提要：本文主旨指導初學者了解一些變風量系統的基本概念，提供變風量系統設計流程及設計方案選擇指南，同時著重介紹Onyx-2000變風量系統基本控制策略。
一、 變風量空調系統基本概念
1.1 變風量空調系統定義
眾所周知，變風量空調系統是通過改變送風量也可調節送風溫度來控制某一空調區域溫度的一種空調系統。該系統是通過變風量末端裝置調節送入房間的風量，並相應調節空調機（AHU）的風量來適應該系統的風量需求。變風量空調系統可根據空調負荷的變化及室內要求參數的改變，自動調節空調送風量（達到最小送風量時調節送風溫度），以滿足室內人員的舒適要求或其他工藝要求。同時根據實際送風量自動調節送風機的轉速，最大限度地減少風機動力，節約能量。
1.2 國內外發展概況
變風量(Variable Air Volume)空調系統於20世紀60年代起源於美國。在當時定風量系統加末端再熱和雙風道系統在很長一段時間內佔據舒適性空調的主導地位，因此，變風量系統出現以後並沒有立刻得到推廣，直到1973年西方石油危機之後，能源危機推動了變風量系統的研究和應用，此後20年中不斷發展，如今已經成為美國空調系統的主流。
變風量系統在發展初期,因支管風量平衡的需要和控制設備的局限,大多要求採用高速送風系統,主要送風速度在12.5m/s以上,並且推薦採用靜壓復得法設計風管系統。儘可能地採用圓形或橢圓形風管,以減小摩擦阻力。但是高速送風系統的風機耗能大,且管路系統噪音增加。隨著壓力無關型VAV box基本上全面取代壓力相關型VAV box及DDC控制器的發展,於是變風量空調方式在低速送風系統中的應用越來越普遍。
在日本,將變風量空調方式用於低速送風系統的研究與開發值得關注。由於傳統的皮托管流量傳感器在5m/s的風速下難以測定,因此日本人開發研究了超聲波流量傳感器和電磁式流量傳感器等多種適用於低速送風系統的前端設備,一方面節能,另一方面降低了風管噪音,因此,進入90年代以後,無論是新建還是70年代以前建造的空調系統的翻新改造,基本上都採用變風量空調系統。
我國在70年代即有人研究VAV系統的開發和應用，並在地下廠房、紡織廠、體育館等建築中就採用過VAV系統。在80年代末期我國出現的首批智能化建築中，也曾採用過VAV系統，但由於建設過程和使用過程中的種種問題，有些工程兩三年後使用單位便取消了變風量系統的運行方式，相應的自控設備也拆除了，這使得變風量系統的優點沒有發揮出來，變風量系統附加的投資難以得到回報。在此期間，變風量空調技術(包括控制技術和設備)，也在不斷地發展和完善。目前，在國內智能建築的高速發展過程中，急需全面深刻地分析變風量空調系統的發展趨勢和技術關鍵，總結工程實例，促進這一重要技術的平穩發展。
1.3 變風量系統的特點
1.能實現局部區域（房間）的靈活控制，可根據負荷的變化或個人的舒適要求自動調節自己的工作環境；不再需要加熱方式或雙風道方式就能適應多種室內舒適要求或工藝設計要求；完全消除再加熱方式或雙風道方式的冷熱混合損失。
2.自動調節各個空調區域的送入能量，在考慮同時使用係數的情況下，空調器總裝機容量可減少10%-30%左右。
3.室內無過熱過冷現象，由此可減少空調負荷15%-30%左右。
4.部分負荷運轉時可大量減少送風動力，根據理論模擬計算，全年平均空調負荷率為60%時，變風量空調系統（變靜壓法控制）可節約風機動力78%。
5.可應用於民用建築、工業廠房等各類相應的場合。可適應於採用全熱交換器的熱回收空調系統及全新風空調系統。
6.可避免凝結水對吊頂等裝飾的影響，並方便二次裝飾分割。
總之，變風量空調系統較定風量空調系統和風機盤管系統而言，具有舒適、節能、安全和方便的優點，已得到越來越多的採用。
1.4 變風量系統的構成
1．VAV裝置
VAV空調系統的運行依靠稱為VAV裝置的設備來根據室內要求提供能量控制其送風量。同時向DDC控制器傳送自己的工作狀況，經DDC分析計算後發出控制風機變頻器信號。根據系統要求風量改變風機轉速，節約送風動力。最常用的VAV裝置原理如圖1-1所示。主要由室內溫度傳感器、電動風閥、控制用DDC板、風速傳感器等部件構成。大部分採用可換式通用設備，控制系統多為各設備廠家自己開發。像風速傳感器就有多種型式，如採用超聲波渦旋法、葉輪轉子法、皮托管法、半導體法、磁體法、熱線法等專利產品。
圖1-1 VAV裝置原理圖
如圖1-2所示的VAV裝置常常被稱為FPB（Fan Powered Box），即風機動力型末端。
其特點是根據室內負荷由VAV裝置調節一次送風量，同時與室內空氣混合後經風機加壓（或一次風不經風機加壓與加壓室內空氣並聯）送入室內，以保持室內換氣次數不變。該方式加設了風機系統，成本提高，可靠性、噪聲等性能指標有所下降。
2．DDC控制器
DDC控制器的主要功能是根據系統中各VAV裝置的動作狀態或風管的靜壓值（設定點），分析計算系統的最佳控制量，指示變頻器動作。在各種VAV空調系統的控制方法中，除DDC式外，其他方法均設置獨立式系統控制器。
3．變頻風機（空調機）
VAV空調系統常採用在送風機的輸入電源線路上加裝變頻器的方法，根據DDC控制器的指示改變送風機的轉速，滿足空調系統的需求風量。
1.5 變風量系統的分類
一般地，可以把變風量系統按周邊供熱方式和變風量末端結構兩方面進行分類。
（1）按照周邊供熱方式的分類(內部區域單冷)
① 內部區域單冷系統。即是指在空調內區採用的變風量空調形式，一般地不帶供熱功能，下面幾種形式均是以採用內部區域單冷為前提的。
② 周邊散熱器系統。散熱器設置在周邊地板上，不用冷、熱空氣的混合來控制空氣溫度，一般採用熱水或電熱散熱器，具有防止冷氣流下降、運行成本低、控制簡單等優點。但需要精確計算冷卻和加熱負荷，以避免冷熱同時作用。在國外一些豪華考究的設計中，常採用頂棚輻射散熱器提供更舒適的空調環境。
③ 風機盤管周邊系統。風機盤管可以是四管式，也可採用冷熱切換二管式，或單供熱二管式。風機盤管採用暗吊時不佔用地板面積，同樣具有運行成本低、控制簡單的優點。夏天由於吊頂內仍保留冷水管及凝水盤，天花板仍有發生水患的可能。
④ 變風量再熱周邊系統。在變風量末端裝置中加再熱盤管，一般採用熱水或電加熱盤管。該系統比雙風道系統初投資更低，比定風量再熱系統節約能源，儘管同樣不佔用地板面積，但控制程序複雜。
⑤ 變溫度定風量周邊系統。該系統的特點是送風量恆定，通過改變一次風與迴風的混合比例來調節房間溫度。迴風全部吸收燈光熱量再送出，因而節能。初投資較雙風道系統低，控制也較複雜。
⑥ 雙風道變風量周邊系統。該系統的優點是能量效率高，當採用兩個風機時，可利用燈光發熱，在所有時間內，由於冷卻和加熱的交替功能，可以獲得最小的送風量。但初投資較高，控制較複雜。
⑦ 轉換變風量系統。加熱和冷卻均由一套風管系統通過冬夏轉換承擔。其缺點是溫度控制不靈活，當建築物有若干個區時，不能由一套系統來控制，例如不能同時滿足一個區域需要加熱而另一個區域需要供冷的要求，這時就需要劃分若干個轉換系統。
（2）按變風量末端的結構分類
按調節原理分，變風量末端可以分成四種基本類型，即節流型、風機動力型(Fan Powered)、雙風道型和旁通型四種，還有一種是在北歐廣泛採用的誘導型。
① 節流型
節流型變風量末端是最基本的變風量末端，其它如風機動力型、雙風道型、旁通型等都是在節流型的基礎上變化發展起來的。所有變風量末端的「心臟」就是一個節流閥，加上對該閥的控制和調節元件以及必要的面板框架就構成了一個節流型變風量末端。
② 風機動力型(Fan Powered)
風機動力型是在節流型變風量末端中內置加壓風機的產物。根據加壓風機與變風量閥的排列方式又分為串聯風機型(Series Fan Terminals)和並聯風機型(Parallel Fan Termina1s)兩種產品。所謂串聯風機型是指風機和變風量閥串聯內置，一次風既通過變風量閥，又通過風機加壓；所謂並聯風機型是指風機和變風量閥並聯內置，一次風只通過變風量閥，而不需通過風機加壓。根據美國TITUS公司提供的資料，串聯風機型和並聯風機型的比較見下表：
特徵 | 並聯風機型 | 串聯風機型 |
風機運行 | 在低製冷負荷、加熱負荷和夜間循環時，間歇運行。 | 在所有時間內連續運行 |
送風風量調節 | ① 在中到高製冷負荷時，變風量運行。 ② 在加熱與低製冷負荷時，定風量運行。 | 在供熱與製冷負荷時， 定風量運行。 |
送風溫度 | ① 在中到高製冷負荷時，送風溫度恆定。 ② 在低製冷負荷和加熱負荷運行時，送風溫度可變。 | 在所有時間內，送風溫度可變。 |
風機大小 | 按供熱負荷（通常60％製冷負荷）設計。 | 按製冷負荷（通常100％製冷負荷）設計。 |
一次風最小送風靜壓 | 較高，需克服節流閥、下遊風管和散流器阻力損失。 | 較低，只需克服節流閥阻力損失。 |
風機控制 | 不需與AHU風機聯鎖。 | 必須與AHU風機聯鎖以防增壓。 |
AHU風機 | 需較大功率克服節流閥、上下遊風管和散流器阻力損失。 | 只需克服上遊風管和節流閥阻力損失。 |
噪聲 | 風機間歇運行，啟動噪聲大，平穩運行噪聲低。 | 風機連續運行，噪聲平穩，但比並聯風機型平穩運行噪聲稍高。 |
風機能耗 | 風機間歇運行，且設計風量小、能耗較低。 | 風機連續運行，且設計風量大、能耗較高。 |
③ 雙風道型
一般由冷熱兩個變風量末端組合而成，因其初投資昂貴，控制較複雜而較少得到使用。
④ 旁通型
這是利用旁通風閥來改變房間送風量的系統。由於其並不具備變風量系統的全部優點，因而在有些論文中稱其為「準」變風量系統。該系統的特點是投資較低，但節能卻很小，因為有大量送風直接旁通返回空調設備，並不怎麼減小風機能耗，所以目前使用也不多。
以上4種系統目前設計使用較多的是風機動力型和節流型。串聯風機型加上空調水系統大溫差設計成為北美空調設計的特色。
⑤ 誘導型
誘導型VAV box的原理是通過一次風（可以是低溫送風）誘導室內迴風後再送入房間。與FPB相比，節約了末端的風機能耗，但空調和風機動力增加，這種方式在北歐廣泛採用，特別是醫院病房等要求較高的場合。
1.6 變風量系統設計方案選擇指南
有兩種大相逕庭的設計風格可供設計師選擇。其一是所謂日式風格，以種類繁多——周邊窗際熱環境表現手法為特點，其二是所謂的美國風格，以大溫差蓄冷空調系統特點FPB為發展方向，下面介紹美式風格的設計方法。
當暖通設計者們在設計大樓空調系統的時候，他們有很多不同的系統可選，但要決定最終選擇哪一個並不是一件容易的事情。設計者設計的方案必須滿足業主的安裝要求，操作要求和運行費用的要求。設計者必須同時考慮到設備的性能、容量、可靠性和空間的要求及限制條件。下面就講述一下不同類型設備的應用、限制條件和局限性。
1.建築功能
當設計者在開始考慮選用哪種系統時，他首先應該考慮清楚這個大樓的功能。辦公室建築的系統每天是按時間表進行運轉的，在美國通常採用風機動力型末端裝置。在建築外區一般使用有輔助加熱器的風機動力型末端。裝有這類末端裝置的獨立分區，它的調節具有很大的靈活性。
2.建築尺寸
在大型建築中，中心空氣處理器根據各區不同的需要將大量的空氣送出去。這是風機動力型末端裝置的一個典型的應用。內區可能根本就不需要加熱，所以既可採用單管系統，也可採用無加熱盤管的風機動力型系統。除了熱帶地區，外區通常都是需要加熱的，可選用電加熱盤管或熱水盤管。這些盤管一般都包括在末端裝置中，有時還需要加熱基礎板。
在一些購物大廈，或其他的低層建築中，每個租戶的面積很小，所以一般採用小型的成套的空調設備。如果採用風機動力型末端則一般選擇旁通型。這種系統的主要特點是在送風管上裝有一個主要的旁通閥。旁通閥根據送風管道內的靜壓進行調節。這樣就可以保持壓力恆定，保持系統在定流量下運行，而且各個獨立分區都是壓力相關型VAV。
3.噪聲限制
像廣播工作室，劇場和圖書館這些地方要求低噪聲，設備的選擇和安裝位置是非常重要的。如果採用風機動力型末端，就必須仔細的檢查設備的噪聲性能。如果是設計電視播音室，那麼還要考慮RFI和EMI。
4.環境因素
環境因素包括氣候和建築內外的氣流情況。同時還包括規範中的要求比如說新風通風率以及當地建築標準。如果內區要求的通風速率很高，那麼就需設置再加熱器。在圖書館這樣高通風率的地方，如果同時開啟多個通風櫥就需要進行再加熱。在有些區域，比如說高層辦公室建築的外區，季節、日照負荷和人員佔用情況對區域影響很大，一天中區域的負荷變化很明顯，在這種區域選用風機動力型末端是比較理想的。在負荷比較穩定的地方常選用單風道系統。
5.汙染考慮
汙染問題在醫院，潔淨室和實驗室裡顯得尤為突出。手術室，愛滋病患區域和潔淨室都有壓力要求。除了壓力要求以外，還要儘量避免使用再加熱盤管和暴露在外面的玻璃纖維，消除微生物滋生的可能性。醫院的房間和潔淨室通常需要穩定和高效的通風率，所以宜選用雙風道裝置。具有高度傳染性的房間，比如說肺結核，就需要對它進行負壓控制避免病菌傳播。使用有害物質的實驗室也需要進行負壓控制。在這類型的建築中，一般都是選用單風道或雙風道系統。
6.維護和可行性
一些特殊類型的房間如潔淨室，它需要末端裝置具有高可靠性，因為這關係到服務水平和設備維護的困難和費用。例如潔淨室，如果天花板必須是打開的，那在使用前就必須將房間進行消毒。相關費用包括損失的生產時間和消毒的費用。在這種情況下，設備應該安裝在潔淨室的外面或應該使用具有高可靠性，低維護的設備。
7.費用因素
在最終確定設備方案以前就應該將費用考慮好。安裝費用，運行費用和維護費用都應該考慮進去。有時候其中的某一項費用會顯得比較重要。例如，如果業主在大樓建造以前就將它賣掉，那麼業主最關心的就是建造費用，運行費用就不是那麼重要了。如果是由租戶自己來付水電費，那麼建築商或開發商就不太關心運行費用。電加熱盤管比熱水盤管的安裝費用低，但是它們的運行費用較高。在做最後決定以前，應該對當地定價做好調查以便做出最佳決定。
8.系統選擇
下表列出了在美國常見的幾種末端裝置及它們的適用範圍，僅供國內設計人員參考。
末端裝置的類型 | 設施類型 | ||||||||||||
辦公室，教學樓&學院大樓 | 醫院，潔淨室& 實驗室* | 對噪聲敏感的裝置# | 其他 | ||||||||||
大型樓房 | 小型樓房 | ||||||||||||
內區 | 外區 | 內區 | 外區 | 病房 | 手術室 | 實驗室 | 廣播室 | 劇院 | 圖書館 | 公 共場所 | 購 物中心 | 賓 館 住 宅小區 | |
單風道 VAV無再加熱 VAV有再加熱 | S S | N N | S S | S S | S S | P N | S P | S S | S S | S S | N P | S S | S S |
雙風道 VAV無混合段 VAV有混合段 定風量 | N N N | S S S | N N N | N N N | N S P | N S P | N N S | S S P | S S S | S S S | S S S | N N N | S S S |
風機動力型 並聯帶加熱 串聯無加熱 串聯帶加熱 低溫送風 | N P S S | P N P P | N S S N | P S P N | N N N N | N N N N | N N N N | N P P S | S P P S | S P P S | P P P P | S P P N | S P P N |
旁通型 | N | N | S | S | N | N | N | N | N | N | N | N | N |
P＝優先選擇。 S＝有時候採用。 N＝不推薦。 *＝密封的襯裡以減小空氣夾帶纖維。＃＝應該特別考慮選用噪聲小的設備或考慮使用消聲器。
1.7 Onyx-2000變風量系統的設計方法流程
1.8變風量系統與風機盤管+新風系統技術經濟比較
VAV空調系統與FC+新風系統技術經濟對比分析一覽表
| 比較內容 | VAV系統 | FC+新風系統 |
1 | 系統原理 | 屬於全空氣系統，通過改變送風量而維持室內恆溫的空調系統。 | 屬於空氣-水系統，通過手動三檔風量或自動就地恆溫控制。 |
2 | 節能性 | 通過改變房間送風量，而節約風機的能耗。定靜壓控制可獲得30%以上，變靜壓控制可獲得60%以上的風機節能效果。 | 不能利用新風製冷，由於風機就地循環，風機能耗小。 |
3 | 舒適性 | 良好的舒適性，室內溫度可根據個人要求進行調節。 | 溫度調節範圍窄，若進入BA控制，也可實現溫度調節良好。 |
4 | 噪音 | 單風道VAVBOX無運行部件，噪音小。FPB有風機，但消音條件好，因而噪聲小。 | 風機盤管中有旋轉部分（風機、電機），因而噪聲取決於旋轉部分的質量。一般噪聲相對於VAV較高。 |
5 | 靈活性 | 靈活性較高，易於改、擴建，特別適用於用途多變的建築物。 | 靈活性也較高。 |
6 | 運行優點 | 風量平衡方便，節省了風量平衡中浩繁的測定和調整工作量，可實現精確的個別控制。 | 系統各區進行調節控制容易，但實現個別精確控制較難。 |
7 | 潔淨度 | 與VAVBOX相配套的空調機組可以使用高性能的空氣過濾器，空氣潔淨度高。 | 由於新風機組風機的靜壓小，在機組中不可能使用高性能的空氣過濾器，空氣潔淨度不高。 |
8 | 新風 | 可方便地解決新風問題。 | 風機盤管機組方式解決新風量是困難的。在過渡季節和冬季利用室外空氣降溫的時間較短。 |
9 | 施工要求 | 施工方便。 | 供給機組的水系統管道保溫嚴格保證施工質量，防止系統運轉時產生凝結水，施工要求高。 |
10 | 隱患 | 無漏水隱患。 | 存在漏水隱患。 |
11 | 系統組成 | VAVBOX設備，周邊控制設備，DDC控制器，風管材料，控制電線及安裝附件等。 | 風機盤管，新風機組，周邊控制設備，溫控器，風管材料，水管材料，控制電線及安裝附件等。 |
12 | 經濟性 | 每平方米VAV空調系統總造價為：600-670元/平方米。 | 每平方米FC+新風系統總造價為： 1． 手動三速控制：300-370元/平方米 2． 自動就地溫控：400-470元/平方米 3． 由BA遠程溫控：800-870元/平方米 |
二、 Onyx-2000變風量系統控制策略設計
變風量系統送至各房間的風量和系統的總風量，都會隨著房間負荷的變化而變化，因此，它必然會有較多和較複雜的控制要求。只有實現這些控制要求，系統的運行才能穩妥可靠，使她的節能性和經濟性充分體現出來。
變風量系統的基本控制要求包括以下幾個方面：
房間溫度控制：它是通過末端裝置對送風量的控制來實現的。任何一種末端裝置都攜帶這類控制部件。
系統的靜壓控制：這是變風量系統十分重要的控制環節。實現這一控制，才能使系統保持一個穩定的運行壓力，從而保證整個系統的運行可靠。
空氣處理裝置的控制：實現這類控制，則可在運行最為經濟的情況下，既保證送風溫度符合設計要求，又使送風量緊隨著系統負荷的變化而變化。
此外，還有房間正壓控制，它是通過對送風機和迴風機的平衡控制來實現的。如果建築物內設計有周邊供暖系統，則它需要獨立控制。變風量系統的控制可以是氣動的、電動的。特別是近年來控制技術迅速發展，微電腦和計算機技術廣泛應用於空調系統的控制，使得控制功能大大加強，控制精度提高，安裝簡便，運行可靠，價格也越來越便宜。
2.1定靜壓法
所謂定靜壓控制，是在送風系統管網的適當位置（常在離風機2/3處）設置靜壓傳感器，在保持該點靜壓一定值的前提下，通過調節風機受電頻率來改變空調系統的送風量。
當空調負荷減小，相應地空調系統風量需要減小時，部分房間或空調區域的變風量末端裝置開度關小，此時系統末端局部阻力增加，管路綜合阻力係數增加，管路特性曲線變陡，工況點由A→B，風量有QA→QB。根據理論分析，對於定靜壓變風量系統，風機功率的減小率基本上等於風機風量的減小率。當風機風量全年平均在60%的負荷下運行時，此時風機功率節約不到40%。定靜壓控制目前仍作為一種主要的控制方法在變風量系統中得到普遍採用。如果送風乾管不是一條，則需設計多個靜壓傳感器，通過比較，用靜壓要求最低的傳感器控制風機，風管靜壓的設定值一般在250-375Pa之間。
2.2變靜壓控制法
所謂變靜壓控制，就是在保持每個VAV末端的閥門開度在85%-100%之間，即使閥門儘可能全開和使風管中靜壓儘可能減小的前提下，通過調節風機受電頻率來改變空調系統的送風量。其運行狀況如圖1-6所示。
在這種控制方式下，由於閥門始終於85%~100%之間，VAV末端裝置局部阻力系統變化很小（可能增加，也可能減小），相應地管路綜合阻力係數S也變化很小，綜合阻力曲線上升或下降幅度微小，當空調系統風量減小時，工況點A基本上沿管路綜合阻力曲線變化到B點，此時QA→QB，HA→HB（由於管路綜合阻力係數S的微小變化，系統實際餘興工況點B點位置可能發生微小的振蕩）。對於變靜壓變風量系統，風機功率的減小率基本上等於風機風量減小率的三次方。當風機功率全年平均在60%的負荷下運行時，此時風機功率節約率為（1-0.63=78.4%）
美國學者T.B.Hartman較早提出了變靜壓控制TRAV（TERMINAL REGULATED AIR VOLUME）的新概念，TRAV基於末端裝置實時的風量要求，採用先進的控制軟體，實施對風機的控制。日本則把末端風量控制與室內參數設定值的修正結合起來，作為自己常規的VAV系統控制方法。 圖1-6 變靜壓法控制原理圖
2.3 Onyx-2001總風量控制法
Onyx-2001總風量法，即大智科技總風量法，我們通過抓住兩個非常有用的參數，其一是我們大智科技計算出來的實時最佳需求風量值，即我司根據溫差（積分比例等）計算出來的實時最佳需求風量，我們不妨稱之為Gi-demand，我們據此可以方便地計算出VAV系統實時最佳需求總風量，即∑Gi-demand。其二是VAV控制器計算出來的實時運行風量值，我們不妨稱之為Gi-run，我們同樣可以據此計算出VAV系統實時運行總風量，即∑Gi-run。抓住了這兩個總風量值，就可以方便地實現總風量法控制了，如果還有什麼疑問，可與大智公司取得聯繫，以上控制方法稱Onyx-2001總風量控制法。
2.4 Onyx-2002雙重控制法
所謂Onyx-2002雙重控制法，即採用定靜壓與總風量雙重控制法，就是將定靜壓法的簡單可靠與總風量法的先進直觀相結合，通過總風量法來不斷「修正」定靜壓法的定靜壓值，使其具有一定的調節範圍而獲得相應的節能效果。控制原理如圖所示：
2.5 Onyx-2003雙重控制法
所謂Onyx-2003雙重控制法即採用變靜壓與總風量雙重控制法，就是將變靜壓的顯著節能與總風量的先進直觀相結合，通過變靜壓法來不斷「修正」總風量法的設計轉速，使其獲得更好的節能效果。控制原理如圖所示：