采用混风的空调系统，不论是CAV系统，还是VAV系统，新风量在各个房间之间是按负荷分配的。也就是说，即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。对于VAV系统，由于送入房间的风量是变化的，所以房间的新风量必然也是变化的。
所以，VAV系统中，新风主要存在三方面的问题：总新风量的控制、总新风量的确定和新风的分配（新风量的控制问题在本文§5中介绍）。

b.新风量的确定和分配
前面提到，不论是CAV系统，还是VAV系统，新风量在各个房间之间是按负荷分配的。即使总新风量达到要求，有的房间也会有新风不足的问题。如果为了满足这些房间的要求，总新风量将会增加，甚至在有的时候可能超过需要的送风量。为此。ASHRAE标准62-1989提出，在一定的新风量下，总回风中CO2的含量不一定超标，可以利用回风以减少总新风量。该标准给出了修正总新风量的计算式

式中Y——修正后的总新风量与总送风量之比；
X——未修正的需求的总新风量与总送 风量之比；
Z——各房间中，新风量与送风量之比的最大值。
ASHRAE标准62-1989只回答了如何确定总新风量问题。可是，对于VAV系统，送入房间的风量是变化的，房间的新风量必然也是变化的。新风的问题就更加突出了。所以，在新风要求很高的场合，可能要单独敷设新风道。这样，风道占用建筑的空间就要增加了。
新风问题与建筑物负荷特点、系统形式及室外气象条件等很多因素有关。上述方法或设想，从控制逻辑上可能是可行的，实际当中却未见得适用于任何系统。对于某一特定建筑，很有必要具体分析系统的夏季工况、冬季工况及过渡季经济循环工况。

三、 噪声问题
在VAV系统中，比较大的噪声源除了送、回（排）风机外，还有VAV末端装置。压力无关型的VAV末端都带有风速测量传感器，这些传感器一般要求风速高于一定数值才能保证测量准确，所以流过末端入口的风速都比较高，这是末端装置产生较高噪声的一个原因。一般的节流型末端是靠调节阀片开度来改变风量的，所以，当阀片关小的时候，流经阀片的风速也增加了，所以，阀门调节也是一个产生噪声的根源。
末端装置产生的噪声通过送风和外壳传入室内，前者称为送风噪声（Discharge Noise)，后者称为辐射噪声（Radiated Noise）。在末端装置的产品样本中，都列有详细的噪声数据供设计者参考。一般，末端装置产生的噪声随型号增大而增加，随着后压差的增加而增加。由于VAV系统的运行工况是变化的，势必室内的声压级要随之变化。一般来说，人耳对稳定声压级的噪声环境有一定的适应能力，长时间后，人的感觉就不很明显了。但是，当声压级的变化达到5dB，人的耳朵就能较清楚地感觉到。这就是为什么在有的VAV系统中，室内人员有时候能听到噪声，而有时候又感觉不到。

对于噪声问题，笔者提出以下几点建议供读者参考：
a.校核每个末端装置在最小、最大风量下产生的噪声。
b.对于噪声要求较高的场合（如NC35以下），采用VAV系统要谨慎，而带风机的末端通常用在NC40以上的场合。
c.因为末端的型号越大噪声也越大，所以，最好选用入口直径不大于300mm的末端装置。
d.尽量把末端装置安装在房间外面（如走廊）。如果只能装在室内且噪声又超标，应与建筑工种协调，看是否可以采用消声效果好的吊顶材料或其他措施。
e.末端装置出风口到房间送风口间的风道压力损失不要超过60-70Pa。否则，在低负荷工况会导致末端装置前后压差较大，从而使室内噪声级变化较大。
f.房间设计噪声声压级最好比要求的低大约5dB。

四、气流组织
一般的空调系统的送风口都是定截面的，导叶角度也很少改变，所以当风量减少时，势必影响室内气流组织。
国外通常采用空气分布特性指标ADPI来评价房间的气流组织性能。该指标综合考虑了空气温度、气流速度和人的舒适度三方面的因素。如果ADPI=100%，表示全室人员都感到舒适；ADPI达到80%，即可认为是满意的气流组织效果。有关的气流组织试验结果表明：在变风量送风的情况下，条缝散流器和灯具散流器在较大的风量变化范围内，ADPI均可保持在80%以上，说明这两种送风口的性能较为理想。
所以，在VAV系统中一般不使用普通的方形或圆形散流器，而用是条缝散流器，侧送风口更是极少采用。

五、 房间正压度
由于VAV系统的新排风量和房间的送回风量是变化的，所以房间的正压也是波动的，不像CAV系统那么稳定。这个问题如果处理不好，会发生房门开启困难、门缝和窗缝渗风严重等问题。
房间正压度与系统送回风匹配控制、新排风控制和房间的送回风方式有关。其中，房间的送回风方式是最直接影响房间正压度的因素（关于送回风分匹配控制、新排风控制问题，见§5）。VAV系统中，进入房间的送风支风道上都安装有末端装置，而回风道上是很少装末端的，这样，为了保证房间正常压力，国外经常采用吊顶回风，这种做法的回风道内压力的变化对室内压力影响较小。如果只能采用风道回风，就一定要减小回风风风速，尽量减小回风道上相距最远的两个回风口间的压降。

六、末端装置的选择
前面已经介绍过各种末端装置，而且各个厂家的产品还各具特点。在种类选择时，应充分考虑末端的声学、控制性能以及房间功能要求，在尽寸选择时，一般在设计最大风量的基础上还要考虑一定的裕度以满足将来发展的需要。但是，末端选型不要过大。选型过大会减小风阀的调节范围，降低调节能力，极易导致末端风阀在小风量时产生振荡。
另外，在末端选型问题上一直存在一个争论，就是，压力有关型和压力载交型末端哪个好。一种。观点认为，压力无关型末端好，反应快，室温波动小。另一种对立的观点认为，正因为压力无关型末端反应快，才容易造成系统运行不稳定，房间的热惯性较大，一定程度的压力变化对房间温度影响较小。所以，压力有关型反而会比压力无关型更稳定。
到底谁优谁劣还需要大量工程实践和研究才能得出结论。不过，由于压力无关型末端比压力有关型末端多了一个风速测量装置（如均速管），所以设计时通常要考虑入口前有中够长的直管道，同时施工和运行管理水平要求也较高（如管道吹灰，更新过滤器）。当然，压力无关型末端的价格也较高。